D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.015 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 表面活性剂B对自旋阀多层膜交换耦合场的影响及 其微结构分析 杜中美)蔡永香12)丁雷)朱熠)李明华)滕蛟)于广华) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京新材料发展中心，北京100080 摘要采用磁控溅射方法制备了Ta(10nm)/NFe(8nm)/Cu(2.6nm)/NiFe(3.6nm)/FeMn(9nm)/Ta(10nm)自旋阀多层 膜.在C/NFe界面沉积适量厚度的Bi原子能够有效地提高交换耦合场，沉积过量的Bi原子会导致交换耦合场下降.X射 线光电子能谱分析结果表明：沉积在Cu/NiFe界面的Bi原子可以有效地抑制Cu原子在NiFe层表面的偏聚；当沉积过量的Bi 原子时，Bi原子会进一步迁移到FeMn中，形成杂质，从而破坏了FeMn的反铁磁性，使交换耦合场降低， 关键词表面活性剂：自旋阀多层膜；交换耦合场：X射线光电子能谱 分类号TM271:0484.4+3 Influences of surfactant Bi on the exchange coupling field and microstructure of spin valve multilayers DU Zhongmei),CAI Yongxiang2).DING Lei).ZHU Yi).LI Minghua).TENG Jico),YU Guanghua) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Beijing Development Center for Advanced Materials.Beijing 100080.China ABSTRACT Ta(10nm)/NiFe(8nm)/Cu(2.6nm)/NiFe(3.6nm)/FeMn(9nm)/Ta(10nm)spin valve multi-layers were prepared by magnetron sputtering.It is found that an enhancement of exchange coupling field can be achieved by depositing a Bi layer with ap- propriate thickness at the Cu/NiFe interface.The results of X-ray photoelectron energy spectra show that the segregation of Cu atoms to the surface of the NiFe layer can be depressed effectively.Excessive Bi atoms can further migrate to the FeMn layer,which may produce lots of impurities.Consequently the ferromagnetism of the FeMn layer is damaged and the exchange coupling field is de- creased. KEY WORDS surfactant:spin-valve multi-layers:exchange coupling field:X-ray photoelectron energy spectrum 自旋阀结构的巨磁电阻多层膜在传感器、硬盘 阀结构多层膜无论是从应用的角度还是从学术研究 读出磁头、磁致电阻随机存储器等方面有广泛的应 的角度来看，都一直被人们高度重视 用，人们对其性能和微结构进行了大量的研究]. 在前期研究工作中，发现了在Ta/Cu/NiFe薄 FeMn是最早研究的自旋阀多层膜的反铁磁材料， 膜中Cu原子在NFe层的表面偏聚现象，这导致以 尽管FeMn的抗腐蚀性能较差，但由于它有较大的 Ta/Cu为缓冲层的NiFe/FeMn双层膜的Hex降 交换耦合场(Hx)和较低的矫顽力(H。)、溅射完毕 低3.在以Cu作为隔离层的自旋阀如Ta/NiFe/ 后不需要退火热处理等优点，目前仍被看作最有前 Cu/Nife/FeMn/Ta中同样也存在Cu在NiFe层表 景的一个反铁磁材料，以FeMn作为钉扎层的自旋 面偏聚的问题，这也必将影响自旋阀的交换耦合场， 另一方面，Egelhoff等人在研究以NiO为钉扎层的 收稿日期：2007-02-25修回日期：2007-04-02 自旋阀多层膜时，发现Pb、In和Au等金属可用做 基金项目：国防基础研究项目(N。,A1420060203):国家自然科学 表面活性剂可]，在自旋阀中通过使用Pb,In和Au 基金资助项目(Na.50671008:No-60471007) 插层来降低矫顽力，相应的巨磁电阻也随之降低， 作者简介：杜中美(1981-)男，硕士研究生：于广华(1966一)男， 教授，博士生导师，E-mail:ghyn@mater.ustb.edu-cn 本文通过沉积表面活性剂Bi来抑制Cu的表面偏 聚，提高了自旋阀多层膜的交换耦合场：表面活性剂 Bi 对自旋阀多层膜交换耦合场的影响及 其微结构分析 杜中美1） 蔡永香1‚2） 丁 雷1） 朱 熠1） 李明华1） 滕 蛟1） 于广华1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院‚北京100083 2） 北京新材料发展中心‚北京100080 摘 要 采用磁控溅射方法制备了 Ta（10nm）／NiFe（8nm）／Cu（2∙6nm）／NiFe（3∙6nm）／FeMn（9nm）／Ta（10nm）自旋阀多层 膜．在 Cu／NiFe 界面沉积适量厚度的 Bi 原子能够有效地提高交换耦合场‚沉积过量的 Bi 原子会导致交换耦合场下降．X 射 线光电子能谱分析结果表明：沉积在 Cu／NiFe 界面的 Bi 原子可以有效地抑制 Cu 原子在 NiFe 层表面的偏聚；当沉积过量的 Bi 原子时‚Bi 原子会进一步迁移到 FeMn 中‚形成杂质‚从而破坏了 FeMn 的反铁磁性‚使交换耦合场降低． 关键词 表面活性剂；自旋阀多层膜；交换耦合场；X 射线光电子能谱 分类号 T M271；O484∙4＋3 Influences of surfactant Bi on the exchange coupling field and microstructure of spin-valve multilayers DU Zhongmei 1）‚CAI Yongxiang 1‚2）‚DING Lei 1）‚ZHU Y i 1）‚LI Minghua 1）‚T ENG Jiao 1）‚Y U Guanghua 1） 1） School of Materials Science and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China 2） Beijing Development Center for Advanced Materials‚Beijing100080‚China ABSTRACT Ta（10nm）／NiFe（8nm）／Cu（2∙6nm）／NiFe（3∙6nm）／FeMn（9nm）／Ta（10nm） spin valve mult-i layers were prepared by magnetron sputtering．It is found that an enhancement of exchange coupling field can be achieved by depositing a Bi layer with ap￾propriate thickness at the Cu／NiFe interface．T he results of X-ray photoelectron energy spectra show that the segregation of Cu atoms to the surface of the NiFe layer can be depressed effectively．Excessive Bi atoms can further migrate to the FeMn layer‚which may produce lots of impurities．Consequently the ferromagnetism of the FeMn layer is damaged and the exchange coupling field is de￾creased． KEY WORDS surfactant；spin-valve mult-i layers；exchange coupling field；X-ray photoelectron energy spectrum 收稿日期：2007-02-25 修回日期：2007-04-02 基金项目：国防基础研究项目（No．A1420060203）；国家自然科学 基金资助项目（No．50671008；No．60471007） 作者简介：杜中美（1981—）‚男‚硕士研究生；于广华（1966—）‚男‚ 教授‚博士生导师‚E-mail：ghyu＠mater．ustb．edu．cn 自旋阀结构的巨磁电阻多层膜在传感器、硬盘 读出磁头、磁致电阻随机存储器等方面有广泛的应 用‚人们对其性能和微结构进行了大量的研究［1—2］． FeMn 是最早研究的自旋阀多层膜的反铁磁材料‚ 尽管 FeMn 的抗腐蚀性能较差‚但由于它有较大的 交换耦合场（ Hex）和较低的矫顽力（ Hc）、溅射完毕 后不需要退火热处理等优点‚目前仍被看作最有前 景的一个反铁磁材料．以 FeMn 作为钉扎层的自旋 阀结构多层膜无论是从应用的角度还是从学术研究 的角度来看‚都一直被人们高度重视． 在前期研究工作中‚发现了在 Ta／Cu／NiFe 薄 膜中 Cu 原子在 NiFe 层的表面偏聚现象‚这导致以 Ta／Cu 为缓冲层的 NiFe／FeMn 双层膜的 Hex 降 低［3］．在以 Cu 作为隔离层的自旋阀如 Ta／NiFe／ Cu／NiFe／FeMn／Ta 中同样也存在 Cu 在 NiFe 层表 面偏聚的问题‚这也必将影响自旋阀的交换耦合场． 另一方面‚Egelhoff 等人在研究以 NiO 为钉扎层的 自旋阀多层膜时‚发现 Pb、In 和 Au 等金属可用做 表面活性剂［4—5］．在自旋阀中通过使用 Pb、In 和 Au 插层来降低矫顽力‚相应的巨磁电阻也随之降低． 本文通过沉积表面活性剂 Bi 来抑制 Cu 的表面偏 聚‚提高了自旋阀多层膜的交换耦合场． 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．015