第12期 蔡永香等：具有纳米氧化层自旋阀薄膜的XPS研究 .1407. 化层自旋阀的磁电阻(MR)值提高到了几倍；同时， 置场H有轻微的增加，铁磁耦合场H:有显著的 这类自旋阀还有超过79.58kA·m1的交换偏置 减少. 场可].这些研究进展激起了人们更大的兴趣去研究 新的方法在钉扎层或覆盖层实现纳米氧化层，以及 9 一传统自旋阀 对磁性能的不同影响机制[].然而，由于纳米氧 --含NOL自旋阀 化层只有大约1nm的厚度，仅用高分辨电镜 (HREM)难以对其结构特性进行表征，在本文中， 采用具有较高表面灵敏度的X射线光电子能谱 (XPS)研究了自旋阀金属/氧化物界面的化学状态， -200 -100 0 100200 娇顽力/[(10/4)·A·m] 1 实验 图1带有NOL和不带NOL的自旋阀分别在高场和低场下的 采用磁控溅射的方法制备薄膜，溅射系统是美 MR曲线 国Denton公司生产的DV5O2型磁控溅射镀膜仪， Fig.1 MR curves of non-NOL and NOL spin valves at high field 在带有氧化膜的Sⅰ基体上沉积带有纳米氧化层的 and low field.respectively 自旋阀结构（样品I):Ta(3.5nm)/NisoFe2o(2nm)/ 利用XPS通过深度剖析研究样品的化学状态， Ir19Mns1(6nm)/Co9oFeo(1.5nm)∥NoL1∥ 图2为样品I表面的Ta4f高分辨XPS谱.根据 CosoFe10(2nm)/Cu(2.2 nm)/Coso Feio(4 nm)/ XPS手册]可知，样品取出真空系统后由于在空气 N0L2/Ta(3nm),本底真空度优于4.5×10-5Pa, 中的氧化，表面形成一层薄的Ta2O5层.刻蚀掉 氧化过程是在相对湿度40%的大气环境下室温氧 Ta205层后，出现了Ta层，如图3所示，随进一步 化1min完成.镀膜完成后，样品在氩气保护下 刻蚀，又出现了Co2p,Fe2p和Ta4f高分辨XPS 270℃退火20min,同时施加79.58kAm的诱导 谱.这些结果表明，NOL2/Ta界面已被探测到. 磁场，为便于比较，又在同样的沉积条件下，制备了 图4(a)为Ta4f高分辨XPS谱的计算机拟合曲线， 不带有纳米氧化层的自旋阀结构（样品Ⅱ）： 包括了四个部分，根据XPs手册]可知：21.80eV Ta(3.5nm)/Nis0 Fe20 (2 nm)/Ir19 Mn81 (6 nm ) CogoFe10(3.5nm)/Cu (2.2 nm )/CogoFeio(4nm)/ Ta(3nm). 采用传统的直流四探针法室温测量磁电阻值， 采用MICROLAB MKⅡX射线光电子能谱研究 Co9ofe1o(1.5nm)∥N0L1和N0L2/Ta(3nm)界面 302520 15 的化学结构·X射线光源为MgKa(能量为 结合能/eV 1253.6eV),能量分析器的扫描模式为CAE,通过 图2样品I表面的Ta4f高分辨XPS谱 能量为14.5kV,XPs的探测深度d与光电子出射 Fig.2 Ta 4f high resolution XPS spectrum obtained on the surface 角a、光电子的非弹性散射平均自由程入的关系为 of Sample I d=3入sina.为增加表面灵敏度，选择a为45°.深 度剖析时离子刻蚀工作条件：入射离子为Ar,工作 气压为10-4Pa,能量电压为500V,Ar电流密度是 504Acm-2 2结果与讨论 图1为带有NOL和不带NOL的自旋阀分别在 30 25 20 15 10 结合能eV 高场和低场下的MR曲线，图中可以看到：不带有 纳米氧化层的自旋阀磁电阻值为6%，而带有纳米 图3刻蚀掉Ta2O5层后Ta4高分辨XPS谱 氧化层的自旋阀磁电阻值达到了11%；而且由于在 Fig.3 Ta 4f high resolution XPS spectrum after having sputter 自旋阀的钉扎层和覆盖层中植入了氧化层，交换偏 cleaned the Ta20s layer化层自旋阀的磁电阻（MR）值提高到了几倍；同时‚ 这类自旋阀还有超过79∙58kA·m —1的交换偏置 场［5］．这些研究进展激起了人们更大的兴趣去研究 新的方法在钉扎层或覆盖层实现纳米氧化层‚以及 对磁性能的不同影响机制［6—8］．然而‚由于纳米氧 化层 只 有 大 约 1nm 的 厚 度‚仅 用 高 分 辨 电 镜 （HREM）难以对其结构特性进行表征．在本文中‚ 采用具有较高表面灵敏度的 X 射线光电子能谱 （XPS）研究了自旋阀金属／氧化物界面的化学状态． 1 实验 采用磁控溅射的方法制备薄膜‚溅射系统是美 国 Denton 公司生产的 DV—502型磁控溅射镀膜仪． 在带有氧化膜的 Si 基体上沉积带有纳米氧化层的 自旋阀结构（样品Ⅰ）：Ta（3∙5nm）／Ni80Fe20（2nm）／ Ir19 Mn81 （6 nm ）／Co90Fe10 （1∙5 nm ） ∥ NOL1∥ Co90Fe10（2nm）／Cu （2∙2nm ）／Co90Fe10（4nm ） ∥ NOL2／Ta（3nm）‚本底真空度优于4∙5×10—5 Pa． 氧化过程是在相对湿度40％的大气环境下室温氧 化1min 完成．镀膜完成后‚样品在氩气保护下 270℃退火20min‚同时施加79∙58kA·m —1的诱导 磁场．为便于比较‚又在同样的沉积条件下‚制备了 不带 有 纳 米 氧 化 层 的 自 旋 阀 结 构 （样 品 Ⅱ）： Ta（3∙5nm）／Ni80 Fe20 （2 nm ）／Ir19 Mn81 （6 nm ）／ Co90Fe10（3∙5nm）／Cu （2∙2 nm ）／Co90Fe10（4nm）／ Ta（3nm）． 采用传统的直流四探针法室温测量磁电阻值． 采用 MICROLAB MK Ⅱ X 射线光电子能谱研究 Co90Fe10（1∙5nm）∥NOL1和 NOL2／Ta（3nm）界面 的化 学 结 构．X 射 线 光 源 为 Mg Kα（能 量 为 1253∙6eV）‚能量分析器的扫描模式为 CAE‚通过 能量为14∙5kV．XPS 的探测深度 d 与光电子出射 角α、光电子的非弹性散射平均自由程 λ的关系为 d＝3λsinα．为增加表面灵敏度‚选择 α为45°．深 度剖析时离子刻蚀工作条件：入射离子为 Ar ＋‚工作 气压为10—4Pa‚能量电压为500V‚Ar ＋电流密度是 50μA·cm —2． 2 结果与讨论 图1为带有 NOL 和不带 NOL 的自旋阀分别在 高场和低场下的 MR 曲线．图中可以看到：不带有 纳米氧化层的自旋阀磁电阻值为6％‚而带有纳米 氧化层的自旋阀磁电阻值达到了11％；而且由于在 自旋阀的钉扎层和覆盖层中植入了氧化层‚交换偏 置场 Hex 有轻微的增加‚铁磁耦合场 Hf 有显著的 减少． 图1 带有 NOL 和不带 NOL 的自旋阀分别在高场和低场下的 MR 曲线 Fig．1 MR curves of non-NOL and NOL spin valves at high field and low field‚respectively 利用 XPS 通过深度剖析研究样品的化学状态． 图2为样品Ⅰ表面的 Ta 4f 高分辨 XPS 谱．根据 XPS 手册［9］可知‚样品取出真空系统后由于在空气 中的氧化‚表面形成一层薄的 Ta2O5 层．刻蚀掉 Ta2O5 层后‚出现了 Ta 层‚如图3所示．随进一步 刻蚀‚又出现了 Co 2p‚Fe2p 和 Ta4f 高分辨 XPS 谱．这些结果表明‚NOL2／Ta 界面已被探测到． 图4（a）为 Ta4f 高分辨 XPS 谱的计算机拟合曲线‚ 包括了四个部分．根据 XPS 手册［9］可知：21∙80eV 图2 样品Ⅰ表面的 Ta4f 高分辨 XPS 谱 Fig．2 Ta4f high-resolution XPS spectrum obtained on the surface of SampleⅠ 图3 刻蚀掉 Ta2O5 层后 Ta4f 高分辨 XPS 谱 Fig．3 Ta 4f high-resolution XPS spectrum after having sputter cleaned the Ta2O5layer 第12期 蔡永香等： 具有纳米氧化层自旋阀薄膜的 XPS 研究 ·1407·