激光快速退火对 CoFe/Cu/CoFe/NiMn自旋阀多层膜热稳定性能的影响
激光快速退火对 CoFe/Cu/CoFe/NiMn自旋阀多层膜热能的影响
采用高真空磁控溅射镀膜机制备了结构为//Ta/CoFe/Cu/CoFe/NiMn/Ta 结构的
自旋阀多层膜，通过振动样品磁强计（VSM）测量了样品在常规退火处理和激光
快速退火处理这两种情况下的交换偏置场和矫顽力的大小，研究了负饱和等待时
间等对不同退火状态下的自旋阀多层膜性能的影响。研究结果表明：
经激光快速退火处理后，NiMn 薄膜发生了 γ 相转变为 θ 相的相变过程，也就
是说 NiMn 薄膜由顺磁性转变为反铁磁性，因而在 CoFe/NiMn 界面处产生了交换
偏置效应。此外，θ 相的转变量主要取决于激光辐照的能量密度，当激光辐照能
量密度为 200 mJ/cm2 时能获得最大的 Hex(328.3 Oe)， 而 Hc 的变化则不大；且经
激光快速退火处理后，自旋阀多层膜具有良好的热磁稳定性。
关键词 自旋阀多层膜，磁性能，磁控溅射，激光快速退火
1 绪论 ..1
1.1 巨磁电阻效应 .1
1.2 交换偏置效应 .2
1.3 自旋阀多层膜的结构及其应用 3
1.4 激光退火技术 .4
1.5 本课题研究内容、主要技术路线以及意义.4
2 样品的制备及测试方法5
2.1 样品制备仪器.... 5
2.2 分析设备及原理..8
2.3 实验原理....9
2.4 薄膜样品的制备.11
2.5 薄膜的沉积速率测定...13
3 激光退火对多层膜磁性能的影响.....14
3.1 激光快速退火的参数选择....14
3.2 激光快速退火产生交换偏置的机理....17
3.3 多层膜热稳定性能....18
结论 ..21 致谢22
参考文献...23
1 绪论
2007年的诺贝尔物理学奖同时授予法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国
科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grünberg)，表彰他们先后独立发现了巨磁电阻(GMR)
效应[1,2]。GMR效应的发现并应用到磁记录信息存储设备（如硬盘）[3] 中，使得信
息存储量由Kb 提升到了100 Gb， 并极大地降低了硬盘成本， 使高密度高容量硬
盘走进千家万户。GMR效应的发现，被认为是纳米技术的首批实际应用之一，巨大
的推动了磁电子器件的应用与发展。
1.1 巨磁电阻效应
铁磁金属和合金多晶体的磁电阻(Magnetoresistance，简称 MR)效应是指物质在
磁场作用下电阻发生变化的现象[4,5]。磁电阻率定义为：
其中 R(H) 、R(0)分别表示磁场为 H 和 0 时的电阻值。
当 MR>0 时，为正的磁电阻效应；当 MR<0 时，负的磁电阻效应。根据 MR 的大
小，又可以将磁电阻效应进行划分：当 MR<0.1%时，称为磁电阻效应(MR)；当 MR>20%
时，称为巨磁电阻效应(GMR)；当接近 100%时，称为庞磁电阻效应(CMR) [6]。
1.1.1 巨磁电阻效应原理
如图 1-1 所示，我们可以设一个大的自旋相关散射电阻为 R，自旋相关散射小的
电阻为 r。可以用图 1-1 所示的模型简单的解释巨磁电阻效应：当相邻铁磁层磁化方
向平行时，不同方向自旋磁矩的传导电子穿越磁性层时所表现的电阻可以看成两个电
阻构成的串联电路，如图 1-1(a)所示；当相邻铁磁层磁化方向反平行时，不同方向自
旋磁矩的传导电子穿越磁性层时所表现的电阻可以看成两个电阻构成的并联电路，如
图 1-1(b)所示；相邻铁磁层磁化方向平行时巨磁电阻材料中必有一种电子的自旋相关
散射电阻小，材料呈低阻状态；而相邻铁磁层磁化方向反平行时巨磁电阻材料中两种
电子的自旋相关散射电阻都大，则材料呈高阻状态。从以上分析可以得知传导电子穿
过不同耦合性质的磁性层时，整体电阻会随各自表现的电阻不同而改变，呈现高阻态
或低阻态的导电输送特性，这样就实现了巨磁电阻效应[7]。
图 1-1 巨磁电阻效应的“二流体模型”的简单示意图
1.2 交换偏置效应
1956 年，Meiklejohn 和 Bean[8]首次在 Co/CoO 双层膜中发现了 Co 的磁滞回线不
相对于零场对称，而是偏移了一定的大小，因而称之为交换偏置效应(Exchange Bias
Effect)。其大小等于磁滞回线中心偏移量，如图 1-2 所示。并指出交换偏置效应主要
来源于相邻的反铁磁层材料和铁磁层材料界面处未抵消的磁矩间的交换耦合作用[9,
10]。即界面处反铁磁相对铁磁相的“钉扎”作用。
图 1-2 交换耦合的铁磁(FM)/反铁磁(AF)双层膜的磁滞回线
交换偏置可定性地从铁磁（Ferromagnetic，FM）/反铁磁（Anti-ferromagnetic，
AF）界面间的交换耦合作用进行解释。在 TN<T<TC（TN，反铁磁奈耳温度；TC，
铁磁居里温度）温度范围内施加外磁场，铁磁层中的磁矩平行于外场的方向，呈有序
分布，而反铁磁层中的磁矩分布则是无序的[图 1-3 (a)]。在 T<TN 温度范围内，在外
加磁场中，反铁磁层中那些与铁磁层相邻的原子磁矩由于反铁磁层内净磁矩为零，将
沿着铁磁层磁矩的方向平行或反平行排列由于界面之间的交换耦合作用。因而反铁磁
层中的其它磁矩也跟着按照顺序排列起来[图 1-3(b)]。当外磁场的方向发生改变时，
铁磁层磁矩开始反转，然而，由于反铁磁层有着较大的磁单向各向异性，反铁磁层磁
矩仍然保持着原来的排列方向[图 1-3(c)]。由于铁磁/反铁磁界面磁矩之间的交换耦合
作用，FM 磁矩试图沿着界面处反铁磁磁矩的排列方向排列，也就是说，界面处的反
采用高真空磁控溅射镀膜机制备了结构为//Ta/CoFe/Cu/CoFe/NiMn/Ta 结构的
自旋阀多层膜，通过振动样品磁强计（VSM）测量了样品在常规退火处理和激光
快速退火处理这两种情况下的交换偏置场和矫顽力的大小，研究了负饱和等待时
间等对不同退火状态下的自旋阀多层膜性能的影响。研究结果表明：
经激光快速退火处理后，NiMn 薄膜发生了 γ 相转变为 θ 相的相变过程，也就
是说 NiMn 薄膜由顺磁性转变为反铁磁性，因而在 CoFe/NiMn 界面处产生了交换
偏置效应。此外，θ 相的转变量主要取决于激光辐照的能量密度，当激光辐照能
量密度为 200 mJ/cm2 时能获得最大的 Hex(328.3 Oe)， 而 Hc 的变化则不大；且经
激光快速退火处理后，自旋阀多层膜具有良好的热磁稳定性。
关键词 自旋阀多层膜，磁性能，磁控溅射，激光快速退火
1 绪论 ..1
1.1 巨磁电阻效应 .1
1.2 交换偏置效应 .2
1.3 自旋阀多层膜的结构及其应用 3
1.4 激光退火技术 .4
1.5 本课题研究内容、主要技术路线以及意义.4
2 样品的制备及测试方法5
2.1 样品制备仪器.... 5
2.2 分析设备及原理..8
2.3 实验原理....9
2.4 薄膜样品的制备.11
2.5 薄膜的沉积速率测定...13
3 激光退火对多层膜磁性能的影响.....14
3.1 激光快速退火的参数选择....14
3.2 激光快速退火产生交换偏置的机理....17
3.3 多层膜热稳定性能....18
结论 ..21 致谢22
参考文献...23
1 绪论
2007年的诺贝尔物理学奖同时授予法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国
科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grünberg)，表彰他们先后独立发现了巨磁电阻(GMR)
效应[1,2]。GMR效应的发现并应用到磁记录信息存储设备（如硬盘）[3] 中，使得信
息存储量由Kb 提升到了100 Gb， 并极大地降低了硬盘成本， 使高密度高容量硬
盘走进千家万户。GMR效应的发现，被认为是纳米技术的首批实际应用之一，巨大
的推动了磁电子器件的应用与发展。
1.1 巨磁电阻效应
铁磁金属和合金多晶体的磁电阻(Magnetoresistance，简称 MR)效应是指物质在
磁场作用下电阻发生变化的现象[4,5]。磁电阻率定义为：
其中 R(H) 、R(0)分别表示磁场为 H 和 0 时的电阻值。
当 MR>0 时，为正的磁电阻效应；当 MR<0 时，负的磁电阻效应。根据 MR 的大
小，又可以将磁电阻效应进行划分：当 MR<0.1%时，称为磁电阻效应(MR)；当 MR>20%
时，称为巨磁电阻效应(GMR)；当接近 100%时，称为庞磁电阻效应(CMR) [6]。
1.1.1 巨磁电阻效应原理
如图 1-1 所示，我们可以设一个大的自旋相关散射电阻为 R，自旋相关散射小的
电阻为 r。可以用图 1-1 所示的模型简单的解释巨磁电阻效应：当相邻铁磁层磁化方
向平行时，不同方向自旋磁矩的传导电子穿越磁性层时所表现的电阻可以看成两个电
阻构成的串联电路，如图 1-1(a)所示；当相邻铁磁层磁化方向反平行时，不同方向自
旋磁矩的传导电子穿越磁性层时所表现的电阻可以看成两个电阻构成的并联电路，如
图 1-1(b)所示；相邻铁磁层磁化方向平行时巨磁电阻材料中必有一种电子的自旋相关
散射电阻小，材料呈低阻状态；而相邻铁磁层磁化方向反平行时巨磁电阻材料中两种
电子的自旋相关散射电阻都大，则材料呈高阻状态。从以上分析可以得知传导电子穿
过不同耦合性质的磁性层时，整体电阻会随各自表现的电阻不同而改变，呈现高阻态
或低阻态的导电输送特性，这样就实现了巨磁电阻效应[7]。
图 1-1 巨磁电阻效应的“二流体模型”的简单示意图
1.2 交换偏置效应
1956 年，Meiklejohn 和 Bean[8]首次在 Co/CoO 双层膜中发现了 Co 的磁滞回线不
相对于零场对称，而是偏移了一定的大小，因而称之为交换偏置效应(Exchange Bias
Effect)。其大小等于磁滞回线中心偏移量，如图 1-2 所示。并指出交换偏置效应主要
来源于相邻的反铁磁层材料和铁磁层材料界面处未抵消的磁矩间的交换耦合作用[9,
10]。即界面处反铁磁相对铁磁相的“钉扎”作用。
图 1-2 交换耦合的铁磁(FM)/反铁磁(AF)双层膜的磁滞回线
交换偏置可定性地从铁磁（Ferromagnetic，FM）/反铁磁（Anti-ferromagnetic，
AF）界面间的交换耦合作用进行解释。在 TN<T<TC（TN，反铁磁奈耳温度；TC，
铁磁居里温度）温度范围内施加外磁场，铁磁层中的磁矩平行于外场的方向，呈有序
分布，而反铁磁层中的磁矩分布则是无序的[图 1-3 (a)]。在 T<TN 温度范围内，在外
加磁场中，反铁磁层中那些与铁磁层相邻的原子磁矩由于反铁磁层内净磁矩为零，将
沿着铁磁层磁矩的方向平行或反平行排列由于界面之间的交换耦合作用。因而反铁磁
层中的其它磁矩也跟着按照顺序排列起来[图 1-3(b)]。当外磁场的方向发生改变时，
铁磁层磁矩开始反转，然而，由于反铁磁层有着较大的磁单向各向异性，反铁磁层磁
矩仍然保持着原来的排列方向[图 1-3(c)]。由于铁磁/反铁磁界面磁矩之间的交换耦合
作用，FM 磁矩试图沿着界面处反铁磁磁矩的排列方向排列，也就是说，界面处的反
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