МНОГОСЛОЙНАЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ КОМПОЗИТНАЯ НАНОСТРУКТУРА
MULTILAYER MAGNETORESISTIVE COMPOSITE NANOSTRUCTURE

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, магнитных запоминающих и логических элементах, спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом.
Известно много различных структур, обладающих магниторезистивным эффектом, на основе однородных тонкопленочных структур типа ферромагнитный слой - промежуточный слой из немагнитного металла - второй ферромагнитный слой с увеличенной коэрцитивной силой, например: С.И.Касаткин, И.Д.Киселева, В.В.Лопатин, A.M.Муравьев, Ф.Ф.Попадинец, А.В.Сватков. Магниторезистивный датчик. Патент РФ №2139602, 2000. Такие структуры обладают рядом принципиальных недостатков, что препятствует их практическому использованию, несмотря на то, что они были предложены более десяти лет назад. Основными недостатками таких структур являются малая величина магниторезистивного эффекта, низкое сопротивление реальных устройств на основе таких тонкопленочных структур и низкие рабочие температуры магниторезистивных элементов на основе таких материалов.
Известны тонкопленочные структуры типа ферромагнитный металл - туннельный контакт в виде диэлектрического материала толщиной на уровне нанометра - второй ферромагнитный металл с увеличенной коэрцитивной силой за счет обменного взаимодействия с дополнительным нижележащим слоем из антиферромагнитного материала, создающего эффект обменного смещения (S.I.Kasatkin, A.M.Muravjev, P.I.Nikitin, F.A.Pudonin, A.Y.Toporov, M.V.Valeiko. Sandwitched thin-film structures for magnetoresistive spin-tunneling sensors. Sensor and Actuators A. Physical 2000, v.81, (1-3), p.57-59). Устройства на основе таких тонкопленочных структур отличаются существенно большими значениями магниторезистивного эффекта, высокими значениями сопротивления, связанными с туннелированием электронов через потенциальный барьер, и большим быстродействием. Однако такие тонкопленочные структуры имеют существенные технологические ограничения, связанные с чрезвычайно малой толщиной диэлектрического слоя на уровне одного нанометра, что приводит в реальном технологическом процессе изготовления такой структуры к возникновению омических закороток между двумя рабочими ферромагнитными слоями и малому выходу годных приборов. На данном этапе развития технологии эта проблема является трудноразрешимой.
Известно также техническое решение в виде многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры (Касаткин С.И., Муравьев A.M., Пудонин Ф.А. Многослойная тонкопленочная магниторезистивная структура. Патент РФ №2334306), в которой разделительный слой между магнитомягкой и магнитотвердой пленками выполнен из карбида кремния. Недостатками данной наноструктуры являются возможность появления омических закороток между магнитомягким и магнитотвердым слоями и сильная деполяризация спиновых состояний электронов при прохождении через аморфный слой разделительного материала, что неизбежно приводит к значительному снижению величины магниторезистивного эффекта.
Наиболее близкой к заявляемой наноструктуре является наноструктура, содержащая два типа ферромагнитных нанокластеров, характеризующихся различными значениями коэрцитивной силы, и разделенных туннельными барьерами из диэлектрического материала (Пудонин Ф.А., Болтаев А.П., Касаткин С.И. Многослойная нанорезистивная структура. Патент РФ №2318255 С1, 2006).
Эффект обменного смещения, необходимый для поддержания двух различных состояний намагниченности системы из магнитомягких и магнитотвердых нанокластеров намагниченности двух магнитных подсистем направлены параллельно или антипараллельно - достигается за счет формирования чрезвычайно тонких и трудно контролируемых по толщине слоев антиферромагнитных окислов на поверхности магнитомягких и магнитотвердых островков. В результате эффект обменного смещения имеет недостаточное значение для надежного функционирования магниторезистивных элементов, кроме того, эффект обменного смещения в известных структурах такого типа обычно исчезает при температуре около 20°С, что недостаточно для устройств, предназначенных для работы в стандартном температурном интервале от 0 до 50°С.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магниторезистивной наноструктуры, технология производства которой гарантирует требуемые параметры: гигантский магниторезистивный эффект в материале при работоспособности в условиях повышенной температуры (до 50°С), а также обеспечение высокой воспроизводимости параметров наноструктур в условиях серийного производства.
Указанный технический результат достигается тем, что многослойная магниторезистивная композитная наноструктура содержит несколько наборов чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров, изолированных сверху и снизу сплошным диэлектрическим слоем из антиферромагнитного материала, каждый набор содержит последовательно антиферромагнитный слой, слой магнитомягких нанокластеров, антиферромагнитный слой, слой магнитожестких нанокластеров, антиферромагнитный слой.
При этом количество указанных наборов слоев равно от двух до пяти, причем размер нанокластеров по длине и ширине составляет от 5 до 50 нм, а по толщине от 1,2 до 2,5 нм. Магнитомягкие нанокластеры изготовлены, например, из сплава никеля и железа (NiFe), магнитожесткие нанокластеры, например, из сплава кобальта и никеля (CoNi), a антиферромагнитный слой изготовлен из окиси никеля (NiO).
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Предложенная магниторезистивная наноструктура содержит два типа наноразмерных кластеров из двух ферромагнитных материалов, один из которых является магнитомягким, а другой - магнитотвердым, в матрице из антиферромагнитного материала.
При толщине слоя ферромагнитного металла 1,2-2,5 нм пленка не является сплошной, а представляет собой слой нанокластеров, если осаждение пленки производится на нижележащий слой из диэлектрического антиферромагнитного материала. Причем нанокластеры имеют в плоскости наноструктуры размер по длине и ширине от 5 до 50 нм. Наличие двух типов магнитных нанокластеров с различной коэрцитивной силой (магнитомягких и магнитотвердых нанокластеров) обеспечивает существование гигантского магниторезистивного эффекта, а антиферромагнитный материал обеспечивает формирование туннельных контактов между смежными ферромагнитными нанокластерами.
Технология производства данной конструкции многослойной магниторезистивной наноструктуры гарантирует требуемые параметры (технические характеристики) магниторезистивного материала и обеспечивает высокую воспроизводимость в условиях серийного производства.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен элемент конструкции магниторезистивной композитной наноструктуры в разрезе, содержащий один набор чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров. На фиг.2 представлена магниторезистивная композитная наноструктура в разрезе, содержащая четыре набора чередующихся слоев магнитомягких и магнитожестких нанокластеров.
Согласно чертежам, многослойная магниторезистивная композитная наноструктура содержит последовательно нанесенные на подложку (1) нижний электрод (2), слои из антиферромагнитного материала (3), нанокластеры из ферромагнитного магнитожесткого металла (4), нанокластеры из ферромагнитного магнитомягкого металла (5), слои из антиферромагнитного материала (3), верхний электрод (6).
Функционирование наноструктуры с гигантским туннельным магниторезистивным эффектом происходит следующим образом.
Рассмотрим для примера наноструктуру, содержащую одну пару чередующихся слоев: антиферромагнитный слой из окиси никеля (NiO) толщиной 2 нм - слой нанокластеров из магнитомягкого материала, например сплава никеля и железа (FeNi) с эффективной толщиной порядка 2 нм, антиферромагнитный слой из окиси никеля (NiO) толщиной 2 нм - слой нанокластеров из магнитожесткого материала, например сплава кобальта и никеля (CoNi) с эффективной толщиной 2 нм. Исследования модельных образцов с нанокластерами из материалов FeNi и CoNi на подслое окиси никеля методом сканирующей туннельной микроскопии показали, что нанокластеры имеют характерные размеры от 5 до 12 нм в плоскости слоя и толщину на уровне 2 нм. Через многослойную магниторезистивную композитную наноструктуру пропускают сенсорный ток, величина которого зависит от взаимной ориентации намагниченностей магнитомягких и магнитожестких кластеров.
Возможно создание магнитной наноструктуры, состоящей из чередующихся пар: слой диэлектрического антиферромагнитного материала толщиной от 1 до 3 нм и слой нанокластеров из магнитомягкого ферромагнитного металла с эффективной толщиной 1,2-2,5 нм; слой антиферромагнитного материала толщиной 1-3 нм и слой нанокластеров из магнитотвердого ферромагнитного материала с эффективной толщиной 1,2-2,5 нм.
Общее количество наборов слоев в наноструктуре может изменяться в интервале от 2 до 5 в зависимости от толщины индивидуальных слоев и требуемых параметров материала.
Использование указанного типа наноструктур позволяет устранить главную проблему стандартных тонкопленочных магниторезистивных композитных структур, в которых используются сплошные пленки ферромагнитных металлов и диэлектриков, так как в предлагаемом нами варианте наличие омических закороток между отдельными нанокластерами не приводит к катастрофическому отказу магниторезистивного элемента, а лишь незначительно снижает результирующее сопротивление, при этом перенос носителей заряда происходит в результате квантового туннелирования электронов сквозь барьерный слой антиферромагнитного диэлектрика, в результате не происходит снижения величины туннельного магниторезистивного эффекта.