Senkrechte magnetische Anisotropie und hydrierungsinduzierte magnetische Änderung von Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO/Pd-Mehrfachschichten

In-plane und out-of-plane M-H-Schleifen von Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (t _MgO )/Pd getempert bei 300 °C. a t _MgO = 0,9 nm. b t _MgO = 1,1 nm. c t _MgO = 1,3 nm. d t _MgO = 1,5 nm

Um den Einfluss der Glühtemperatur auf PMA zu verdeutlichen, zeigt Abb. 2 die MH-Schleifen der Ta/Pd/CFMS-(2,3 nm)/MgO-(1,3 nm)/Pd-Schichten, die bei verschiedenen Temperaturen (250–450 °C) getempert wurden. . Die abgeschiedene Probe weist eine magnetische Anisotropie (IMA) in der Ebene auf, wie in Abb. 2a zu sehen ist. Die magnetische Anisotropie änderte sich nach dem Glühen bei einer niedrigen Temperatur von 250 °C nicht (Abb. 2b). Die Achse der leichten Magnetisierung der Probe, die bei 300 °C getempert wurde, wurde in eine Richtung außerhalb der Ebene verschoben und zeigte starke PMA (Abb. 2c). Die PMA konnte nach T . aufrechterhalten werden _ein stieg auf 350 °C an, aber die Rechteckigkeit nahm ab. Bei weiterer Erhöhung des T _ein , wurde die PMA zerstört und die Achse der leichten Magnetisierung zurück in die Ausrichtung in der Ebene verschoben (Abb. 2e, f). Die Ergebnisse zeigen, dass das starke PMA nur bei der richtigen Glühtemperatur erreicht werden kann und bei einer höheren Glühtemperatur leicht verschlechtert wird. Dies liegt daran, dass eine hohe Glühtemperatur zu einer verstärkten Interdiffusion der Atome an der Grenzfläche führen und die Elektronenorbitalhybridisierung verschlechtern könnte, was mit unseren früheren Berichten übereinstimmt [9, 12, 17, 18].

In-plane und out-of-plane M-H-Schleifen der Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-Filme, die bei verschiedenen Temperaturen getempert wurden. a Wie hinterlegt. b 250 °C. c 300 °C. d 350 °C. e 400 °C. f 450 °C

Um den Grenzflächeneffekt auf die PMA in den Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd-Filmen zu verdeutlichen, wurden die M-H-Schleifen verschiedener Filmstapel in Abb. 3a–c angegeben. Wie in Abb. 3a gezeigt, zeigt der Film ohne MgO-Schicht ein starkes IMA-Verhalten. Aber für den Film ohne die untere Pd-Schicht zeigt die Achse der leichten Magnetisierung der Ta/CFMS/MgO/Pd-Probe eine leichte Verschiebung von der Richtung in der Ebene, was die schwache IMA zeigt (Abb. 3b). Das starke PMA wird in dem Film nach dem Einfügen der Pd- und MgO-Schichten (dh Ta/Pd/CFMS/MgO/Ta) beobachtet, wie in Fig. 3c zu sehen ist, was impliziert, dass sowohl die Pd/CFMS- als auch die CFMS/MgO-Grenzfläche wesentlich für die Realisierung von PMA, und der Beitrag der CFMS/MgO-Schnittstelle zur PMA spielt eine große Rolle [12, 17]. Das heißt, eine geeignete Menge an Co-O-Bindungen an der CFMS/MgO-Grenzfläche ist hilfreich, um die optimale PMA zu erreichen. Die dünne MgO-Schicht macht CFMS/MgO unteroxidiert (Abb. 1a, b) und die dicke MgO-Schicht macht CFMS/MgO überoxidiert (Abb. 1d), was beide die PMA schwächt [11]. Wie in Abb. 1c gezeigt, ist die Probe mit t _MgO = 1.3 nm hat die richtigen Co-O-Bindungen in der CFMS/MgO-Grenzfläche, um starkes PMA zu erhalten.

Die M-H-Schleifen von a Ta/Pd/CFMS/Pd, b Ta/CFMS/MgO/Pd und c Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd getempert bei 300 °C und d die CFMS-Schichtdickenabhängigkeit von K _eff × t _CFMS Produkt für Ta/Pd/CFMS (t _CFMS )/MgO (1,3 nm)/Pd bei verschiedenen Temperaturen getempert

Um die PMA-Festigkeit in den Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd-Filmen zu quantifizieren, wird die effektive Anisotropiekonstante K _eff wird gegeben durch

wo K _V und K _S sind die Bulk- bzw. die Grenzflächenanisotropie. K _eff wird durch die Unterschiede der Magnetisierungsenergie zwischen den Richtungen harter und leichter Magnetisierung bestimmt. Das positive K _eff steht für PMA und das negative K _eff repräsentiert IMA. Das Produkt von K _eff × t _CFMS als Funktion von t _CFMS für Ta/Pd/CFMS (t _CFMS )/MgO (1,3 nm)/Pd-Filme, die bei verschiedenen Temperaturen getempert wurden, ist in Abb. 3d gezeigt. Alle abgeschiedenen Filme zeigen das Negativ K _eff , was das Fehlen von PMA impliziert. Die PMA der bei 250 °C getemperten Folien kann nur mit t . beobachtet werden _CFMS = 1,9 nm. Bei den bei 300 °C getemperten Filmen kann die PMA innerhalb eines weiten t gehalten werden _CFMS Bereich (unter 2,7 nm). Das größte K _eff Wert der Stichprobe beträgt 5,6 × 10 ⁵ erg/cm ³ (5,6 × 10 ⁴ J/m ³ ) mit t _CFMS = 2,3 nm.

Wie oben gezeigt, ist das PMA sehr empfindlich gegenüber der Grenzflächenumgebung, die auch durch die Gasabsorption oder Desorption des Edelmetalls Pd beeinflusst werden könnte. Daher wurde die durch Hydrierung induzierte magnetische Änderung an Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-Filmen untersucht, die bei 300 °C getempert wurden. Die M-H-Schleifen wurden unter verschiedenen Gasatmosphären durch Variieren des H₂ . überprüft Konzentration wie in Abb. 4a gezeigt. Hier ist zu beachten, dass die M-H-Schleifen durch den reinen Stickstoff N₂ . nicht beeinflusst werden können und reine Argon-Ar-Atmosphären (Daten wurden hier nicht gezeigt). Nach der Einführung von H₂ , ändert sich die M-H-Schleife signifikant, und die Achse der leichten Magnetisierung verschiebt sich weg von der Richtung außerhalb der Ebene, was ein großes Sättigungsfeld der magnetischen Kurve außerhalb der Ebene zeigt. Es zeigt sich, dass das Sättigungsfeld mit zunehmendem H₂ . zunimmt Konzentration. Die Probe weist bei einem kleinen angelegten Magnetfeld (< 30 Oe) eine ausgezeichnete Wasserstoffempfindlichkeit auf. Abbildung 4b zeigt die unter Luftatmosphäre gemessenen M-H-Schleifen vor und nach der Zugabe von H₂ . Es ist ersichtlich, dass die M-H-Schleife nach dem Entfernen von H₂ . wieder in den Anfangszustand zurückkehrt . Wie in Abb. 4c gezeigt, M_r sinkt von 123,15 auf 30,75 emu/cm ³ (um 75 % verringert) und das Sättigungsfeld (H_k ) steigt von 5,5 auf 18 Oe mit steigendem H₂ Konzentration von 0 bis 5%.

Die M-H-Schleifen außerhalb der Ebene für Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-Filme, getempert bei 300 °C. a Unter H₂ Einleitung. b Vergleich nach Entfernen von H₂ . c Die Abhängigkeit von M_r und H_k auf H₂ Konzentration

Abbildung 5 zeigt die Abhängigkeit des Hall-Widerstands von der Zeit für H₂ Absorption und Desorption in Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd getempert bei 300 °C. Wie in Abb. 5 gezeigt, H₂ Die Absorptionsrate ist schneller als die Desorptionsrate. Der spezifische Hall-Widerstand stieg nach 70 Minuten, nachdem er H₂ . ausgesetzt wurde, allmählich an, bis er gesättigt war . Durch die Einführung von N₂ H₂ vertreiben , verringert sich der Hall-Widerstand nur um 60 % aufgrund von nicht-desorptiertem H₂ . Der spezifische Hall-Widerstand nahm zu Beginn (erste 10 Minuten) unter den Prozessen von H₂ . schnell zu/ab Absorption/Desorption, da der Hall-Widerstand hauptsächlich mit der magnetischen Schicht (CoFeMnSi) zusammenhängt. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Änderungen des spezifischen Widerstands zu Beginn hauptsächlich auf die Grenzflächenvariationen zwischen Pd- und CoFeMnSi-Schichten aufgrund von H₂ . zurückzuführen sind Absorption/Desorption. Die Änderung des spezifischen Widerstands im späteren Stadium könnte die intrinsische Änderung von Mehrschichtfilmen aufgrund des absorbierten H₂ . sein . Im Vergleich zu Abb. 4b könnte die magnetische Detektion von mehrschichtigen Filmen aufgrund der guten Wiederherstellung der magnetischen Leistung im Vergleich zu den spezifischen Widerstandsschwankungen sehr reproduzierbar sein.

Die Abhängigkeit des Hall-Widerstands von der Zeit unter H₂ Absorption und Desorption für Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-Filme getempert bei 300 °C

Wie oben erwähnt, kommt die durch Hydrierung induzierte magnetische Änderung hauptsächlich von der Spannung, die mit H₂ . auf den Film einwirkt Absorption von Pd im Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-Filmsystem [19]. Es ist bekannt, dass Pd ein wirksamer Katalysator für die Dissoziation des Wasserstoffmoleküls ist [4]. Wasserstoffmoleküle werden adsorbiert und zu Wasserstoffatomen auf der Oberfläche der Pd-Schicht dissoziiert. Das Gitter von Pd konnte durch die Absorption von Wasserstoffatomen erweitert werden [20], was wiederum Zugspannungen auf seine angrenzende MgO- und CFMS-Schicht ausübt, was zum kontrollierbaren Magnetismus von CoFeMnSi führt. Nach dem Entladen von H₂ , können die Wasserstoffatome aus der Pd-Membranoberfläche [21] entweichen, wodurch die magnetische Leistung wiederhergestellt wird.