MgO插层对FeN基复合膜的磁各向异性的影响.DOC

1、MgO 插层对 FeN 基复合膜的磁各向异性的影响 梅雪珍 （ 北京矿冶科技集团有限公司 ，北京 100160） 摘要 ：在 FeN 薄膜中不同位置引入较薄的 MgO 插层， 研究 其对 FeN 合金的磁各向异性能和界面电子结构的影响 。 结果表明 ，在 FeN 薄膜的上界面处插入 MgO 可以形成 Fe-O 轨道杂化，使得磁各向异性能（ Keff）显著增加，有利于体系向垂直磁各向异性转变；但是，在 FeN 薄膜的下界面处 插入 MgO 会破坏 Cr/MgO 间的晶格外延，使得 Keff值下降，不利于实现垂直磁各向异性。 关键词 ： FeN 合金 ； 薄膜材料 ； 磁各向异性能 ； 界 面调控

2、 中图分类号： TB34 文献标志码： A 文章编号： 1007-7545（ 2018） 10-0000-00 Influence of MgO Layer on Magnetic Anisotropy of FeN-based Composite Films MEI Xue-zhen （ BGRIMM Technology Group, Beijing 100160, China） Abstract： Effect of inserting MgO layers on magnetic anisotropy energy and interfacial electronic structur

3、e of FeN alloy films was investigated. The results show that by depositing MgO layer above FeN layer, an effective Fe-O orbital hybridization is introduced at FeN/MgO interface, which favors to enhance magnetic anisotropy energy (Keff) and promote perpendicular magnetic anisotropy. However, with dep

4、osition of MgO layer below FeN layer, the epitaxial growth between Cr and FeN lattice is destructed, resulting in an obvious Keff decrement and magnetic anisotropy destruction. Key words： FeN alloy; film materials; magnetic anisotropy; interfacial tunability 具有垂直磁各向异性的铁磁薄膜材料在磁光存储、磁随机存储器以及赛道存储器中应用前景

5、广泛 1-3。与传统的面内磁各向异性器件相比，垂直磁各向异性器件在很多方面都具有更明显的优势。如，在自旋转移矩驱动的磁性隧道结中，垂直磁各向异性材料体系所需要的翻转临界电流密度比面内磁各向异性材料低得多 4-5；另外，垂直磁各向异性薄膜的畴壁移动速度 也比面内磁各向异性薄膜快一个数量级以上 6；此外， 垂直磁各向异性器件的热稳定性因子较高 ，可以保证器件较高的热稳定性。因此，如何调控铁磁薄膜材料的磁各向异性是一个重要的研究课题。 FeN 合金材料是一种具有高饱和磁化强度和高磁各向异性能的磁性材料，近年来，人们尝试了多种方法来调控 FeN 材料的磁各向异性，如改变磁性层的厚度 2,7-9、适当的

6、退火处理 10-11、电场调控 4等。然而，上述方法对磁各向异性的调控幅度有限，还不能获得未来器件需要的磁各向异性，有待进一步开展工作。而第一性原理计算表明：铁磁 /氧 化物界面存在着较大的垂直磁各向异性能，主要来源于界面处铁磁原子的 3d 轨道和氧原子的 2p轨道之间的杂化 5。但是，对于 FeN合金而言，氧化物对其磁各向异性的调控行为还未见报道。因此，本文通过在 FeN 薄膜的上面或下面引入较薄的 MgO 插层，研究了氧化物对 FeN 合金的磁各向异性能的影响行为。并且，还利用一系列微结构表征手段，研究了氧化物对 FeN 合金的电子结构的调控作用 。 1 试验 方法 本文利用磁控溅射制备了

7、以下 4 种样品结构的多层膜 （单位为 nm）： 样品 1： MgO 基底 /Fe(10)/Cr(5)/FeN(10)/Cr(4)， 参照样品（无 MgO 插层） ； 样品 2： MgO 基底 /Fe(10)/Cr(5)/FeN(10)/MgO(2)/Cr(4)， 上界面有 MgO 插层 ； 样品 3： MgO 基底 /Fe(10)/Cr(5)/MgO(2)/FeN(10)/Cr(4)， 下界面有 MgO 插层 ； 样品 4： MgO 基底 /Fe(10)/Cr(5)/MgO(2)/FeN(10)/MgO(2)/Cr(4)， 上、下界面均插入 MgO。 溅射前的真空度优于 410-5 Pa，工

8、作气体 氩 气的气压为 0.5 Pa。在 200 条件下沉积 10 nm Fe 种子层，溅射速率 0.044 nm/s。其他各层，如 5 nm 的 Cr 缓冲层、 10 nm 的 FeN 层以及 4 nm 的 Cr 保护层都是在室温下沉积，溅射速率分别为 0.035、 0.044 和 0.042 nm/s。利用综合物性测量系统（ PPMS）测量样品的磁滞回线，外加磁场平行或垂直于膜面方向，最大磁场强度 2 400 kA/m。采用 XRD、 D/max-TTR 分析薄膜的晶体结构变化。采用 X 射线光电子能谱（ XPS）探测 FeN/MgO 界面处的元素化学状态变化， X 射线源选择 Al K

9、靶，能量为14.5 kV，能量分析器的通过能量为 30 eV。 收 稿日期 ： 2018-07-11 作者 简介 ：梅雪珍 （ 1981-） ，女，江苏人，硕士，高级工程师 . doi： 10.3969/j.issn.1007-7545.2018.10.017 2 试验 结果与讨论 图 1 是在不同位置处插入 MgO 层的 4 种结构样品的磁滞回线，磁场垂直或平行膜面。可以看出，这 4 个样品，磁场平行膜面的磁滞回线（ In-plane）很容易达到磁化饱和状态，而磁场垂直膜面的磁滞回线（ Out-of-plane）需要很大的磁场才能达到饱和状态，表明薄膜的易磁化轴均平行于膜面， 而难磁化轴垂直

10、于膜面 ，即 4 个样品均呈现出面内磁各向异性。但是，这 4 个样品的垂直膜面曲线达到饱和所需要的磁场（饱和场Hk）有很大区别：样品 2（上界面插入 MgO）的 Hk 比样品 1（无 MgO）稍微有所下降，样品 3（下界面插入MgO）的 Hk 则比样品 1 和样品 2 的大很多，而样品 4（上、下界面均插入 MgO）的 Hk 则比样品 1 的稍微有所上升，介于样品 2 和样品 3 之间。说明在 FeN 层上界面处插 入 MgO 有利于促进由面内磁各向异性向垂直磁各向异性的转变。 -2 0 0 0 -1 0 0 0 0 1000 2000-101I n - p l an eI n - p l a

11、n eI n - p l an eM/ MSM/ MS(a)-2 0 0 0 -1 0 0 0 0 1000 2000-101(b)I n - p l an e-2 0 0 0 -1 0 0 0 0 1000 2000-101M/ MS(c)-2 0 0 0 -1 0 0 0 0 1000 2000-101O u t - o f - p l an eO u t - o f - p l an eO u t - o f - p l an eH/ ( kA m-1)H/ ( kA m-1) H/ ( kA m-1)H/ ( kA m-1)M/ MS(d)O u t - o f - p l an e（

12、 a）样品 1；（ b）样品 2；（ c）样品 3；（ d）样品 4 图 1 4 种不同结构的样品的磁滞回线，磁场垂直或平行膜面 Fig.1 In-plane and out-of-plane hysteresis loops of four samples 通过 测量样品的面内和面外磁滞回线，可以 计算出薄膜的有效磁各向异性能（ Keff）。 Keff定义为沿面内和垂直膜面方向磁化时的能量差，即沿两个方向的起始磁化曲线与纵轴所包围的面积差。当 Keff 大于零时，薄膜具有垂直磁各向异性，反之具有面内磁各向异性。 4 种样品的 Keff 都为负值，表明多层膜均呈现面内磁各向异性。无 MgO 插

13、层的样品（样品 1），其 Keff值为 -1.94106 J/m3。当在 FeN 上界面插入 MgO（样 品 2），薄膜的Keff值为 -1.82106 J/m3，比样品 1 显著增加；而在 FeN 上、下界面均插入 MgO（样品 4）时，薄膜的 Keff值为-1.85106 J/m3，也比没有 MgO 插层（样品 1）有所增加。但是，在 FeN 下界面插入 MgO（样品 3）时，薄膜的 Keff值为 -2.03106 J/m3，比没有 MgO 插层（样品 1）小很多，以上结果说明：在 FeN 上界面插入 MgO 使得FeN 薄膜的磁各向异性明显增强，有利于实现垂直磁各向异性；而在 FeN 下

14、界面插入 MgO 会降低磁各向异性能，不利于实现垂直磁各向异性。 为了进 一步研究界面效应对 FeN 层磁各向异性的影响，我们利用 XRD 对多层膜的晶体结构进行了研究，如图 2 所示。对于未插入 MgO 的样品 1， XRD 图中在 58.5附近出现了明显的 Fe8N（ 002）特征峰；当在 FeN层上界面处插入 MgO 层之后（即样品 2），在 58.5附近仍然出现了明显的 Fe8N（ 002）特征峰，这说明：在上界面插入 MgO 层并没有破坏 Fe/Cr/FeN 三层膜的外延关系，因而形成了良好的 Fe8N 相。但是，当在 FeN 层下界面处或上下界面均插入 MgO 层之后（即样品 3

15、和样品 4）， 58.5附近的 Fe8N（ 002）特 征峰消失，说明：在 FeN 下界面处插入 MgO 会破坏 Fe/Cr/FeN 三层膜的外延关系，导致无法形成良好的 Fe8N 合金相。 20 30 40 50 60 70M gO ( 002)S a m p le 12 / ( )S a m p le 2S a m p le 3Fe ( 002)Fe8N ( 002)S a m p le 4图 2 不同位置插入 MgO 的 FeN 薄膜样品的 XRD 谱 Fig.2 XRD patterns of four samples with inserting MgO layer at diffe

16、rent position 为了进一步探究 MgO 层对 FeN 层的电子结构的影响，我们对样品 2 和样品 3 进行了 XPS 测量，为了能够有效探测到样品 2 的 FeN/MgO 界面和样品 3 的 MgO/FeN 界面处的信息，需要对样品 2 和样品 3 进行 Ar +刻蚀以去掉 Cr 保护层，时间分别为 90 s 和 220 s。从图 3a 可以看出，样品 3 的 Fe 2p XPS 谱与单质态 Fe 的 XPS 谱形状基本吻合，其 Fe 2p3/2峰位（ 706.67 eV）也与标准峰位 706.75 eV接近，说明在 FeN 下界面处插入 MgO 层，FeN 层中的 Fe 是以单质

17、形式存在的，没有形成 FeO 化合物，即 FeN/MgO 界面处没有 Fe-O 轨道杂化。原因是在制备 Cr/MgO/FeN/Cr 薄膜时，沉积顺序为：先沉积 MgO层后沉积 FeN，因此， Mg原子和 O原子结合成 MgO化合物，而后沉积的 Fe 原子比 Mg 原子具有更低的还原性，所以无法通过界面化学反应与 Mg-O 中的 O 原子结合，所以 Cr/MgO/FeN/Cr（样品 3）中 FeN 层和 MgO 层界面的 Fe 是以单质存在的。 图 3 样品 3（ a） 和样品 2（ b） 的 Fe 2p XPS 谱 Fig.3 Fe 2p XPS spectra of sample No.3

18、(a) and sample No.2 (b) 但是，在样品 2 探测到的 Fe 2p XPS 谱（图 3b）中，在 709.58 eV 处出现了氧 化态的 Fe XPS 峰，说明改变沉积顺序之后，样品 FeN 层和 MgO 层界面处的 Fe 元素与氧原子成键，形成了铁氧化合物。也就是说，FeN/MgO 界面处的 Fe 原子大部分和 MgO 中的 O 原子结合，形成 Fe-O 轨道杂化。其原因是：先沉积 FeN，之后再沉积 MgO， Ar 离子轰击 MgO 靶材的过程中会产生大量游离的 Mg 原子和 O 原子，而游离的 O 原子就会和 FeN层中的 Fe原子结合，形成 Fe-O键或 Fe-N-

19、O键，所以 FeN/MgO界面处的 Fe元素以氧化物的形态存在。 根据第一性原理计算 1，铁磁 /氧化物界面的界面磁各向异性与界面处 轨道杂化有关。由于样品 2 在FeN/MgO 界面处引入了 Fe-O 轨道杂化，通过 O 的 2p 轨道与 Fe 的 3d 轨道杂化，垂直磁化时 Fe 的 3d 轨道的劈裂程度比面内磁化时的劈裂程度更大，也就是垂直磁化时具有更低的能量，从而使 Fe/MgO 界面具有较大的界面垂直磁各向异性能，因而 Keff值显著增加，有利于向垂直磁各向异性转变。但是，对于样品 3 而言，由于FeN 和 MgO 的沉积顺序改变，导致 MgO/FeN 界面处并没有出现 Fe-O 轨

20、道杂化，因而界面垂直磁各向异性能变化不大。然而， Cr 缓冲层和 FeN 的晶格错配度只有 1%，所以在 Cr 层上直 接生长 FeN 层具有良好的外延关系 ；而 MgO 插层的引入破坏了 Cr/MgO 间的晶格外延，使得界面磁各向异性降低， Keff值下降，不利于实现垂直磁各向异性。 3 结 论 1)在 FeN 薄膜的上界面处插入 MgO，可以形成 Fe-O 轨道杂化，使得 Keff值显著增加，有利于向垂直磁各向异性转变 。 2)在 FeN 薄膜的下界面处插入 MgO，会破坏 Cr/MgO 间的晶格外延，使得 Keff值下降，不利于实现垂直磁各向异性。 3)通过上述界面工程，可以有效调节轨道

21、杂化或晶体生长，从而对磁各向异性进行有效调控。 参考文献 1 DIENY B， CHSHIEV M. Perpendicular magnetic anisotropy at transition metal/oxide interfaces and applicationsJ. Reviews of Modern Physics， 2017， 89(2)： 025008. 2 IKEDA S， MIURA K， YAMAMOTO H， et al. A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junctionJ. Nature M

22、aterials， 2010， 9(9)： 721-724. 3 YU G， UPADHYAYA P， SHAO Q， et al. Room-temperature skyrmion shift device for memory applicationJ. Nano Letters， 2017， 17(1)： 261-268. 4 LIU L， PAI C F， LI Y， et al. Spin-Torque switching with the giant spin hall effect of TantalumJ. Science，2012， 336(6081)： 555-558.

23、5 KHVALKOVSKIY A V， APALKOV D， WATTS S， et al. Basic principles of STT-MRAM cell operation in memory arraysJ. Journal of Physics D： Applied Physics， 2013， 46（ 7） ： 074001. 6 SCHELLEKENS A J， VAN DEN BRINK A， FRANKEN J H， et al. Electric-field control of domain wall motion in perpendicularly magnetiz

24、ed materialsJ. Nature Communications， 2012， 3(3)： 847. 7 WANG J， JI N， LIU X， et al. Fabrication of Fe16N2 films by sputtering process and experimental investigation of origin of giant saturation magnetization in Fe16N2J. IEEE Transactions on Magnetics， 2012， 48(5)： 1710-1717. 8 JI N， LIU X， WANG J.

25、 Theory of giant saturation magnetization in - Fe16N2： role of partial localization in ferromagnetism of 3d transition metalsJ. New Journal of Physics， 2010， 12： 63032. 9 JI N， LAUTER V， ZHANG X， et al. Strain induced giant magnetism in epitaxial Fe16N2 thin filmJ. Applied Physics Letters， 2013， 102

26、(7)： 72411. 10 YANG M， ALLARD L F， JI N， et al. The effect of strain induced by Ag underlayer on saturation magnetization of partially ordered Fe16N2 thin filmsJ. Applied Physics Letters， 2013， 103(24)： 242412. 11 JIANG Y， DABADE V， BRADY M P， et al. 9 T high magnetic field annealing effects on FeN bulk sampleJ. Journal of Applied Physics， 2014， 115(17)： 17A758.