通过添加IrMn包覆层来增强NiFe薄膜的各向异性磁阻效应

《Surface and Coatings Technology》：Enhancement of anisotropic magnetoresistance for NiFe films with IrMn capping layer

NiFe薄膜在AF IrMn层和NiFeCr底层上的磁性能及各向异性磁阻（AMR）研究显示，通过场退火形成交换偏置可显著提升AMR至4.0%，采用NiFeCr底层时AMR达4.5%且线性范围扩展至60 Oe以上，矫顽力仅0.5 Oe，结构优化有效抑制扩散并增强磁各向异性，为高灵敏度磁传感器设计提供新方案。

　　

G.W. 黄 | F.T. 袁 | P.H. 林 | K.Y. 魏 | H.W. 张

台湾国立中兴大学物理系，嘉义市

摘要

研究了具有反铁磁（AF）IrMn覆盖层和NiFeCr底层结构的NiFe薄膜的磁性质及各向异性磁阻（AMR）效应。在Ta底层上制备的NiFe薄膜经过适当退火处理后，表现出各向同性的磁性质以及2.9%的中等AMR值。通过在NiFe上覆盖10纳米厚的IrMn层并进行磁场退火处理，可以在IrMn和NiFe之间建立交换偏置，从而在薄膜平面内形成磁易轴和磁难轴。AMR效应显著增强至4.0%，并且在磁难轴方向上，磁阻比（MR）与施加磁场（H）之间的关系变为线性。AMR的增强可能归因于IrMn对NiFe磁矩的定向作用及协同旋转效应。进一步将Ta层替换为5纳米厚的NiFeCr层，并在适当的磁场退火条件下进行退火处理，AMR效应进一步提升至4.5%，同时磁难轴的线性区域扩展至超过60 Oe（线性误差小于5%），且矫顽力仅为0.5 Oe。NiFeCr与NiFe具有相似的晶格常数，因此能够承受更高温度的退火处理而不会因严重扩散作用导致磁性能下降。NiFeCr/IrMn/NiFe/NiFeCr薄膜的高磁阻比、良好的线性特性以及低矫顽力表明其在磁传感器应用中具有巨大潜力。

引言

各向异性磁阻（AMR）是一种现象，它反映了铁磁材料磁化方向与导电电流方向之间的角度变化时电阻值的变化。AMR效应的产生源于导电电子在电流平行于磁化方向和垂直于磁化方向时的散射机制差异（这种差异源于自旋-轨道相互作用）。由于磁化强度与电阻值之间存在关联，AMR在磁场传感和测量应用中具有重要作用。具有优异AMR性能的磁性材料被广泛用于设计各种传感器，以实现基于磁场变化来检测物体的位置、旋转速度等功能，或用于感知和测量外部磁场的强度和方向[1][2][3][4]。AMR材料中的电阻率（ρ）取决于磁化方向与电流方向之间的夹角θ[1]。电阻率ρ作为θ的函数可表示为公式（1）： $$ \rho = \rho_{\parallel}\sin^2\theta + \rho_{\perp}\cos^2\theta $$ 对于性能优异的磁传感器而言，高信噪比（SNR）、低磁滞效应、良好的热稳定性以及对应力不敏感的特性至关重要。为实现高SNR，磁畴的有序排列（即磁旋转的相干性）至关重要[1][2]，因为这可以最大化电阻变化并降低与磁场相关的噪声。 坡莫合金（Ni₇₉Fe₂₁）因其极低的磁致伸缩系数（λ）、低矫顽力以及相对较高的磁阻比（MR）而被认为是最佳的AMR传感器材料[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]。研究表明，高结晶度、平坦的界面以及磁矩沿易轴的良好排列有助于实现高AMR和低矫顽力[1][2]。人们还致力于研究Ta/NiFe/Ta薄膜中扩散行为和结晶度对AMR的影响[5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]。据报道，在薄膜中插入ZnO[8][9]或MgO[10]缓冲层可以抑制NiFe与Ta之间的扩散，从而提高磁阻比。使用Pt[11][12]或Au[13]层可以形成清晰的界面并增强自旋-轨道散射，进一步提高磁阻比。此外，添加NiFeCr或NiFeNb层[14][15][16][17]也可以通过改善NiFe的结晶结构（两者具有相同的晶体结构和相似的晶格常数）来提升磁阻比。 对于需要传感器输出与磁场强度成线性关系的应用而言，测量方向上具有线性磁化曲线的AMR电阻器是必不可少的。通过引入磁各向异性（例如通过形成磁难轴）可以实现软磁AMR薄膜的线性磁化曲线。常见的方法包括将AMR电阻器设计成长条形以产生形状各向异性[18]、采用特殊沉积工艺创建平面内各向异性[19][20]，或利用反铁磁（AF）层产生的交换偏置来实现界面耦合[18]。与形状各向异性相比，利用其他类型的磁各向异性在设计上具有更多的灵活性，因为它们的形成和调节不依赖于电阻器的具体形状。 尽管反铁磁（AF）层与软磁层之间的磁耦合在自旋电子器件中具有重大意义，但关于其对AMR材料影响的系统性研究相对较少，尤其是针对IrMn/NiFe体系的研究。本研究报道了采用溅射技术在Ta、NiFeCr层上制备NiFe薄膜的磁性质和AMR效应。

实验

多层结构Ta（3 nm）/NiFe（30 nm）/Ta（3 nm）/IrMn（10 nm）/NiFe（30 nm）/Ta（3 nm）/NiFeCr（5 nm）/IrMn（10 nm）/NiFe（30 nm）/NiFeCr（5 nm）通过直流溅射技术在室温及零磁场条件下沉积在玻璃基底上。Ta、NiFeCr、NiFe和IrMn层分别采用Ta、Ni₄₈Fe₁₂Cr₄₀、Ni₈₁Fe₁₉和Ir₂₀Mn₈₀合金靶材沉积。基底压力低于2 × 10^?7 Torr，Ar气压保持在2 × 10^?3 Torr。

结果与讨论

首先研究了覆盖有反铁磁（AF）IrMn层的NiFe/Ta薄膜的微观结构、磁性质及磁阻比（MR）。图1展示了这些薄膜的XRD图谱。对于图1(a)中的NiFe/Ta薄膜，在沉积状态下，NiFe/Ta薄膜显示出明显的NiFe(111)衍射峰。经过100–400°C范围内的磁场退火处理后，NiFe(111)峰随着退火温度（T_annl）的升高而变得更加明显，表明其结晶度得到了改善。

结论

研究了具有反铁磁（AF）IrMn覆盖层和NiFeCr底层结构的NiFe薄膜的磁性质及各向异性磁阻（AMR）效应。在Ta底层上制备的NiFe薄膜经过适当退火处理后，表现出各向同性的磁性质以及2.9%的中等AMR值。通过在NiFe上覆盖10纳米厚的IrMn层并进行磁场退火处理，IrMn与NiFe层之间建立了交换偏置，磁阻比有效提升至4.0%，同时磁阻比在磁难轴方向上的变化变为线性。 G.W. 黄： 负责撰写初稿、方法论制定、数据分析。 F.T. 袁： 负责审阅与编辑、数据可视化、方法论研究、概念构思。 P.H. 林： 方法论研究、数据分析、数据管理。 K.Y. 魏： 方法论研究、数据分析、数据管理。 H.W. 张： 负责审阅与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC）的资助，资助编号分别为MOST-111-2112-M-194-006和NSTC-113-2221-E-194-006。