真空退火对颗粒状Co_xAg_(100-x)合金薄膜磁阻特性及结构-相态的影响

《Vacuum》：Effect of Vacuum Annealing on Magnetoresistive Properties and Structural–Phase State of Granular Co xAg 100- x Alloy Thin Films

真空退火影响CoAg100-x薄膜纳米结构与磁阻特性，分析表明退火导致晶粒生长、间距减小及形状趋于球形，使巨磁阻效应（GMR）下降7.5%-7.7%并增强矫顽力。

　　

V. Hrebynakha|T. Plecenik|L. Satrapinskyy|Yu. Shkurdoda|U. Shvets|S. Lyfar|A.I. Ruban|L.E. Kozlova|S. Vorobiov|M. Yanenko|I. Shpetnyy

乌克兰国家科学院V.G. Baryakhtar磁学研究所，Vernadskoho Blvd. 36-b，03142基辅，乌克兰

摘要

本研究探讨了真空退火对颗粒状Co_xAg_100-x薄膜的纳米结构、相态和磁阻特性的影响。这些薄膜的组成范围为15原子% ≤ x ≤ 90原子%，厚度为20纳米，通过电子束共蒸发技术在真空中沉积。使用透射电子显微镜（TEM）分析了沉积态和退火态样品的纳米结构、相态和磁输运行为之间的关联。在0.45 T磁场下，室温下的磁阻测量显示，当x = 55原子%时，沉积态薄膜的横向和纵向几何结构的巨磁阻（GMR）值分别达到7.5%和7.7%。在x ≈ 60原子%附近观察到了结构渗透阈值。在各种温度（最高至T_max = 800 K）下对薄膜进行等温退火后，GMR幅度减小，磁阻曲线的滞后现象增加。Co_xAg_100-x薄膜的这些磁阻特性变化归因于其纳米结构的热诱导演变，包括钴颗粒的生长、晶界距离的减小以及形状向更球形、热力学更稳定的配置转变。

引言

磁性纳米材料和纳米系统由于其在现代应用领域（如纳米电子学、自旋电子学和生物技术）中的重要性，仍然是一个重要的研究课题。磁性纳米系统可以表现出磁阻（MR）效应——巨磁阻、各向异性磁阻、隧穿磁阻和 colossal 磁阻——这些效应在均匀块体材料中要么表现微弱，要么完全不存在[1]，[2]。表现出MR效应的磁性纳米系统已应用于磁阻随机存取存储器（MRAM）[2]，[3]，[4]、信息存储设备、高灵敏度磁场和位置传感器[5]，[6]，[7]，[8]，[9]、混合忆阻-磁阻器件[10]以及用于缺陷检测的无损检测系统[11]。近年来，用于神经形态计算的自旋电子传感器元件受到了积极研究，因为它们能够以低功耗和高可扩展性提供突触功能[4]，[5]，[8]。此外，表现出MR效应的磁性纳米系统在生物技术中也有广泛应用，特别是在蛋白质和DNA检测的生物传感器中[12]、神经生物学中的磁阻传感器（磁电极和神经探针）[13]、仿生触觉传感器[14]，并且被认为是检测肿瘤生物标志物的有前景的平台[15]。

在MR效应中，巨磁阻（GMR）在自旋电子学中起着关键作用[4]。GMR已在多种颗粒状磁性纳米系统中观察到，包括Co-Ag、Co-Cu、Fe-Ag、Fe-Au、FeNi-Cu和FeNi-Ag合金[1]，[2]，[4]。在这些纳米系统中，铁磁（FM）颗粒随机分布在非磁性（NM）基体中[16]，[17]。GMR源于FM/NM界面和FM颗粒内部的自旋依赖性电子散射，尤其是在晶界距离与电子平均自由路径相当时[18]，[19]，[20]。GMR效应的幅度取决于颗粒状磁性纳米系统的制备方法和沉积条件、组分之间的相分离程度、FM颗粒的大小和形状以及它们之间的距离[19]，[21]。

颗粒状磁性纳米系统的结构和相态对其磁性和磁输运特性有显著影响，并且可以通过沉积后的退火进行修改。退火已知可以促进结构均匀化以及颗粒大小和形状的变化，这可能会导致GMR效应的增强或减弱，具体取决于退火条件[22]，[23]。因此，控制退火温度和时间是优化颗粒状磁性纳米系统功能特性的关键因素。

在磁性颗粒纳米系统中，Co-Ag合金薄膜占有特殊地位[24]。根据相图[25]，Co和Ag不会相互混合，也不会形成稳定的固溶体或金属间化合物。这种薄膜系统在室温下的GMR值最高（可达25%）[24]，对外部磁场的敏感度高[26]，并且在颗粒系统中具有最高的渗透阈值浓度[17]。

值得注意的是，这样的高GMR值通常出现在厚度为200 - 500纳米的较厚Co–Ag薄膜中，而本研究调查的超薄（约20纳米）准二维薄膜则具有不同的纳米结构和渗透条件，通常导致较低的GMR值。尽管绝对GMR值较低，但由于其与器件微型化的兼容性以及尺寸和界面驱动的传输效应的增强作用，超薄Co–Ag薄膜特别引人关注。在高钴含量下，Co-Ag薄膜还可能表现出各向异性磁阻和垂直磁各向异性[1]，[27]，[28]，使其适用于传感器和自旋电子学应用。基于Co-Ag薄膜的磁传感器可以在高达200 °C的温度下工作[26]，进一步增强了其技术相关性。

大多数先前的研究集中在厚度在200 - 500纳米范围内的相对较厚的Co-Ag薄膜上[22]，[23]，[27]，[29]，[30]，[31]，[32]。相比之下，对厚度为10 - 50纳米的非常薄的颗粒薄膜的研究仍然有限，尽管众所周知Co-Ag薄膜的磁、电和磁阻特性强烈依赖于薄膜厚度[33]，[34]，[35]，[36]。本研究中选择Co_xAg_100-x合金薄膜的厚度为20纳米，是因为在这个尺度上，电物理、磁和磁阻特性的尺寸效应变得更加明显[37]。在这种准二维（2D）纳米系统中，单畴颗粒的大小与薄膜厚度相当。此外，在这个厚度下，更容易实现Co磁颗粒在薄膜厚度范围内均匀分布在非磁性基体中的结构状态。从技术角度来看，20纳米的薄膜厚度对于器件缩放也很重要，因为使用电子束共蒸发进一步减小厚度可能会导致不连续或非均匀的薄膜形成，从而复杂化磁输运特性的解释。同时，非常薄的颗粒薄膜可能会表现出较厚薄膜所没有的特定特性。例如，外部磁场可以改变薄Co-Ag和Co-Cu薄膜的表面形态和粗糙度，可能影响其磁输运特性[38]，[39]。

考虑到这些因素，本研究的目的是探讨真空退火对厚度为20纳米的准二维颗粒状Co_xAg_100-x合金薄膜的磁输运特性和结构-相态的影响。特别关注了纳米结构演变、相态和磁阻行为之间的关联，以及确定薄膜表现出最高巨磁阻的最佳组成和退火温度。

实验部分

实验

在10^-4 Pa的压力下，通过两个独立的电子束蒸发器同时在真空中蒸发获得了组成范围广泛（15原子% ≤ x ≤ 90原子%）且厚度为d = 20纳米的Co_xAg_100-x合金薄膜样品。Co_xAg_100-x合金薄膜的沉积过程如图1所示。合金组分的沉积速率分别为：Co（在U = 2 kV，I = 30 mA时）为0.2纳米/秒，Ag（在U = 2 kV，I = 25 mA时）为0.4纳米/秒。

实验结果

众所周知，磁性薄膜系统的磁性和磁阻特性由其纳米结构和相态决定[4]，[16]，[22]，[31]，[32]，[33]，[34]，[41]，[42]。在颗粒状磁性薄膜中，这些特性由磁颗粒的大小和形状、晶界距离以及它们在样品体积中的空间分布决定[2]，[34]，[36]。退火引起的纳米结构和相态的变化会显著影响

结论

研究结果表明，颗粒状Co_xAg_100-x合金薄膜的纳米结构变化与其在真空退火影响下的磁阻特性演变之间存在明显联系。在0.45 T磁场下，室温下的最大GMR值分别为7.5%（横向）和7.7%（纵向），出现在沉积态的Co₅₅Ag₄₅样品中。研究发现，新鲜沉积后的结构渗透阈值

作者贡献声明

S. Lyfar： 数据可视化。: 形式分析。L.E. Kozlova： 数据可视化。Serhii Vorobiov： 文章撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、形式分析。Viktor Hrebynakha： 数据可视化、方法论、研究。A.I. Ruban： 数据可视化：形式分析。Yu. Shkurdoda： 文章撰写 – 初稿撰写、形式分析。U. Shvets： 数据可视化、形式分析。M. Yanenko： 数据可视化、形式分析。Tomas Plecenik： 文章撰写 – 审稿与编辑、监督、资金支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了欧盟 NextGenerationEU通过斯洛伐克恢复和韧性计划（项目编号：09I03-03-V01-00044）的资助。Yu. Shkurdoda感谢北约“和平与安全科学”计划（项目编号G6131）和乌克兰教育和科学部的国家计划（项目编号：0224U033036）提供的财政支持。作者感谢Sumy州立大学（Sumy，乌克兰）的V.Ya. Pak博士和T. Kulyk的帮助