基于极化中子反射技术的CoFe/IrMn双层膜的自旋结构研究

The key to the performance of spin valves and magnetic tunnel junctions is the pinning of a ferromagnetic (FM) layer by exchange biasing of an antiferromagnetic (AF) layer. Interfacial exchange bias effects of FM/AFM bilayer strongly depend on the thicknesses, interfacial structures and spin structures etc. of the constituent layers. Thus, determining the bilayer magnetic structures (i.e. spin structures) is extremely important. Polarized neutron reflectometry is a powerful tool for investigating the magnetization profiles of FM&AFM bilayers; it is well suited to probe the magnetic structure of FM/AFM bilayers during the magnetization reversal. In this project, we plan to prepare CoFe/IrMn bilayers with facility for DC-magnetron-sputtering, utilize Vibrating Sample Magnetometer (VSM) to measure hysteresis loops, from which HE&HC can be determined, and analyze the effects of different IrMn thicknesses and interfacial roughness on exchange bias (HE) and coercivity (HC); The FM/AFM interfacial and AFM bulk magnetic structures will be determined through polarized neutron reflectometry, the relationship between magnetic structures and exchange bias effects will be revealed. All experiments results (including IrMn thicknesses, HE&HC, magnetization profiles etc.) will be combined to find general properties of the exchange bias systems with different thicknesses of IrMn and diffusion layers, interfacial roughness and magnetic or spin structures and to reveal the inherent physical mechanism.

影响自旋阀和磁性隧道结性能的关键因素之一是反铁磁性薄膜通过交换偏置耦合对铁磁薄膜的钉扎效果。铁磁层(FM)/反铁磁层(AFM)双层膜的交换偏置效应强烈依赖组成层的铁磁层和反铁磁层厚度、自旋结构及界面结构等微观结构参数。因此，精确获取FM/AFM双层膜的微观结构非常重要。极化中子反射技术是表征磁性（自旋）结构随深度变化的强有力工具，本项目旨在利用极化中子反射技术表征CoFe/IrMn双层膜磁性（自旋）结构，从而获得精确的界面自旋结构及AFM体自旋结构。结合振动样品磁强计测试磁滞回线，分析不同IrMn厚度、界面粗糙度及扩散层厚度等微观结构对交换偏置和矫顽力的影响。同时结合理论计算，综合分析CoFe/IrMn反铁磁层厚度对交换偏置和矫顽力及磁性（自旋）结构的影响，揭示交换偏置场与双层薄膜自旋结构的关联，研究其内在物理机制。

铁磁/反铁磁交换偏置体系是磁电阻器件的重要结构，是提高磁记录读出头的灵敏度和存储密度的关键部件。 反铁磁层厚度、界面粗糙度及扩散层厚度是影响交换偏置的关键因素，研究其对交换偏置机制的影响并建立关联是揭示交换偏置机制的重要科学基础。 本项目采用直流磁控溅射和中子反射技术分别作为研究制备和研究铁磁/反铁磁交换偏置双层膜结构的主要手段。 通过调整直流磁控溅射镀膜工艺参数，成功制备出适合TPNR测试所用的均匀和大尺寸（50mm×50mm）铁磁/反铁磁双层薄膜结构样品。 分别利用原子力显微镜和振动样品磁强计标定了铁磁/反铁磁双层薄膜样品的表面粗糙度并测量了磁滞回线（获取HE&HC）。 为了澄清交换偏置场HE&HC随反铁磁性薄膜厚度tAF的变化规律，制备了一系列铁磁/反铁磁双层结构（反铁磁层的厚度分别为2nm，4nm和6nm）样品：发现交换偏置场HE随着厚度增加而增加，而矫顽力HC随tAF增加先增加后降低，暗示铁磁/反铁磁界面未补偿磁矩随着反铁磁性薄膜厚度增加而增加；此现象证实了反铁磁性薄膜中出现磁畴壁并且磁畴壁存在临界厚度，在tAF小于临界厚度时，反铁磁磁畴的磁化强度是可以反演的，导致交换偏置场和矫顽力的增长；在tAF大于临界厚度时，一些磁畴变得不可反演，导致了交换偏置的继续增长和矫顽力的下降。这个可以为交换偏置机制建模提供实验支撑。 为了获取不同反铁磁性薄膜厚度的系列样品的界面粗糙度以及扩散层厚度，进行了中子反射实验测量，实验结果表明：铁磁/反铁磁双层膜样品界面粗糙度小于0.5nm，此系列样品为高质量样品与原子力显微镜给出的结果一致。 为了观察界面粗糙度和扩散层厚度对交换偏置效应的影响，我们对样品进行了0.5T磁场下，300摄氏度真空退火，发现退火前后的中子反射率曲线变化不显著，而其散射长度密剖面图揭示：退火使得IrMn/NiFe界面粗糙度变大，而在tAF=2nm的样品中，IrMn/Ta之间的扩散非常显著，导致了此样品交换偏置场的降低。最后，我们挑选#2样品进行了极化中子反射率的测试，结果表明和之前的预期一样，反铁磁性薄膜中存在磁畴，其对交换偏置效应的变化起到非常关键的作用。 本项目所建立的制备条件与膜结构参数的关联、界面参数表征方法可拓展至其它交换偏置体系甚至多层膜的界面结构研究。