垂直各向异性L1高场线性磁电阻传感器₀-FePt参考层

摘要

高场线性磁电阻是磁传感器在磁悬浮列车和高场定位测量中的重要特性。本文研究了Pt/FePt/ZnO/Fe/Pt多层磁传感器的线性磁电阻，其中FePt和Fe铁磁层分别表现出面外和面内磁各向异性。垂直各向异性L1₀采用基体原位加热的方法，获得了具有高矫顽力和高方比的-FePt参考层。该传感器在+5 kOe和−5 kOe范围内观察到线性磁电阻，电流平行于薄膜平面。这L1₀基于fept的传感器对于扩展线性范围和简化未来高场磁传感器的制备具有重要意义。

1.介绍

自旋电子学的研究由于其广泛的实际应用而得到迅速发展[1- - - - - -4］.磁隧道结和磁自旋阀作为自旋电子学的重要内容，通常用作磁性传感器，如硬盘驱动器的磁读头，低磁场测量中的位置和速度探测器[5，6］.一般情况下，线性磁传感器大多基于霍尔效应或各向异性磁电阻(AMR)，存在热稳定性差、工作频率范围有限等缺点[7］.最近，线性巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)传感器，其中可以通过施加偏置场实现线性响应[8，利用自由层的形状各向异性[9，或引入固定层[10]，由于其高的场敏性和良好的热稳定性，被认为是有前途的候选材料[11- - - - - -13］.特别是在磁悬浮列车和高场定位测量等应用中，高场线性磁电阻(MR)传感器具有高传感场和良好的重复性[14，15］.一种实现高场线性磁场响应的方法是采用夹层结构，其中参考层具有高垂直磁各向异性和面内各向异性自由层[16- - - - - -19］.但仍存在线性范围窄、设计复杂等问题。

在这项工作中，我们设计和制造L1₀-FePt/ZnO/Fe多层膜通过选择垂直各向异性L1来阐明这一问题₀-具有较大强制力的fept ()和高的方形比作为参考层。当应用场在300 K时测量的±5 kOe范围内时，MR曲线接近线性，与之前报道的结果相比有很大改善[18］.同时，通过L1的应用，有效地简化了线性磁传感器的结构₀-用大号的参考层。

2.实验

采用磁控溅射系统在单晶MgO(001)衬底上制备了Pt(4)/FePt(15)/ZnO(5)/Fe(5)/Pt(3)(厚度为nm)结构的多层薄膜，如图所示1(一)。利用垂直各向异性L1设计了一种高场线性磁流变传感器₀-FePt参考层和被ZnO势垒层隔开的面内各向异性无铁层如图所示1 (b)。在这里，自由层和参考层相互垂直。随着外磁场的增大()，自由层的磁化旋转，直到垂直于膜面。在大范围的磁场下，可以得到可逆的线性磁响应。

在溅射过程中，高纯氩压力为2.0 Pa。在450℃的原位温度下沉积Pt和FePt层，然后在450℃退火2小时。在FePt层沉积后，在室温下依次沉积ZnO、Fe和Pt层。通过对Fe靶和Pt靶的溅射制备了FePt薄膜，并对其沉积速率进行了校准以获得Fe₅₅Pt₄₅。基底真空度在8.0 × 10以下⁻⁵Pa。利用x射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对多层膜的晶体结构和微观结构进行了表征。用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的形貌。利用超导量子推理装置(SQUID)和振动样品磁强计(VSM)测定薄膜的磁性能。在物理特性测量系统(PPMS, Quantum Design Inc.)中，采用平面电流(CIP)和垂直于平面的应用场的四点法测量MR的磁场相关性。

3.结果与讨论

Pt/L1薄膜的XRD谱图₀-FePt双层膜如图所示1 (c)。在FePt薄膜中观察到(001)和(002)峰，表明L1的形成₀有序相，易轴垂直于基板表面。因此，通过衬底原位加热实现了FePt薄膜由面心立方(fcc)相向面心四方(fct)相的转变。SEM图像显示沉积的Pt/L1₀-FePt双层膜表面连续光滑(见图)1 (d)）.FePt(001)与MgO(001)的晶格失配率为8.8% [20.];FePt薄膜沿面内方向受到拉应力，使薄膜倾向于形成粒状膜[21］.而Pt(001)与MgO(001)之间的错配值为1.8% [22]时，沉积在MgO衬底和FePt膜之间的Pt缓冲层有效地降低了应力，从而形成了连续的膜。

为了更准确地反映多层膜的结构信息，我们对Pt(4)/FePt(15)/ZnO(5)/Fe(5)/Pt(3)多层膜传感器进行了横截面TEM图像和高分辨率TEM (HRTEM)图像分析。结果表明，薄膜是连续的，如图所示2(a).多层膜的结构与图中的示意图结构一致1(一)。如图所示的HRTEM图像2(b)，晶格条纹间距测量为0.387 nm，对应于(0.384 nm)₀-FePt阶段(23］.此外，从图中快速傅里叶变换(FFT)图像中可以明显地发现FePt(001)和FePt (002)2(c)表示L1₀在薄膜中得到了有序的FePt相。

数字3(一个)显示了Pt(4)/FePt(15)薄膜在450°C下的磁滞回路。矫顽力()分别为7koe和4koe。剩磁()的面外和面内方向为610 emu/cm^3.和176年emu /厘米^3.,分别。平方比率()分别约为0.5和0.9。这些数据表明易磁化轴沿面外方向的优选对准，与图的结果一致1 (c)。应该提到的是，饱和磁化强度()比平面内的大，如图所示3(一个)。这可能是由于在3 Tesla的最大应用领域下，面内的未完全饱和，这在L1的其他出版物中也有报道₀-FePt电影(24，25］.室温下在Pt/FePt薄膜上沉积ZnO阻挡层、Fe自由层和Pt保护层，制备L1₀基于-FePt传感器。图中显示了Pt(4)/FePt(15)/ZnO(5)/Fe(5)/Pt(3)多层膜的面内和面外磁滞回线3 (b)。上层无铁层与下层FePt参考层之间几乎不存在耦合，因而产生明显的扭结。当外加磁场垂直于薄膜平面时，多层膜反转过程(用箭头表示)的磁化强度可以在平面外回路中得到精确的理解。当外部磁场达到0 (O点)时，自由层垂直于参考层，当磁场达到−7koe(或+ 7koe) (A或B点)时，底部FePt开始从垂直于薄膜的上(下)向下(上)方向反转。

图中显示了一个典型的非模式样本的MR曲线4，显示出规则的平面内电流(CIP) MR效应，外加磁场在膜面外。在室温和10 K下的MR值分别为0.5%和1.2%。在曲线上可以观察到矫顽力场的双峰特征，这与图中的磁滞回线是一致的3.。这里，MR定义为,在那里和电阻是在外场吗和最大阻力。这个值是L1中MR的典型大小₀-基于fept多层膜[14，26，27，因为氧化锌不能在L1上完美生长₀-FePt层如图所示3(一个)。此外，我们认为薄膜的MR值可能会更高，这是由于MR曲线在20 kOe处没有饱和，如果我们的样品施加更高的磁场，MR比值可能会更高。

如图所示，在室温下，当磁场在+ 5koe和−5koe之间变化时，具有高可逆性的MR得到了预期的高场线性特性和无滞回变化4 (c)。灵敏度为0.2%/T在Pt(4)/FePt(15)/ZnO(5)/Fe(5)/Pt(3)多层膜组成的MTJ中。磁构型和电阻随磁场变化如图所示4 (c)。当外加磁场为+ 5koe时，L1的磁化方向₀-FePt层点出面，其中Fe层不完全平行于L1的磁化强度₀-FePt层(见图中的A点4 (c))，这是因为如图所示，在5koe时，磁环和MR没有饱和3 (b)和4(一)。在这一点(点M)，器件具有较小的电阻。电阻值随磁场的减小而线性增大，直到磁场在O点处减小为零，此时Fe层的磁化强度旋转到垂直于L1的磁化强度₀-FePt层。随着磁场反向增大，电阻继续增大，直到磁场在n点达到−5 kOe。需要注意的是L1的磁化强度₀-FePt层在整个过程中始终保持不变，在磁流变随磁场线性变化中起关键作用。

4.结论

综上所述，对Pt/FePt/ZnO/Fe/Pt多层磁传感器的线性MR进行了研究。在本设计中，垂直各向异性L1₀-FePt参考层和被ZnO势垒层隔开的面内各向异性无铁层相互垂直。在L1₀采用基体原位加热的方法制备了具有高矫顽力和高方比的-FePt薄膜。在室温和10 K条件下，MR值分别为0.5%和1.2%。在室温下，该传感器的线性MR响应范围在+ 5koe到−5koe之间。这L1₀基于-FePt的线性磁流变对于高场线性磁传感器具有重要意义。

相互竞争的利益

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

基金资助:国家高技术研究发展计划(863计划);国家自然科学基金资助项目(no . 51571136, no . 61434002, no . 61306109)，山西省留学基金委资助项目(2015-069)。

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