mgo插层对fen基复合膜的磁各向异性的影响

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1、doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018.10.017MgO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

2、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；界面调控中图分类号：TB34文献标志码：A文章编号：1007-7545（2018）10-0000-00InfluenceofMgOLayeronMagneticAnisotropyofFeN-basedCompositeFilmsMEIXue-zhen（BGRIMMTechnologyGroup,Beijing100160,China）Abstract：EffectofinsertingMgOlayersonmagneticanisotr

3、opyenergyandinterfacialelectronicstructureofFeNalloyfilmswasinvestigated.TheresultsshowthatbydepositingMgOlayeraboveFeNlayer,aneffectiveFe-OorbitalhybridizationisintroducedatFeN/MgOinterface,whichfavorstoenhancemagneticanisotropyenergy(Keff)andpromoteperp

4、endicularmagneticanisotropy.However,withdepositionofMgOlayerbelowFeNlayer,theepitaxialgrowthbetweenCrandFeNlatticeisdestructed,resultinginanobviousKeffdecrementandmagneticanisotropydestruction.Keywords：FeNalloy;filmmaterials;magneticanisotropy;interfacial

5、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

6、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

7、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/

8、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4×10-5Pa，工作气体氩气的气压为0.5Pa。在200℃条件下沉积10nmFe种子层，溅射速率0.044nm/s。其他各层，如5nm的Cr缓冲层、10nm的FeN层以及4nm的Cr保护层都是在室