垂直的巨磁阻和Co /铜纳米线阵列的磁特性受到周期数和铜层厚度的影响

文摘

一维磁性纳米线吸引了太多的关注在过去几十年来由于其独特的物理性质和潜在的应用在磁记录和自旋电子学。在这工作,的Co /铜多层纳米线有序阵列可以被利用来开发磁阻传感器成功地准备使用多孔阳极氧化铝模板(PAA)。多层纳米线阵列的结构和形态特征是透射电子显微镜和扫描电子显微镜。高度有序的纳米线阵列,平均直径约50纳米,控制孔径的PAA模板。周期数和铜层厚度的影响磁和巨磁电阻(GMR)属性了。矫顽力和剩磁比增加,然后逐渐趋于稳定的周期数的增加和铜层厚度,而巨磁电阻率增加,然后减少随着周期数的增加伴随着一个振荡行为GMR的铜层厚度的变化,这是归因于自旋依赖电子散射的多层膜。最优GMR−13%出现在公司(50 nm) /铜200沉积周期(5海里)在我们的实验条件。

1。介绍

巨磁电阻(GMR)效应是一个现象,材料的电阻率会显著影响外部磁场的应用。自1988年发现的巨磁电阻效应(1- - - - - -3],GMR铁磁层由多层结构组成的一层非磁性垫片已经关注由于其独特的技术应用的潜力,如高密度数据存储,GMR传感器和磁随机存取存储器。特别是多层纳米线组成的磁性和非磁性层交替调查GMR效应的理想系统在当前垂直于这个平面几何(CPP),因为它已被证明具有更重要的巨磁电阻效应和高纵横比(多层纳米线的长度/直径)导致更大的阻力,使高精度的测量(4]。常用的制备方法之一high-aspect-ratio多层纳米线的电沉积技术由于其简单,方便,和成本效益比其他制备技术,曾如化学气相沉积、分子束外延、磁控溅射(5- - - - - -8]。到目前为止,巨大的努力一直致力于研究CPP-GMR CoNi /铜的9- - - - - -11),镍铁/铜[12- - - - - -14),公司/铜[7,15- - - - - -17多层纳米线和它已经表明,多层纳米线阵列的GMR和磁性受到多种因素的影响,包括材料的结构、焊丝直径、线总长度,组成,层厚度,和其他因素。然而,只有系统很少有研究调查的影响周期数和铜层厚度对磁性和CPP-GMR [5- - - - - -7]。

在这项研究中,Co /铜多层纳米线阵列被认为是一个有吸引力的系统获得洞察CPP-GMR和磁性纳米线的完美带匹配和晶格匹配(17,18]。有限公司/铜多层纳米线阵列在PAA模板准备通过单浴通过电化学方法和重复周期数和铜层厚度的影响磁性和CPP-GMR有限公司/铜纳米线阵列进行了研究。很明显从实验的周期性多层纳米线和非磁性层厚度在决定中起关键作用的磁场和CPP-GMR多层纳米线阵列。

2。实验的细节

高纯铝箔(99.999%,0.2毫米厚)是第一个在丙酮和乙醇脱脂10分钟,然后在500°C下真空退火对3 h消除机械应力。后来,铝箔是用电解法抛光HClO的混合物₄和C₂H₅哦(1:4体积比),然后用蒸馏水冲洗仔细。第一阳极处理是在0.3进行草酸在5°C 5 h在恒定电压下40 V。阳极氧化膜层后溶解在磷酸的混合物(6.0 wt %)和铬酸(1.8 wt %) 60°C 3 h,第二阳极处理是作为第一个在同一条件下完成。0.1 CuCl的混合解决方案₂和20%盐酸来腐蚀铝,导致独立的PAA。此外,执行后续蚀刻处理5 wt % H₃阿宝₄解决方案在30°C 50分钟去除阻挡层和稍微扩大的毛孔PAA模板。

多层纳米线的电沉积进行了25°C使用单浴通过电化学方法。Ag / AgCl(4米氯化钾)作为参比电极和Pt线作为对电极。电解溶液包含84.3 g / L CoSO₄ 7小时₂啊,0.57 g / L CuSO₄,50 g / L H₃薄₃与pH值约为3.7。多层纳米线是镀层使用标准三电极的电化学工作站技术模式通过定期切换之间的沉积电位−1.0 V和−0.52 V公司和铜层的沉积,分别和每一层的厚度控制方便的脉冲持续时间,因为厚度正比于相同的实验条件下的电沉积时间。

纳米线的形态和结构分析是用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。SEM和TEM观察,PAA模板在1 M氢氧化钠溶液溶解,剩余氢氧化钠溶液吸收表面的PAA模板是通过用去离子水冲洗纳米线小心地删除。的磁性测量振动样品磁强计(VSM)和巨磁电阻测量是由物理性质测量系统(项目组合管理系统,量子设计PPMS-9)在室温和GMR百分比计算根据定义: 在哪里应用磁场的阻力和样品的电阻在零磁场。由于室温GMR是工业应用更有吸引力,这只目前的工作提出了室温GMR。

模型进行GMR测量如图1。纳米线的电沉积后,样品被附加在玻璃板银导电环氧树脂和顶部的空缺PAA蚀刻掉氢氧化钠通过控制合适的反应时间,纳米线可以从模板接触出现一小滴银环氧树脂为巨磁电阻测量。使用这种方法,纳米线的CPP-GMR在所需的位置对样本可以测量,以便它可以执行大量的测量在不同位置相同的样本通过降低银环氧树脂在不同的位置。

3所示。结果与讨论

图2(一个)是他们的时间(E-t)有限公司/铜纳米线电沉积过程中配置文件。低负电位时,只能沉积铜,而在更高的负电位可以沉积形成铁磁层。当前被记录在这个过程中,我们可以看到从图2 (b)。每个周期的电流基本上是相同的,没有显著增加的记录当前在电沉积过程中观察,表明每个时期的电荷的数量是相等的,这是一个先决条件,以确保每一层的双分子层厚度不变。如上所述,公司层和铜层的厚度可以方便地通过改变时间严格控制的沉积过程。

有限公司/铜纳米线被溶解解放从PAA模板中的PAA模板1 M氢氧化钠溶液洗涤几次去离子水。图3(一个)显示了SEM图像有限公司/铜纳米线的准备1、7 s后消除了PAA模板。通过移除PAA模板,纳米线捆绑在一起。典型的TEM图像/铜的准备1、7 s如图3 (b)。它揭示了纳米线是光滑和均匀沿着。有限公司/铜多层纳米线显示了竹节状结构。公司层的平均厚度约为50 nm和铜层是5 nm,对应于2.38 nm / s公司的增长率为0.3 nm / s为铜。XRD模式对应于多层纳米线阵列如图3 (c)。hcp(100)、(110)和(200)衍射峰公司观察到2θ= 41.73°,75.93°,分别和90.61°。2的衍射峰θ值为43.29°对应于面心立方(fcc)(111)水晶铜面。

为了研究磁铜层厚度的影响和CPP-GMR属性,Co /铜多层纳米线具有不同长度的铜层被捏造而有限的长度是固定在每个公司/ 50纳米铜单位。所选铜层的长度是3海里,5 nm, 10 nm, 18海里,30 nm和磁滞回线测量的应用磁场平行于纳米线。磁性的依赖铜层厚度图所示4。矫顽力和剩磁比增加铜的长度的增加,这可以减少引起的有限层之间的偶极-偶极相互作用随着铜层的厚度增加(9]。

数据5(一个)- - - - - -5 (e)的巨磁电阻曲线与不同长度的铜纳米线阵列应用磁场平行于纳米线。提出了图5 (f),CPP-GMR显示振荡依赖铜层的厚度。《全球监测报告》根据振荡铜层厚度、符合类似系统在不同的金属超晶格结构与间隔层(13]。非磁性铜层的厚度影响铁磁层之间的层间交换耦合将导致不连贯的旋转磁场倒转,从而导致振荡在巨磁电阻(19]。增加的铜层,针孔密度降低,层厚度均匀性提高,都导致削弱调频的耦合。减少调频耦合使更随机相邻层的磁化方向,因此GMR效应增加。然而,铜层厚度增加,出现不可避免的缺点在铜层。厚的铜层,缺陷,和重要的传导电子的自旋翻转发生在传输过程中,这将减少电子自旋相关的散射,所以GMR下降部分20.]。因此,共同行动的双重机制下,巨磁电阻效应提出了一种振动现象的增加铜层的厚度。

磁性的依赖影响的数量显示在图中6矫顽力和剩磁比增加,然后逐渐趋于稳定。这一现象可能的原因是,矫顽力主要是由于畴壁钉效果(21];随着长度的增加,域墙会产生固定效应,将会有许多缺陷和杂质导致更多的寄托点提高矫顽力。

影响的数量是一个重要因素影响CPP-GMR因为它直接关系到材料的电阻。这里,影响的变化及其对CPP-GMR属性的影响进行了研究。基于之前的测量方法,我们测量了CPP-GMR Co /铜多层纳米线的磁滞应用磁场平行于纳米线。50之间的数字是不同的,100年,150年,200年和250年。数据7(一)- - - - - -7 (e)显示公司的CPP-GMR曲线与不同的公司/铜/铜多层纳米线影响(100,150,200,和250有限公司/铜影响)电镀成多孔阳极氧化铝。200 -双层纳米线样品显示GMR−13%,而50-bilayer纳米线样品显示只有0.6%的GMR。图7 (f)显示了CPP-GMR比率之间的关系和影响的数量有限公司/铜多层纳米线。我们可以看到,CPP-GMR比率增加然后减少重复周期数的增加。增加可以用这一事实来解释增加的数量影响接口的数量增加,从而导致更多的界面电子散射和减少金属导电层的分流效应(10),因此CPP-GMR增加。减少归因于逐渐恶化的结构随着存款的增长;多层界面更重要,存款的开始。换句话说,在沉积过程中逐渐尺度的影响可能是负责CPP-GMR后下降。这个结果证实了这一事实CPP-GMR接口起着重要的作用。

4所示。结论

总之,高度有序和均匀一致的Co /铜多层纳米线阵列是由一浴电沉积方法。重复周期数和铜层厚度的影响在磁场和CPP-GMR有限公司/铜纳米线阵列。我们已经强调了非磁性层厚度的重要性和影响的数量在磁场和CPP-GMR多层纳米线阵列的特性。矫顽力和剩磁比增加,然后逐渐趋于稳定的增加铜的长度和数量。CPP-GMR表明一个振荡行为的结果与不同厚度的铜层。获得了最好的多层纳米线阵列结构有限公司(50 nm) /铜(5海里)和最大CPP-GMR值可以达到室温−13%。本研究是至关重要的领域的潜在的应用和有助于提供更深入的理解的磁性多层纳米线阵列。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

工作是财务支持的国家高技术研究发展计划(863计划,没有。2014 aa032904),国家自然科学基金委(51571136号,61434002),和山西奖学金委员会中国(2015 - 069)。

引用

1. m . n . Baibich j . m . Broto a Fert et al .,“巨磁阻(001)Fe / Cr磁性超晶格(001),“物理评论快报,卷61,不。21日,第2475 - 2472页,1988年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. g . Binasch p·格伦伯格、f . Saurenbach和w·辛”增强磁电阻与反铁磁性的分层的磁结构层间交换,“物理评论B,39卷,不。7,4828 - 4830年,1989页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. a . Fert和l . Piraux“磁性纳米线,”磁学和磁性材料》杂志上,卷200,不。1,第358 - 338页,1999。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 即Bakonyi因和l .彼得,”电解沉积多层膜巨磁电阻(GMR):进展和问题,“材料科学进展,55卷,不。3、107 - 245年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. d·k·迪亚·古普塔s c·卡什和s . Chaudhary“电沉积铜/ Co多层膜和表征:个人公司和铜层对巨磁电阻的影响大小和行为,“磁学与磁性材料》杂志上,卷321,不。8,974 - 978年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. l . Piraux j·m·乔治·j·f·代斯普利司et al .,“巨磁电阻效应在磁多层纳米线”,应用物理快报,卷65,不。19日,2484 - 2486年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. k, k . Nagodawithana p c . Searson和c l .简”垂直巨磁阻的多层有限公司/铜纳米线,”物理评论B,51卷,不。11日,第7384 - 7381页,1995年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. k .药师k .齐藤s Mitani k . Takanashi y . k .高桥和k . Hono Current-perpendicular-to-plane磁阻在外延有限公司₂及其产生/ Cr / Co₂及其trilayers。”应用物理快报,卷88,不。22日文章ID 222504年,第504 - 222页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. X.-T。唐,G.-C。王,m .日本岛”层厚度依赖个人CoNi / CPP巨磁阻的铜电沉积多层纳米线生长,”物理评论B,卷75,不。13日,ID 134404条,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. s . m . s . i Dulal和查尔斯·e·a .”接口数量对巨磁电阻的影响,”固体的物理和化学》杂志上,卷71,不。3、309 - 313年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. t .小野y Sugita k . Shigeto k . Mibu n . Hosoito和t . Shinjo“磁阻的研究有限公司/铜/镍铁/铜多层准备在v型槽底物,”物理评论B,55卷,不。21日,第14466 - 14457页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. d .锯齿,j·m·德·特蕾莎修女,p . a . Algarabel m·r·伊瓦拉和j . Galibert Intergrain磁阻50 T half-metallic (Ba_0.8老_0.2)₂FeMoO₆双钙钛矿:晶界的自旋玻璃行为。”物理评论B,卷71,不。2005年10篇文章ID 104409。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a·保罗·t·达姆·d·e·行窃,s . Stein h . Kohlstedt p·格伦伯格,“优化巨磁阻的镍铁/铜/ Co伪spin-valves由磁控溅射”应用物理快报,卷82,不。12日,第1907 - 1905页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. d . Lottis a . Fert r·莫雷尔et al .,“磁阻在rf-sputtered(镍铁/铜/公司/铜)spin-valve多层膜,“应用物理杂志,卷73,不。10日,5515 - 5517年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 黄x l . Tan h .赵,b . j . h . Stadler“磁阻和自旋转移力矩在电镀有限公司/铜多层与小直径纳米线阵列,”应用物理杂志,卷105,不。7篇文章ID 07 d128 2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. 美国埃尔南德斯,l . Tan b . j . h . Stadler和r·h·Victora“微磁自旋转移力矩的计算有限公司/铜多层纳米线,”应用物理杂志,卷109,不。7篇文章ID 07 c916 2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. l . Tan和b·j·h·施”,制造有限公司/铜多层纳米线的磁行为,”材料研究学报,21卷,不。11日,第2875 - 2870页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. b . j . h . s . Hernndez l . Tan Stadler和r·h·Victora“微磁自旋转移力矩计算有限公司/铜多层纳米线,”应用物理杂志,卷109,不。7篇文章ID 07 c916 2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. s s p·帕金n, k . p .罗氏“振荡交换耦合和磁阻金属超晶格结构:公司/俄文,Co / Cr,和Fe / Cr,”物理评论快报,卷64,不。19日,2304 - 2307年,1990页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. y徐、d .以弗仑和m·r·比斯利”指导非弹性电子跳跃通过metal-insulator-metal超导隧道结,“物理评论B,52卷,不。4、2843 - 2859年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. s。燕,j . Du g . Zangari, j·l·韦斯顿和j·a·巴纳德”调制的硬/软磁性exchange-coupled SmFe /镍铁多层膜,“磁学和磁性材料》杂志上,卷231,不。2 - 3、241 - 245年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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