Способ получения гигантского микроволнового магниторезистивного эффекта в сверхрешетке (CoFe)/Cu
METHOD FOR PRODUCING A GIANT MICROWAVE MAGNETORESISTIVE EFFECT IN A (CoFe)/Cu SUPERLATTICE

Изобретение относится к способу получения магнетосопротивления электронных систем считывания информации, а также сенсорных систем. На основе предложенного способа может быть разработана новая технология изготовления высокочувствительных магниторезистивных головок, считывающих информацию с твердотельных накопителей (жестких дисков) HDD, где информация записана в виде намагниченности носителя на пластинах, которые вращаются внутри этого жесткого диска, а также сенсоров на спиновых клапанах.
В современных системах считывания информации в качестве материала считывающих головок широко используются сверхрешетки, обладающие гигантским магнетосопротивлением [А. Ферт. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. УФН. 178 (2008) 1336-1348.]. Гигантский магниторезистивный эффект широко применяется в новом направлении науки и техники - спиновой электронике, в основе понятийного аппарата которой лежит концепция спинового транспорта, спиновой инжекции, спиновых поляризаторов и анализаторов [С. Chappert, A. Fert, F. Van Dau. The emergence of spin electronics in data storage. Nature Materials. 6 (2007) 813-823.].
Технология изготовления считывающих головок, сенсоров спиновых клапанов на основе магниторезистивных сверхрешеток позволяет разрабатывать системы, обладающие высокой скоростью и плотностью производимых операций [А. Ферт. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники. УФН. 178 (2008) 1336-1348.]. По-прежнему остается актуальной проблема увеличения производительности, эффективности и безопасности систем считывания информации, а также сенсорных систем, поскольку в современном мире количество хранимой, передаваемой и обрабатываемой информации непрерывно растет. Цифровые технологии охватывают и проникают во все возможные области жизни человека. Возрастают требования к надежности, эффективности, доступности цифровых ресурсов, что обуславливает необходимость разработки новых высокоэффективных, надежных и высокопроизводительных систем. Кроме того, общие тенденции рынка ведут к потребности появления устройств со все большей плотностью записи информации. Так, последние десять лет плотность записи в коммерческих устройствах растет со скоростью от 50 до 100% в год [http://www.hitachigst.com/hdd/research/]. Поддержание столь активной тенденции к миниатюризации требует использования самых высоких инновационных технологий в области создания магнитных сред для считывания информации, системной электроники.
Микроволновой гигантский магниторезистивный эффект (μGΜR) в отражении был обнаружен в работе [Z. Frait,  K. Temst, Y. Bruynseraede, and I. Vavra. Microwave and d.c. differential giant magnetoresistance study of iron/chromium superlattices. Solid State Commun. 112 (1999) 569-573.] и подробно изучен в последующих работах [V.V. Ustinov, A. В. Rinkevich, L.N. Romashev, and E.A. Kuznetsov. Giant magnetoresistive effect and magnetic resonance in the reflection of electromagnetic waves from Fe-Cr nanostructures. Tech. Phys. Lett. 33 (2007) 771; В.В.Устинов, А.Б. Ринкевич, Л.Н. Ромашев, E.A. Кузнецов. Гигантский магниторезистивный эффект и магнитный резонанс в отражении электромагнитных волн от наноструктур Fe-Cr. ЖТФ. 79 (2009) 71-76; D.E. Endean, J.N. Heyman, S. Maat, and E. Dan Dahlberg. Quantitative analysis of the giant magnetoresistance effect at microwave frequencies. Phys. Rev. B. 84 (2011) 212405.]. Величина μGMR в отражении значительно меньше, чем относительное магнетосопротивление [А.Б. Ринкевич, Е.А. Кузнецов, Д.В. Перов, М.А. Миляев. Гигантский магниторезистивный эффект в отражении микроволн от сверхрешеток (CoFe)/Cu ЖТФ. 91 (2021) 308-314.]. Это связано с тем, что из-за малости импеданса металлической сверхрешетки модуль коэффициента отражения от нее близок к единице. При этом максимальный коэффициент отражения не может превышать единицы, поэтому при наложении внешнего магнитного поля добиться его изменений достаточно сложно. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на технические характеристики устройств на основе металлических сверхрешеток.
Таким образом, увеличение эффекта микроволнового гигантского магнетосопротивления в отражении, является технической проблемой, на решение которой направлен данный способ.
Известен способ получения гигантского магниторезистивного эффекта в отражении микроволн [D.E. Endean, J.N. Heyman, S. Maat, and E. Dan Dahlberg. Quantitative analysis of the giant magnetoresistance effect at microwave frequencies. Phys. Rev.
CoFe
CoFe
3
4
B. 84 (2011) 212405.], в котором методом магнетронного напыления были выращены образцы спиновых вентилей 10нмTa/3нмNiFe/6нмIrMn/dнмCoFe/2,5нмCu/1нмCoFe/2нмNiFe/2нмTa, где толщина слоя d варьировалась от 1,5 до 3,5 нм. Было исследовано четырнадцать образцов. Четыре образца находились на подложках из стекла толщиной 0,97 мм, вырезанных по размерам волновода Х-диапазона. Еще десять образцов были выращены на кремниевых подложках, покрытых SiN, размеры которых несколько уже, чем поперечное сечение волновода. Образцы крепились к небольшому пластиковому блоку и помещались в волновод так, чтобы плоскость образца была перпендикулярна направлению распространения микроволн. Для образцов на стеклянной подложке вокруг краев образца после помещения в волновод была нанесена серебряная краска, чтобы создать максимальный электрический контакт со стенками волновода и минимизировать утечку микроволнового излучения вокруг пленки. Все измерения проводились при комнатной температуре. Магнетосопротивление измерялось по четырехточечной схеме [L.J. Van der Pauw. A Method of Measuring the Resistivity and Hall Coefficient on Lamellae of Arbitrary Shape. Philips Technical Review. 20 (1958/1959) 220-224.]. Микроволновые измерения проводились на частоте 10,5 ГГц с использованием прецизионного аттенюатора и фазовращателя в установке микроволнового моста. Пустой волновод использовался в качестве эталона для измерений в прохождении, а кусок меди толщиной примерно 1 мм был эталоном для измерений в отражения. Электромагнитная волна падала на металл спинового вентиля - вариант GMS (генератор-металл сверхрешетки-подложка). Измерялся модуль коэффициента отражения и его изменение во внешнем постоянном магнитном поле.
Однако предложенный способ не решает техническую проблему увеличения эффекта микроволнового гигантского магнетосопротивления в отражении, потому что относительные изменения коэффициента отражения для данного способа не превышают 1%.
Такое незначительное изменение коэффициента отражения объясняется тем, что из-за малости импеданса спинового вентиля модуль коэффициента отражения от него близок к единице. При этом максимальный коэффициент отражения не может превышать единицы, поэтому при наложении внешнего магнитного поля добиться его изменений достаточно сложно.
2
3
m
m
Известен способ получения гигантского магниторезистивного эффекта в отражении микроволн [В.В. Устинов, А.Б. Ринкевич, Л.Н. Ромашев, Е.А. Кузнецов. Отражение электромагнитных волн от наноструктур Fe/Cr. Письма в ЖТФ. 33 (2007) 23-31.], в котором методом молекулярно-лучевой эпитаксии на монокристаллических подложках из оксида магния (MgO) и сапфира (AlO) выращивается наноструктура Fe/Cr, имеющая состав MgO/Cr(8.0)/[Fe(2.9)/Cr(1.3)]4. Для начала на подложке формировался буферный слой Cr толщиной ~ 8÷10 нм, а затем поочередно выращивались слои Fe и Cr. Скорость роста слоев составляла около 0.15 нм в минуту. Цифры в круглых скобках указывают толщину слоев в нанометрах, а цифры у квадратных скобок - количество пар слоев. Образец наноструктуры помещался в стандартный прямоугольный волновод сечением 3.6×7.2 мм, полностью перекрывая поперечное сечение волновода. Электромагнитная волна сначала падала на наностуктуру, затем на подложку в варианте GMS (от генератора к металлу сверхрешетки и к подложке). При измерениях внешнее магнитное поле лежало в плоскости образца и было направлено вдоль узкой стенки волновода. Таким образом, постоянное и микроволновое магнитные поля были перпендикулярны. На частоте 32 ГГц при комнатной температуре измерялся модуль коэффициента отражения R и его изменение r(Н) во внешнем постоянном магнитном поле H: r=[|R(H)| - |R(0)|]/|R(0)|.
Однако предложенный способ не решает технической проблемы увеличения эффекта микроволнового гигантского магнетосопротивления в отражении. Относительные изменения коэффициента отражения из-за эффекта μGΜR для данного способа составляют десятые доли процента. Это, в свою очередь, связано с тем, что модуль коэффициента отражения от металлической сверхрешетки сам по себе достаточно велик. При максимальном значении коэффициента отражения равном единице достичь его значительных изменений при наложении внешнего магнитного поля в конфигурации GMS (генератор-металл сверхрешетки-подложка) невозможно.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения гигантского магниторезистивного эффекта в отражении микроволн [А.Б. Ринкевич, Е.А. Кузнецов, Д.В. Перов, М.А. Миляев. Гигантский магниторезистивный эффект в отражении микроволн от сверхрешеток (CoFe)/Cu. ЖТФ. 91 (2021) 308-314.].
0.88
0.12
n
88
12
8
88
12
Данный способ заключается в следующем. Образец сверхрешетки [(CoFe)/Cu], приготовленный методом магнетронного напыления с использованием установки MPS-4000-C6, имеет состав Ta(5.0)/PyCr(5.0)/[CoFe(1.3)/Cu(2.05)]/CoFe(1.3)/PyCr(3.0). Символом Ру обозначен пермаллой (сплав Fe-Ni). Толщина спейсера Cu выбрана таким образом, чтобы образец попадал на второй максимум зависимости величины GMR от толщины спейсера - 2.05 нм. Образец выращен на подложке из стекла Corning с толщиной 0.2 мм. [М.А. Milyaeva, L.I. Naumovaa, V.V. Ustinova. Exchange-Coupled Superlattices with Record Magnetoresistance. Physics of Metals and Metallography, 119 (2018) 1224-1228.]. Буферный слой Ta(5.0), прилегающий к подложке, обеспечивает снятие внутренних напряжений в наноструктуре, дополнительный слой PyCr(5.0) формирует в последующих слоях совершенную структуру и текстуру <111>, оптимальную для получения высокого магнетосопротивления.
88
12
88
12
Высокое магнетосопротивление реализуется в наноструктурах (CoFe)/Cu, если при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты слоев CoFe антипараллельны [J. Dubowik, F. Stobiecki, I. Go'scia'nska. Effect of GMR and Magnetization Reversal on Microwave Absorption. Czechoslovak Journal of Physics. 52 (2002) 227-230]. Магнетосопротивление измерено по четырехточечной схеме. Для образца сверхрешетки Ta(5.0)/PyCr(5.0)/[CoFe(1.3)/Cu(2.05)]8/CoFe(1.3/PyCr(3.0) значение магнетосопротивления Δρ=[ρ(Η) - ρ(0)]/ρ(0), где ρ(H) - электросопротивление образца в магнитном поле Н, в насыщении Δρ ≈ -22%.
m
m
Образец помещали в стандартный прямоугольный волновод сечением 3.6×7.2 мм таким образом, что сечение волновода полностью перекрывалось. Электромагнитная волна падала на металл сверхрешетки - вариант GMS (генератор-металл сверхрешетки-подложка). С помощью измерителя амплитудно-частотных характеристик измерялся модуль коэффициента отражения R и его изменение r(Н) в магнитном поле Н: r=[|R(H)| - |R(0)|]/|R(0)|. При измерениях внешнее магнитное поле прикладывалось в плоскости образца и было направлено вдоль узкой стенки волновода. Таким образом, постоянное и микроволновое магнитные поля были перпендикулярны. Измерения зависимости модуля коэффициента отражения от магнитного поля выполнены на нескольких частотах миллиметрового диапазона от 26 до 38 GHz при комнатной температуре.
В данном случае изменения модуля коэффициента отражения обусловлены изменением сопротивления сверхрешетки в магнитном поле. Эта причина приводит к монотонному увеличению коэффициента отражения и выражает эффект μGMR (микроволновой гигантский магниторезистивный эффект).
Относительные изменения коэффициента отражения из-за эффекта μGΜR для данного способа варьируются от 1 до 4%. Модуль коэффициента отражения от металлической сверхрешетки сам по себе достаточно велик. При максимальном значении коэффициента отражения равном единице достичь изменений больше 5% при приложении внешнего магнитного поля в конфигурации GMS (генератор-металл сверхрешетки-подложка) невозможно. Примером возникающих вследствие этого ограничений можно считать работу магниторезистивной считывающей головки. Считывающая головка на основе магниторезистивной сверхрешетки в конфигурации GMS (генератор-металл сверхрешетки-подложка) пролетает на расстоянии порядка десятков-единиц нанометров над поверхностью магнитной пленки, на которой в виде направления намагниченности в доменах, упорядоченных по размеру и расположению, записана информация. Домены противоположной полярности соответствуют битам «0» или «1». Поле от границы между противоположно намагниченными битами, над которой пролетает головка, перемагничивает сверхрешетку. В результате сопротивление элемента меняется, что фиксируется электроникой и передается на шину данных. За счет того, что сама металлическая сверхрешетка имеет достаточно большой коэффициент отражения, разница гигантского магнетосопротивления между битами «0» или «1» не более 5%. Повышение разности сопротивлений между битами «0» или «1», другими словами, увеличение микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта, позволит создать более чувствительные, высокопроизводительные и надежные системы. Таким образом предложенный способ тоже не решает проблему увеличения эффекта микроволнового гигантского магнетосопротивления в отражении.
Техническая проблема увеличения эффекта микроволнового гигантского магнетосопротивления в отражении решается достижением технического результата, заключающегося в изменении способа падения электромагнитной волны на образец и параметров подложки.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе получения микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта в отражении от сверхрешетки типа (CoFe)/Cu, включающем выращивание образца сверхрешетки на подложке из стекла Corning методом магнетронного напыления так, чтобы толщина слоя меди обеспечивала антипараллельное упорядочение спинов в соседних слоях CoFe, помещение образца в поперечное сечение прямоугольного волновода, полностью перекрывая это сечение, при этом магнитное поле прикладывают в плоскости сверхрешетки перпендикулярно направлению распространения волн, осуществление падения электромагнитных волн в диапазоне частот от 26 до 38 ГГц на образец, измерение коэффициента отражения микроволн R и его зависимости от магнитного поля с помощью панорамного измерителя амплитудно-частотных характеристик при комнатной температуре, расчет относительного изменения коэффициента отражения в магнитном поле осуществляют по формуле
m
r=[|R(H)|-|R(0)|]/|R(0)|, где
|R(H)| - модуль коэффициента отражения во внешнем постоянном магнитном поле;
|R(0)| - модуль коэффициента отражения в нулевом магнитном поле;
Н - напряженность внешнего постоянного магнитного поля,
согласно изобретению, подложка, толщина которой кратна толщине четвертьволновой пластины, обеспечивает образование стоячих волн, при этом электромагнитная волна сначала падает на диэлектрическую подложку, затем на сверхрешетку по схеме - генератор-подложка-металл сверхрешетки.
Выбор толщины подложки обеспечивает образование стоячих волн при кратности ее толщины четвертьволновой пластине. Вследствие возникновения четвертьволнового резонанса, в материале подложки происходит затухание электромагнитной волны, а, следовательно, уменьшение коэффициента отражения.
Способ падения электромагнитной волны по схеме GSM (генератор-подложка-металл сверхрешетки) позволяет обеспечить взаимодействие электромагнитной волны сначала с материалом подложки, а затем со сверхрешеткой. В этом случае при падении электромагнитной волны на образец, вследствие четвертьволнового резонанса, происходит образование стоячих волн в материале подложки, что, в свою очередь, приводит к уменьшению коэффициента отражения от сверхрешетки. Предварительное снижение коэффициента отражения за счет выбора параметров подложки и схемы падения волны в дальнейшем при приложении внешнего магнитного поля позволяет добиться значительного увеличения относительного изменения коэффициента отражения, что выражает усиление эффекта микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта. Поскольку модуль коэффициента отражения от металлической сверхрешетки сам по себе достаточно велик, при максимальном значении коэффициента отражения равном единице достичь его значительных изменений при наложении внешнего магнитного поля в обратной конфигурации GMS (генератор - металл сверхрешетки-подложка) не представляется возможным.
Изобретение поясняется графическими изображениями:
90
10
6
На Фиг. 1 показаны относительные изменения коэффициента отражения в магнитном поле для образца сверхрешетки Ta(3)/[Cu(0.9)/CoFe(1.5)]/PyCr(5)/glass с подложкой толщиной 4 мм для варианта падения волны GSM (генератор-подложка-металл сверхрешетки).
90
10
6
На Фиг. 2 показаны относительные изменения коэффициента отражения в магнитном поле для образцов сверхрешеток Ta(3)/[Cu(0.9)/CoFe(1.5)]/PyCr(5)/glass с подложками толщиной 4 и 0,5 мм для двух вариантов падения электромагнитной волны на образец GMS (генератор-металл сверхрешетки-подложка) и GSM (генератор-подложка-металл сверхрешетки), полученные на частоте 27 ГГц. Данные, полученные на Фиг. 2, позволяют сравнить изменение микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта, возникающие при различных вариантах падения электромагнитной волны на образец и различных толщинах подложки. Микроволновой гигантский магниторезистивный эффект (μGΜR) наблюдается во всех вариантах, но его величина различна. Если сравнивать относительные изменения коэффициента отражения в магнитном поле, то видно, что на частоте 27 ГГц величина изменений для образца с подложкой 4 мм больше, чем с подложкой 0.5 мм. Можно отметить также, что величина изменений для образца с одной и той же толщиной подложки для варианта GSM больше, чем для варианта GMS. В магнитном поле для образца с подложкой 4 мм при варианте падения электромагнитной волны GMS на частоте 27 ГГц максимальная величина изменений коэффициента отражения в магнитном поле составляет 44%, тогда как в варианте GMS - 2.4%.
90
10
6
90
10
Способ осуществляют следующим образом: методом магнетронного распыления на установке MPS-4000-C6 выращивают образец сверхрешетки типа (CoFe)/Cu, которая имеет состав, выражающийся формулой Ta(3)/[Cu(0.9)/CoFe(1.5)]/PyCr(5)/glass. Толщину слоя меди выбирают из условия обеспечения антипараллельного упорядочения спинов в соседних слоях CoFe. Сверхрешетку выращивают на подложке из стекла Corning толщиной 4 мм. Между подложкой и сверхрешеткой находится буферный слой из сплава пермаллой-хром, формирующий в последующих слоях совершенную структуру и текстуру <111>. Верхний слой Та(3) предохраняет наноструктуру от коррозии.
Образец помещают в поперечное сечение прямоугольного волновода таким образом, чтобы полностью перекрыть его поперечное сечение, при этом магнитное поле прикладывают в плоскости сверхрешетки перпендикулярно направлению распространения волн. Генерируют падение электромагнитных волн в диапазоне частот от 26 до 38 ГГц на образец таким образом, чтобы волна падала сначала на диэлектрическую подложку (Corning, 4 мм), затем на сверхрешетку - вариант GSM (генератор-подложка-металл сверхрешетки).
m
С помощью панорамного измерителя амплитудно-частотных характеристик на нескольких частотах миллиметрового диапазона от 26 до 38 ГГц при комнатной температуре измеряют коэффициент отражения микроволн R и его зависимость от магнитного поля. Относительные изменения коэффициента отражения в магнитном поле, характеризующие величину микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта, описываются параметром r=[|R(H)|-|R(0)|]/|R(0)|, где
|R(H)| - модуль коэффициента отражения во внешнем постоянном магнитном поле;
|R(0)| - модуль коэффициента отражения в нулевом магнитном поле;
Н - напряженность внешнего постоянного магнитного поля.
s
Заявляемый способ позволяет достигать больших изменений микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта в отражении от сверхрешетки (CoFe)/Cu на частоте ƒ=27 ГГц, где они в насыщении достигают 44% (см. Фиг. 1). Важно, что на частоте 27 ГГц выполняется условие четвертьволновой пластины, то есть толщина подложки d=3λ/4, где λ - длина волны, в результате чего в сверхрешетке образуются стоячие волны, что вызывает затухание электромагнитной волны, следовательно, уменьшение коэффициента отражения в нулевом магнитном поле. В дальнейшем, меняя (увеличивая) значение внешнего магнитного поля, удается значительно увеличить относительное изменение коэффициента отражения в магнитном поле, что выражает увеличение эффекта микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта.
Таким образом, заявляемое изобретение решает техническую проблему увеличения эффекта микроволнового гигантского магнетосопротивления в отражении за счет технического результата, заключающегося в изменении способа падения электромагнитной волны на образец и параметров подложки. Такое изменение позволяет уменьшить коэффициент отражения, чтобы в дальнейшем добиться значительного увеличения относительного изменения коэффициента отражения в магнитном поле, что выражает увеличение эффекта микроволнового гигантского магниторезистивного эффекта.