Loodrechte magnetische anisotropie en door hydrogenering geïnduceerde magnetische verandering van Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO/Pd meerlagen

Resultaten en discussie

Om het effect van de MgO-laagdikte op PMA te begrijpen, toont Fig. 1 magnetische hysteresislussen gemeten langs de in-plane en out-of-plane richtingen voor Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (t _MgO )/Pd-films gegloeid bij 300 °C met verschillende diktes t _MgO . Alle monsters kunnen gemakkelijk worden gemagnetiseerd langs de richting buiten het vlak, en er zijn grote verzadigingsvelden nodig langs de richting in het vlak, die PMA-gedrag vertonen. De sterkte van PMA neemt eerst toe met toenemende t _MgO en bereikt de maximale waarde met de haaksheid (M_r /M_s ) dicht bij 1 wanneer t _MgO = 1.3 nm terwijl het duidelijk afneemt met verder toenemende t _MgO .

In-plane en out-of-plane M-H-lussen van Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (t _MgO )/Pd gegloeid bij 300 °C. een t _MgO = 0,9 nm. b t _MgO = 1.1 nm. c t _MgO = 1.3 nm. d t _MgO = 1,5 nm

Om de invloed van de gloeitemperatuur op PMA te verduidelijken, toont Fig. 2 de MH-lussen van de Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-films gegloeid bij verschillende temperaturen (250-450 °C) . Het als afgezette monster vertoont een magnetische anisotropie in het vlak (IMA) zoals te zien is in figuur 2a. Magnetische anisotropie veranderde niet na uitgloeien bij een lage temperatuur van 250 ° C (figuur 2b). De gemakkelijke magnetisatie-as van het monster, gegloeid bij 300 ° C, verschoof naar de richting buiten het vlak, met sterke PMA (figuur 2c). De PMA kan worden gehandhaafd na T _een steeg tot 350 °C, maar de haaksheid nam af. Met verdere verhoging van de T _een , de PMA werd vernietigd en de gemakkelijke magnetisatie-as verschoof terug naar de oriëntatie in het vlak (figuur 2e, f). De resultaten geven aan dat het sterke PMA alleen kan worden bereikt bij de juiste gloeitemperatuur en gemakkelijk verslechtert bij een hogere gloeitemperatuur. Dit komt omdat een hoge uitgloeitemperatuur aanleiding zou kunnen geven tot de geïntensiveerde interdiffusie van de atomen aan het grensvlak en de orbitale hybridisatie van het elektron zou kunnen verslechteren, wat consistent is met onze eerdere rapporten [9, 12, 17, 18].

In-plane en out-of-plane MH-lussen van de Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-films gegloeid bij verschillende temperaturen. een Zoals gedeponeerd. b 250 °C. c 300 °C. d 350 °C. e 400 °C. v 450 °C

Om het grensvlakeffect op de PMA in de Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd-films te verduidelijken, werden de M-H-lussen van verschillende filmstapels gegeven in Fig. 3a-c. Zoals weergegeven in figuur 3a, vertoont de film zonder MgO-laag een sterk IMA-gedrag. Maar voor de film zonder de onderste Pd-laag vertoont de gemakkelijke magnetisatie-as van het Ta / CFMS / MgO / Pd-monster een lichte verschuiving vanuit de richting in het vlak, wat de zwakke IMA laat zien (figuur 3b). Het sterke PMA wordt in de film waargenomen na het inbrengen van de Pd- en MgO-lagen (dwz Ta/Pd/CFMS/MgO/Ta) zoals te zien is in figuur 3c, wat impliceert dat zowel de Pd/CFMS- als de CFMS/MgO-interface essentieel zijn voor het realiseren van PMA en de bijdrage van de CFMS/MgO-interface aan de PMA speelt een grote rol [12, 17]. Dat wil zeggen, een geschikte hoeveelheid Co-O-bindingen aan de CFMS/MgO-interface is nuttig voor het bereiken van de optimale PMA. De dunne MgO-laag maakt CFMS/MgO ondergeoxideerd (Fig. 1a, b), en de dikke MgO-laag maakt CFMS/MgO overoxideerd (Fig. 1d), die beide de PMA verzwakken [11]. Zoals weergegeven in Afb. 1c, is het voorbeeld met t _MgO = 1.3 nm heeft de juiste Co-O-bindingen in de CFMS/MgO-interface om sterke PMA te verkrijgen.

De M-H-lussen van a Ta/Pd/CFMS/Pd, b Ta/CFMS/MgO/Pd en c Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd gegloeid bij 300 °C en d de CFMS-laagdikte-afhankelijkheid van K _eff × t _CFMS product voor Ta/Pd/CFMS (t _CFMS )/MgO (1,3 nm)/Pd gegloeid bij verschillende temperaturen

Om de PMA-sterkte in de Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd-films te kwantificeren, is de effectieve anisotropieconstante K _eff wordt gegeven door

waar K _V en K _S zijn respectievelijk de bulk- en interface-anisotropie. K _eff wordt bepaald door de verschillen in magnetisatie-energie tussen de harde en gemakkelijke magnetisatierichtingen. De positieve K _eff staat voor PMA, en de negatieve K _eff vertegenwoordigt IMA. Het product van K _eff × t _CFMS als een functie van t _CFMS voor de Ta/Pd/CFMS (t _CFMS )/MgO (1,3 nm)/Pd-films gegloeid bij verschillende temperaturen wordt getoond in Fig. 3d. Alle films zoals gedeponeerd vertonen de negatieve K _eff , wat de afwezigheid van PMA impliceert. De PMA van de films gegloeid bij 250 °C kan alleen worden waargenomen met t _CFMS = 1,9 nm. Voor de films die bij 300 °C zijn gegloeid, kan de PMA binnen een wijde t _CFMS bereik (minder dan 2,7 nm). De grootste K _eff waarde van de steekproef is 5,6 × 10 ⁵ erg/cm ³ (5,6 × 10 ⁴ J/m ³ ) met t _CFMS = 2.3 nm.

Zoals hierboven getoond, is de PMA erg gevoelig voor de grensvlakomgeving, die ook kan worden beïnvloed door de gasabsorptie of desorptie van edelmetaal Pd. Zo werd de door hydrogenering geïnduceerde magnetische verandering onderzocht op de Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-films die waren uitgegloeid bij 300 °C. De M-H-lussen werden gecontroleerd onder verschillende gasatmosferen door de H₂ . te variëren concentratie zoals weergegeven in Fig. 4a. Hier opgemerkt, kunnen de M-H-lussen niet worden beïnvloed door de zuivere stikstof N₂ en pure argon Ar-atmosferen (gegevens werden hier niet getoond). Na de introductie van H₂ , verandert de M-H-lus aanzienlijk en verschuift de gemakkelijke magnetisatie-as weg van de richting buiten het vlak, wat een groot verzadigingsveld van de magnetische kromme buiten het vlak laat zien. Het blijkt dat het verzadigingsveld toeneemt met toenemende H₂ concentratie. Het monster vertoont een uitstekende waterstofgevoeligheid onder een klein aangelegd magnetisch veld (<-30 Oe). Afbeelding 4b toont de M-H-lussen gemeten onder de luchtatmosfeer voor en na de toevoeging van H₂ . Het is te zien dat de M-H-lus goed terug is in de begintoestand na het verwijderen van H₂ . Zoals weergegeven in Afb. 4c, M_r neemt af van 123,15 naar 30,75 emu/cm ³ (verlaagd met 75%), en het verzadigingsveld (H_k ) neemt toe van 5,5 tot 18 Oe met toenemende H₂ concentratie van 0 tot 5%.

De out-of-plane MH-lussen voor Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-films uitgegloeid bij 300 ° C. een Onder H₂ invoering. b Vergelijking na het verwijderen van H₂ . c De afhankelijkheid van M_r en H_k op H₂ concentratie

Afbeelding 5 toont de afhankelijkheid van de Hall-weerstand op tijd voor H₂ absorptie en desorptie in Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd gegloeid bij 300 °C. Zoals weergegeven in Afb. 5, H₂ absorptiesnelheid is sneller dan de desorptiesnelheid. De Hall-weerstand nam geleidelijk toe en was verzadigd in 70 min na blootstelling aan H₂ . Echter, door de introductie van N₂ om H₂ . te verdrijven , de Hall-weerstand neemt slechts 60% af als gevolg van niet-gedesorpeerde H₂ . De Hall-weerstand nam snel toe/af in het begin (eerste 10 min) onder de processen van H₂ absorptie/desorptie, aangezien de hall-weerstand voornamelijk gerelateerd is aan de magnetische laag (CoFeMnSi). Er kan dus worden afgeleid dat de weerstandsveranderingen aan het begin grotendeels afkomstig zijn van de grensvlakvariaties tussen Pd- en CoFeMnSi-lagen als gevolg van H₂ absorptie/desorptie. De verandering in soortelijke weerstand in een later stadium kunnen de intrinsieke veranderingen zijn van meerlaagse films als gevolg van het geabsorbeerde H₂ . In vergelijking met figuur 4b zou de magnetische detectie van meerlagige films zeer reproduceerbaar kunnen zijn vanwege het goed herstellen van de magnetische prestaties in vergelijking met de weerstandsvariaties.

De afhankelijkheid van de Hall-weerstand van de tijd onder H₂ absorptie en desorptie voor Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd-films gegloeid bij 300 °C

Zoals hierboven vermeld, komt de door hydrogenering geïnduceerde magnetische verandering voornamelijk voort uit de spanning die op de film inwerkt met H₂ absorptie van Pd in ​​het Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd filmsysteem [19]. Het is bekend dat Pd een effectieve katalysator is voor het dissociëren van het waterstofmolecuul [4]. Waterstofmoleculen worden geadsorbeerd en gedissocieerd tot waterstofatomen op het oppervlak van de Pd-laag. Het rooster van Pd zou kunnen worden uitgebreid met de absorptie van waterstofatomen [20], die op zijn beurt trekspanning heeft naar de aangrenzende MgO- en CFMS-laag, wat leidt tot het beheersbare magnetisme van CoFeMnSi. Na het ontladen van H₂ , kunnen de waterstofatomen ontsnappen van het Pd-membraanoppervlak [21], waardoor de magnetische prestaties worden hersteld.