增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法技术

一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，属于高密度信息存储及传感技术领域。在经过表面酸化处理的硅Si基片上，沉积铬Cr/铁氮FeNx/氧化镁MgO/钽Ta多层膜，沉积完毕后进行热处理，促进N原子在间隙位置处的均匀占据。N原子能够改变Fe的配位环境，引起Fe/MgO界面处的电荷重新分布，有效地调节Fe的能带结构，大大增加dz

【技术实现步骤摘要】
增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法
本专利技术属于高密度信息存储及传感
，涉及上述领域中关键核心材料单元—铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的调控方法，特别是提供了一种利用氮原子掺杂增加铁磁金属/氧化物双层膜的垂直磁各向异性的方法。
技术介绍
近年来，信息存储和传感领域中的一个研究热点是：制备具有垂直磁各向异性(PMA)的铁磁金属(FM)/氧化物(MO)异质结构，如CoFeB/MgO、Co/AlOx、Fe/MgO等，它是构建新型、低功耗、高稳定性自旋电子器件的核心材料单元，如磁随机存储器、赛道存储器、隧道结传感器等。而FM/MO双层膜的PMA主要来源于其界面处的FM3d-O2p轨道杂化[Rev.Mod.Phys.89,025008(2017)；Phys.Rev.B84,054401(2011)]。通过有效的界面轨道杂化，可以获得较大的界面磁各向异性能，克服退磁能以诱导出良好的PMA。然而，通常情况下，直接制备出来的FM/MO双层膜中，铁磁金属通常处于过氧化的状态，很难获得最佳的轨道杂化状态，因此无法实现良好的PMA，这就大大限制了相关器件的应用。因此，国际上开展了很多通过调控界面轨道杂化来获得或优化PMA性能的研究工作，主要集中在利用电场驱动FM/MO界面氧离子输运，以改变FM材料的氧化状态，从而可逆地调控其界面PMA[NatureMater.14,174(2015)；Science339,1402(2013)]。然而，这种方法需要复杂的光刻工艺以及较厚的氧化物(通常需要达到几十纳米以上)。另外，利用退火处理产生温度场，也可以改变FM/MO界面处的氧化状态，从而调控其PMA。然而，热处理会造成其他层原子的相互扩散，影响PMA性能。而这些方法都需要外场来调节，因此，对外场的依赖性极大，还会带来一定的副作用，会限制其应用。所以，如何在不需要外场的前提下，有效、简单地调控FM/MO双层膜界面轨道杂化，是制备垂直自旋电子材料及器件的关键问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种利用氮原子掺杂增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，进而改善薄膜材料的垂直磁各向异性的方法。一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征为：在经过表面酸化处理的Si基片上沉积Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，促进N原子在间隙位置处的均匀占据。如上所述的增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，具体步骤为：(1)、对Si基片进行表面酸化处理，所述的Si基片厚度为0.5～0.8毫米，酸化处理的PH值为6-7，酸化时间为3-5分钟；(2)、利用磁控溅射方法，在步骤(1)所述Si基片上依次沉积Cr原子、FeNx原子、MgO原子以及Ta原子，形成Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜结构，上述沉积的溅射室的本底真空度2×10-5～5×10-5Pa，溅射Cr、MgO、Ta层时，只通入氩气，使溅射室的气压为0.3～0.8Pa，溅射FeNx层时，采用通入氩/氮混合气体进行反应溅射，氩气与氮气的气压比为6:1～2:1，x表示对应的N原子含量0.1～0.4；沉积得到的Cr层的厚度为FeNx层的厚度为MgO层的厚度为Ta层的厚度为(3)、在真空环境下，对步骤(2)中得到的复合体系进行热处理。进一步地，步骤(2)中溅射FeNx层时，溅射室中氩/氮混合气体的总气压可以选择为0.3Pa-0.6Pa，优选0.4Pa。进一步地，步骤(3)所述真空环境的真空度为1×10-5～5×10-5Pa，热处理的温度为100～300℃，保温时间为20～40分钟；最后，冷却到室温。本专利技术的原理在于：对Si基片进行表面酸化处理，可以大大减少表面的氧化层、降低表面粗糙程度，为Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜在Si基片上的生长提供了很好的表面质量。在上述处理完毕的Si基片上沉积Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，N原子以间隙方式填充在Fe八面体中，再利用100～300℃热处理过程让N原子更加均匀地占据在间隙位置上。而间隙位置上的N原子能够改变Fe的配位环境，引起Fe/MgO界面处的电荷重新分布，有效地调节Fe的能带结构，尤其是减小dx2-y2轨道和dz2轨道之间的能量差，从而大大增加Fe的dz2轨道上的电子占据，进而有效地调节Fe3dz2–O2pz轨道杂化状态，使得薄膜的界面磁各向异性能显著增加。本专利技术的有益效果在于：以往工作都是通过施加外场，如电场、温度场、应力场等，来调节Fe-O的轨道杂化和界面磁各向异性能，对外场的依赖性极大，且工艺复杂，还会带来一定的副作用。此专利技术只需要在制备Fe薄膜的过程中，通入氮气，就能够直接调节Fe-O的轨道杂化强度，并实现对界面磁各向异性能的有效增加，无需施加外场。因此具有制备简单、控制方便的特点；而且，此方法不需要高成本的稀有金属或昂贵的附加装置，因此具有效率高、成本低等优点，适合应用于未来自旋电子学技术中。附图说明图1为经过表面酸化处理、热处理后的Si基片多层膜的磁滞回线，其中，基片厚度为0.5毫米；表面酸化处理的PH值为6，酸化时间为3分钟；制备FeN层时，其氩/氮气压比为6:1，N原子含量x为0.1；真空热处理过程为：100℃/20分钟，真空度为1×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.3Pa；图2为经过表面酸化处理、热处理后的Si基片多层膜的磁滞回线，其中，基片厚度为0.6毫米；表面酸化处理的PH值为6.5，酸化时间为4分钟；制备FeN层时，其氩/氮气压比为4:1，N原子含量x为0.25；真空热处理过程为：200℃/30分钟，真空度为4×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度3×10-5Pa，溅射时氩气压为0.5Pa；图3为经过表面酸化处理、热处理后的Si基片多层膜的磁滞回线，其中，基片厚度为0.8毫米；表面酸化处理的PH值为7，酸化时间为5分钟；制备FeN层时，其氩/氮气压比为3:1，N原子含量x为0.4；真空热处理过程为：300℃/30分钟，真空度为5×10-5Pa；薄膜沉积过程中的仪器本底真空度5×10-5Pa，溅射时氩气压为0.8Pa；图4为典型Si基片样品的界面磁各向异性能(Ki)随N掺杂量(x)的变化关系图。其样品制备过程与上面图2中的样品相同，氩/氮气压比从6:1变到2:1，对应的N原子含量x从0.1变到0.4。具体实施方式图1中样品的制备条件为：首先，对Si基片进行表面酸化处理，其中，基片厚度为0.5毫米；表面酸化处理PH值为6，酸化时间3分钟。然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Cr原子(厚度为)、FeNx原子(厚度为)、MgO原子(厚度为)以及Ta原子(厚度为)，从而制备Si基片多层膜，溅射沉积前的本底真空度为2×10-5Pa，溅射时氩气压为0.3Pa。制备FeN层时，其氩/氮气压比为6:1，N原子含量x为0.1。沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为1×10-5Pa，100℃/20分钟，以促进N原子在间隙位置处的均匀占据。然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图1中的面内曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征为：在经过表面酸化处理的Si基片上沉积Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，促进N原子在间隙位置处的均匀占据。

【技术特征摘要】
1.一种增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征为：在经过表面酸化处理的Si基片上沉积Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜，沉积完毕后，对其进行热处理，促进N原子在间隙位置处的均匀占据。2.根据权利要求1所述的增加铁磁金属/氧化物双层膜的界面磁各向异性能的方法，其特征在于：具体步骤为：(1)、对Si基片进行表面酸化处理，所述的Si基片厚度为0.5～0.8毫米，酸化处理的PH值为6-7，酸化时间为3-5分钟；(2)、利用磁控溅射方法，在步骤(1)所述Si基片上依次沉积Cr原子、FeNx原子、MgO原子以及Ta原子，形成Cr/FeNx/MgO/Ta多层膜结构，溅射室的本底真...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯春，姚明可，王世如，唐晓磊，于广华，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11