一种铁磁-反铁磁薄膜异质结构、制备方法及磁存储设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁存储领域，具体涉及一种铁磁-反铁磁薄膜异质结构、制备方法及磁存储设备。
【背景技术】
[0002]自从巨磁电阻(GMR)效应被发现以来，各种巨磁电阻器件在机电、汽车、航空航天及高密度信息存储领域开始了广泛应用。而铁磁-反铁磁双层膜体系也自然成为了人们的一个研究热点。铁磁-反铁磁体系在外磁场中，从高于反铁磁奈尔温度而又低于铁磁层的居里温度冷却到反铁磁奈尔温度以下(即场冷过程)时，铁磁层的磁滞回线将沿着磁场方向偏离原点，并伴随着矫顽力的增加，这种现象叫做交换偏置。磁滞回线的偏移量被称为交换偏置场，通常记作HE。巨磁电阻器件的实用化过程中，铁磁/反铁磁双层膜交换偏置起了重要作用。铁磁-反铁磁双层膜交换偏置提高了高密度磁记录读出头的灵敏度，使得磁记录存储密度得到了飞速的发展。另外，它还是目前广为关注的磁随机存储器(MRAM)的基本结构。近年来，基于交换偏置效应的磁电子器件已成功地应用于磁电阻读出磁头、磁随机存储器、磁传感器等磁存储领域。
[0003]然而，随着技术发展，对磁存储设备的性能要求越来越高。期望进一步改进铁磁_反铁磁薄膜异质结构，使其具有更好的性能。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供一种具有很好的交换偏置效应的铁磁-反铁磁薄膜异质结构。
[0005]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种铁磁-反铁磁薄膜异质结构，包括层叠设置的反铁磁层和铁磁层，所述铁磁层的材料为全哈斯勒合金；
[0007]所述反铁磁层的材料为多铁性材料。
[0008]优选的，所述全哈斯勒合金为Co2FeAlQ.5SiQ.5、Co2FeS1、Co2TiSn或者
[0009]全哈斯勒合金为X2YGa，其中，X为Co，Fe或Ni ； Y为V，Cr，Mn或Cu。
[0010]优选的，所述铁磁层的厚度为I至10纳米，进一步优选为5纳米。
[0011]优选的，所述反铁磁层的材料为BiFe03、BiFeQ.5MnQ.503或ΥΜη03。
[0012]优选的，还包括衬底，所述反铁磁层和所述铁磁层依次层叠设置于所述衬底上。
[0013]优选的，所述衬底为钛酸锶单晶基片或掺铌钛酸锶单晶基片。
[0014]优选的，还包括保护层，设置于所述铁磁层之上。
[0015]优选的，所述保护层的材料为Ta、Pt、Cu、AuRu。
[0016]优选的，所述保护层的厚度为I至5纳米，进一步优选为2纳米。
[0017]另一方面，本发明还提供了一种过程简单的铁磁-反铁磁薄膜异质结构的制备方法。
[0018]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0019]—种如上所述铁磁-反铁磁薄膜异质结构的制备方法，包括如下步骤:
[0020]步骤A、在衬底上沉积多铁性材料以形成反铁磁层；
[0021 ]步骤B、在步骤A形成的反铁磁层上沉积全哈斯勒合金以形成铁磁层。
[0022]优选的，步骤A中，在衬底上沉积BiFeO3以形成所述反铁磁层；
[0023]优选的，在沉积室内进行沉积过程，沉积室的真空度高于5 X 10_5Pa;
[0024]优选的，沉积时的氧气压力为8?1Pa;
[0025]优选的，沉积温度为700?750°C，进一步优选为720°C ；
[0026]优选的，采用原位脉冲激光在衬底上沉积BiFeO3,沉积时，激光能量为200mJ?400mJ，频率为I?5Hz，进一步优选为3Hz ；
[0027]优选的，完成沉积过程后进行退火，退火过程中，氧气压力为IX 104Pa，退火时间为15?60分钟，进一步优选为30分钟；
[0028]优选的，退火完成后，除去沉积室中的氧气，抽真空至真空度高于5X 10_5Pa，然后进行步骤B。
[0029]优选的，步骤B中，采用原位脉冲激光在反铁磁层上沉积Co2FeA10.5Si0.5;
[0030]优选的，沉积温度为10?40Γ;
[0031]优选的，沉积时的激光能量为200mJ?400mJ，频率为I?5Hz，进一步优选为3Hz。
[0032]优选的，步骤B完成后，进行步骤C:在步骤B形成的铁磁层上形成保护层。
[0033]优选的，在铁磁层上磁控溅射生长保护层；
[0034]优选的，在溅射室内进行溅射过程，溅射室的真空度高于2X 10_5Pa;
[0035]优选的，溅射温度为10?40Γ;
[0036]优选的，溅射时的氩气压力为0.2?IPa，进一步优选为0.5Pa。
[0037]再一方面，本发明还提供了一种性能好的磁存储设备。
[0038]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0039]—种磁存储设备，所述磁存储设置采用如上所述的铁磁-反铁磁薄膜异质结构作为磁存储介质。
[0040]本发明的有益效果是:
[0041]本发明提供的铁磁-反铁磁薄膜异质结构的铁磁层采用全哈斯勒合金，具有很高的有效自旋极化率，半金属性好，使得铁磁-反铁磁薄膜异质结构具有很好的交换偏置效应，而反铁磁层米用多铁性材料，不但具备各种单一的铁性，还具备在铁磁序和铁电序之间存在的耦合效应，表现出磁电耦合效应，因此，通过改变反铁磁层的厚度变化，来影响铁磁-反铁磁界面处的交换耦合作用，就可以获得整个异质结构的磁性变化，获得一个具有振荡形式的交换偏置效应，基于交换偏置效应的磁电子器件可应用于磁电阻读出磁头、磁传感器、磁随机存储器等磁存储领域。
[0042]本发明提供的铁磁-反铁磁薄膜异质结构的制备方法过程简单，易于操作。
[0043]本发明提供的磁存储设备由于采用了上述的铁磁-饭铁磁薄膜异质结构作为存储介质，性能好。
【附图说明】
[0044]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0045]图1是本发明提供的铁磁-反铁磁薄膜异质结构的结构示意图；
[0046]图2是本发明中反铁磁层材料的铁电电滞回线图。
[0047]图3是本发明提供的铁磁-反铁磁薄膜异质结构在不同反铁磁层厚度下的磁滞回线图。
[0048]图4是本发明的交换偏置与反铁磁层厚度的关系图。
[0049]图中，1、衬底;2、反铁磁层;3、铁磁层;4、保护层。
【具体实施方式】
[0050]以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
[0051]本发明提供了一种铁磁-反铁磁薄膜异质结构，如图1所示，其包括依次层叠设置的衬底1、反铁磁层2、铁磁层3和保护层4。
[0052]其中，反铁磁层2采用的是多铁性材料。多铁性材料是指材料的同一个相中包含两种及两种以上铁的基本性能，是一种集电性与磁性于一身的多功能材料。多铁性材料(如既有铁电性又有铁磁性的磁电复合材料等)不但具备各种单一的铁性(如铁电性、铁磁性)，还具备在铁磁序和铁电序之间存在的耦合效应，表现出一些原来铁电体和铁磁体不具有的性质，如磁电耦合效应(ME Effect)，从而使得多铁材料在传感器，转换器，记忆设备，信息存储和读取等领域有着广阔的应用前景。优选的，采用BiFeO3形成反铁磁层。纯相BiFeO3作为一种典型的单相多铁材料，具有扭曲的I丐钦矿结构，是少数在室温下同时拥有铁电有序和磁有序的材料之一，室温下呈反铁磁有序(奈尔温度为380°C)和铁电有序(居里温度为810°C)。近年来随着薄膜制备技术的巨大进步，极大减小了BiFeO3在室温下的漏导，从而在室温下观测到比较强的磁电效应，使该材料吸引了大量的研究目光。
[0053]当然，反铁磁层2不局限于采用BiFeO3,其他多铁性材料亦可，例如BiFe0.5Μηο.503、YMnC>3 等。
[0054]反铁磁层2的厚度优选为20至120纳米。
[0055]半金属材料具有特殊的能带结构，即一种自旋能带在费米面附近有传导电子，表现为金属性;而另一种自旋能带的费米能级则处于导带与价带之间，表现为半导体或绝缘体性。因此，理论上半金属是具有100%自旋极化率。作为典型的半金属，Co基全Heusler合金除了具有高自旋极化率外，因为还具有高的居里温度、低阻尼因子以及与MgO绝缘层较好的晶格匹配等优点而成为现今的研究热点。本发明中的铁磁层3的材料采用全哈斯勒(Heusler)合金，具有很高的有效自旋极化率(Peff)，进一步的，优选采用C02FeAlth5Si0.5，在所有半金属材料当中，C02FeAlQ.5Si().5在室温下具有最高的有效自旋极化率(Peff)，而且Peff随温度的变化是最小的，说明了其非常好的半金属性。
[0056]当然，铁磁层3不局限于采用Co2FeAl0.5S1.5，其他全哈斯勒(Heusler)合金材料亦可，例如Co2FeS1、Co2TiSn等或者全哈斯勒(Heusler)合金为X2YGa,其中，X为Co ,Fe或Ni; Y为V,Cr,Mn或Cu。
[0057]铁磁层3的厚度优选为I至10纳米，进一步优选为5纳米。
[0058]衬底I优选采用钛酸锶单晶基片或掺铌钛酸锶单晶基片。<