论文部分内容阅读
磁性功能薄膜材料在当今的信息存储、逻辑和传感领域拥有广阔的应用前景。然而,目前对于磁性薄膜的研究主要针对其在电输入信号下的性能和应用:一方面,利用其自旋相关输运特性的功能器件在工作时,几乎都以电信号作为输入源;另一方面,对其磁性能的控制手段也主要基于电控的方式,如利用铁电基底或自旋转移矩来实现薄膜的磁化翻转等等。这些局限于电控的使用方法和控制方法,不但限制了磁性薄膜材料的应用功能,还会因焦耳热的存在而引起散热和能耗困扰。围绕以上问题,本论文提出了"温控"的手段,并从磁性薄膜在"空间温差下的输运行为"和在"升(降)温控制下的磁性变化"这两个方面,对温控下的磁性功能薄膜材料做出了系统的研究。主要研究内容如下:(1)研究了MgO包覆的NiFe薄膜在温差下的自旋相关输运行为。一方面,在平行于温差方向上,450℃退火后MgO(3)/Ni81Fe19(10)/MgO(2)/SiO2(1)(单位为nm)薄膜样品的塞贝克系数(Sxxavg.)较制备态提升了343%,这可以归因为MgO结晶对电子界面散射作用的增强;与此同时,样品的各向异性磁温差电效应(AMT)仅较制备态增大了139%,我们推测这是由于制备态时被氧化了的界面处Fe元素在退火后得到还原所致。另一方面,在垂直于温差方向上,样品的平面能斯特效应(PNE)也在退火后得到了增强,450℃退火后其横向的塞贝克系数(Sxy)达到了73.1nV/K。(2)观测并研究了NiFe薄膜在温差和电流共同调节作用下出现的温差增强磁电阻(ThMR)现象。对厚度为10nm的NiFe薄膜样品同时施加0.966μV电流和2.5℃/mm温度梯度时,其ThMR值可达-22600%。此外,这一ThMR还可以通过改变所施加的电流和温度梯度的相对大小来调节。例如本研究中,当温度梯度固定为2.5℃/mm、输入从0.85μA到1.05μA之间的电流时,即可对样品的ThMR值在-259%到183%的范围内做出调控;而随后固定电流大小不变、改变所施加的温度梯度大小的实验也对ThMR值做出了相似的调控。这一现象的物理本质在于NiFe薄膜中自旋相关散射引起的磁电阻效应(MR)与磁温差电效应(MT)拥有相反符号。(3)通过在垂直磁各向异性Co/Ni多层膜的Ni/Co界面间插入Au插层,改善了该类材料在热处理后出现的磁性能下降的情况。经过350℃退火后,结构为Ta(3)/Pt(2)/[Co(0.3)/Ni(0.6)/Au(0.3)]×3/Co(0.3)/Pt(1)/Ta(3)(单位为nm)的样品的有效磁各向异性能(Keff)仍保持在0.48×105 J/m3。通过STEM-HAADF电镜照片分析,我们认为这一结果的原因在于Au插层阻碍了其两侧Ni层和Co层在退火过程中的相互扩散。此外,通过与具有Pt插层的Co/Ni多层膜对比,我们发现Au插层几乎不会对该材料体系带来额外的界面垂直磁各向异性(界面PMA)。这让带有Au插层的Co/Ni多层膜有可能成为MRAM用垂直磁各向异性材料的竞争者之一。(4)设计了NiTi形状记忆合金基底/Fe薄膜复合材料,并研究了其在温度控制下的磁各向异性变化。经过200℃、1分钟的升温控制并回到室温后,单程NiTi基底/Fe(5nm)薄膜样品的面内磁各向异性有所增大。X射线光电子能谱(XPS)表征和第一性原理计算显示,单程NiTi基底在升温控制下发生的尺寸缩小使Fe薄膜受到了压应变作用的影响,这会降低Fe晶格内沿z方向电子产生的自旋轨道耦合(SOI)作用,并最终使Fe薄膜的面内磁各向异性增大。类似地,双程NiTi基底/Fe(5nm)薄膜样品则会在"升温、降低温、升温"或"降低温、升温、降低温"的循环温控下产生可逆的面内磁各向异性变化。