Co/Ni多层膜的垂直磁各向异性及畴结构研究

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近年来,垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA)磁性多层膜在磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)方面表现出了巨大的潜在应用价值,因此引起了科研人员非常大的研究热情。Co/Ni多层膜具有可调的垂直磁各向异性、高的自旋极化率和低的阻尼,使其在自旋器件中具有非常大的应用价值,因此对Co/Ni多层膜的垂直各向异性变化及磁畴结构的研究是非常必要的。本论文首先采用Au作为缓冲层,研究了缓冲层Au、磁性层Ni、Co/Ni周期数N以及低温等条件对Co/Ni结构样品静态及动态磁性能的影响。当缓冲层Au的厚度大于等于5 nm时,薄膜表现出垂直磁各向异性。具体表现为Ni/Co层的厚度比为2/1时,薄膜的垂直磁各向异性最强,其Co/Ni界面的各向异性常数Ks大约为0.28 mJ/m2。随着周期数N增大,样品矫顽力Hc下降,有效垂直各向异性常数Keff下降,饱和磁化强度Ms上升。周期数N=5或7的样品磁化时翻转迅速。周期数N=9或11的样品回线为蝴蝶结形状,呈现出多畴结构。同时,铁磁共振研究结果表明,本征阻尼?int随周期数N为反比关系,周期数N=11样品的阻尼?int最小,为0.016。将同样结构的样品沉积于铌酸锂衬底上时,薄膜的垂直磁各向异性减小。Co和Ni的沉积顺序对薄膜的垂直磁各向异性也是有影响的,对比于Au/[Ni/Co]结构,Au/[Co/Ni]结构的样品垂直磁各向异性更强。另外,在低温下,随着温度降低,样品矫顽力Hc增大,垂直各向异性增强。当更换Co/Ni多层膜结构中的缓冲层为Pt后,仅仅需要2 nm,薄膜就具有垂直磁各向异性,相比于Au作为缓冲层时需要的厚度更薄,这是因为Pt的自旋轨道耦合强。改变磁性层Ni的厚度,发现磁化翻转过程的磁畴结构与薄膜垂直各向异性有密切关系。随着周期数N的增大,薄膜的矫顽力Hc和垂直各向异性常数Keff降低,饱和磁化强度Ms增加,磁畴的尺寸以指数形式快速减小。对薄膜进行真空退火处理后发现,较低的退火温度可以提高界面效应,使得垂直各向异性增大。周期数N较大的薄膜由于具有更多的界面,可以承受更高温度的退火,热稳定性更高。
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