超灵敏反常霍尔效应的Ta /的CoFe /氧化物/ Ta多层金属膜

抽象的

超高反常霍尔灵敏度已被证明在钽/由CoFe /氧化物/ TA多层。通过改变氧化物(MgO和HfO)₂)和退火温度，在mgo样品和HfO中灵敏度的退火依赖性不同₂样本。mgo样品在沉积态时的异常霍尔灵敏度达到18792 Ω/T，随着退火温度的升高，异常霍尔灵敏度显著降低。相反，沉积态HfO的灵敏度₂-样品仅为765 Ω/T，但随着退火温度的升高，-样品的含量显著增加，在240℃时达到14741 Ω/T。两种样品异常灵敏度变化相反的原因是退火过程中磁各向异性和异常霍尔电阻的变化不同。我们的研究提供了一个新的视角，即氧化物材料的选择和退火处理的优化对异常霍尔灵敏度的重要性。

1.介绍

磁传感器在日常生活和工业生产中发挥着越来越重要的作用，其广泛的应用范围从硬盘的读头[1]，适用于汽车行业的速度和旋转角度检测器[2，甚至对DNA和蛋白质的检测[3.］．目前的磁传感器设计是基于半导体材料中的霍尔效应或磁阻效应，包括磁材料中的各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和隧穿磁阻(TMR)。然而，基于霍尔效应和AMR效应的传感器灵敏度往往较低。另一方面，尽管基于GMR和tmr的传感器可以获得高灵敏度，但复杂的制造过程和较高的成本也是一个障碍。近年来，铁磁体的反常霍尔效应(AHE)因其丰富的物理学[4，5]以及潜在的应用[6，7］．2007年，朱和蔡[8]首次证明了异常霍尔灵敏度高达1200 Ω/T inmultilayers, which is better than the conventional semiconductor Hall sensitivity (about 1000 Ω/T). Subsequently, the strategy adapted to achieve a higher sensitivity was by using ultrathin ferromagnetic films/multilayers with enhanced spin-orbit scattering and tailored magnetic anisotropy that enables large anomalous Hall resistance and low saturation field [9- - - - - -13］．特别是，Lu等。［11]在SiO中的灵敏度为12000 Ω/T₂/ FePt SiO₂优化了FePt成分和厚度的夹层结构薄膜。Zhu等[12]在MgO/CoFeB/Ta/MgO多层膜中显示了23760 Ω/T的灵敏度，通过调节CoFeB和相邻Ta层的厚度。更令人兴奋的是，最近的一项研究报道了异常霍尔灵敏度高达10⁶ Ω/T, which is two orders higher than the best of semiconductors [13］．

虽然实现了超高的灵敏度，但AHE材料与CMOS技术之间的兼容性仍需进一步考虑。例如，在AHE材料中经常使用Pt等重金属来增强异常霍尔电阻大时的自旋轨道散射，但会造成可怕的分流效应，增加成本。CoFeB/MgO异质结构似乎是一个更有前途的材料体系，而常用的氧化物在CMOS技术中是高-硅等材料₂和重油₂．从应用的角度来看，最好是引进同样高的氧化物进入AHE材料中。最后但并非最不重要的是，AHE材料通常需要额外的退火以显示高灵敏度。考虑到退火后工艺对CMOS工艺的影响，有必要进一步优化退火工艺。

在这项工作中，我们证明了超灵敏的AHE在Ta/CoFe/Oxide/Ta多层膜中。通过改变氧化物(MgO和HfO)₂)及退火温度(）， 对面的灵敏度的依赖性MgO的样品和HFO中被发现₂样本。For the MgO-sample, the anomalous Hall sensitivity reaches 18792 Ω/T in the as-deposited state and significantly reduces as增加。相反，沉积态HfO的灵敏度₂-样本只有765个 Ω/T，随温度的升高而显著增大增加，最终在240°C时达到14741 Ω/T。基于角度相关的铁磁共振(FMR)测量和温度相关的输运测量，两个样品的不同灵敏度变化来自于异常霍尔电阻和磁各向异性对温度的不同依赖。这项研究为氧化物的选择和优化提供了新的见解对于获得超高的异常霍尔灵敏度，这两种方法都很重要。

2.实验

所有样品在室温下用磁控溅射法沉积在Si衬底上，样品结构为Ta（0.8）/Co₂₀菲₈₀(0.8)/Oxide(0.8)/Ta(1.0)(均在nm内)，其中氧化物是MgO或HfO₂．热退火在真空炉中进行（优于Torr)，在无外部磁场的情况下放置15分钟。利用光学光刻技术结合氩气技术对大厅酒吧进行了设计⁺物理特性测量系统中传输测量的铣削。FMR测量是在x波段(9.0 GHz)的电子自旋共振光谱仪(JEOL ESR FA-200)中进行的。

3.结果和讨论

反常霍尔灵敏度定义为［12，14),是垂直饱和场和饱和异常霍尔电阻是通过线性外推得到的吗从高场到零场。图的插图1样品Ta(0.8)/Co表现出异常霍尔回路₂₀菲₈₀(0.8)/MgO(0.8)/Ta(1.0) (in nm)在沉积态和不同退火态下，由其中对应的计算。结果，Figure1显示了敏感性为退火温度的函数．当为25°C(沉积态)，of MgO-sample has reached 18792 Ω/T. Nevertheless, the value of的增加而显著减少．当达到140°C，值为8145 Ω/T，较沉积态下降57%。作为进一步增加到240°C，值只有2572 Ω/T。

相比之下，图2表明作为…的函数样本Ta(0.8) /有限公司₂₀菲₈₀（0.8）/HfO₂(0.8) / Ta (1.0) (nm)。与mgo样品不同的是在沉积态HfO中₂样本只有765个 Ω/T.当增加到180°C时，值似乎几乎不变。然而,随着是高于200℃，的值急剧增加。什么时候达到240°C时为14741 Ω/T，约为沉积状态的19倍。的变化趋势是很有趣的关于mgo样品与HfO相反₂样本。为了进一步说明差异，我们选择了以下四种典型样品:沉积态mgo样品、240℃退火态mgo样品、沉积态HfO₂-样品，240°C退火HfO₂样本。

如图所示3.,详细的-H给出了上述四个样本的曲线。在图3(一个)沉积态MgO样品（黑色样品）的曲线表现出明显的线性响应，无磁滞现象。饱和反常霍尔电阻是35.8 Ω和垂直饱和场吗is 20 Oe. By annealing at 240°C, the linear shape of the curve began to degrade, withΩ和，下降到14.2increasing to 150 Oe. Both the reduced而增加是否对敏感性有害，导致显着降低从18792 Ω/T到2572 Ω/T。数字3 (b)显示-H沉积态和240°C退火HfO的曲线₂样本。的值和存放样为28.5 Ω和1000 Oe。在240°C退火，值达到36.4 Ω，而减少到30 Oe。都增加了减少了是否有利于超高灵敏度，导致显着增加从765 Ω/T至14741 Ω/T。

众所周知，垂直饱和场与薄膜的磁各向异性有关。在退火过程中，体积各向异性和界面各向异性都可能发生变化[15，16]为了表征MgO-和HfO中磁各向异性的演变₂-样本，进行面外角相关FMR测量。典型的FMR微分吸收光谱如图所示4(一)，其中共振场和峰谱线宽度定义。数字4(一)表示平面外角相关为沉积态mgo样品。在这里,角定义为外加磁场相对于薄膜法线的方向。的价值可以通过基特尔公式被装配： 哪里和．，，,在第一阶，第二阶单轴各向异性常数，饱和磁化强度，以及相对于该磁化矢量的平衡角拍摄正常，分别。GHz是机器中交流磁场的频率。是旋磁比给定为,在那里，,是朗德因子，玻尔磁子，分别普朗克常数。如图所示4(一)的实验值作为…的函数可以很好地拟合，其中可以获得上述参数。因此，拟合参数，，，，有效磁各向异性常数，以及有效各向异性场根据数字计算4(一)- - - - - -4 (d)列于附表1．

从表1中，清楚地看到，磁各向异性的变化趋势是在MgO-样品和HFO在不同₂样本。对于所沉积MgO的样品，有效磁各向异性常数的两个值和二阶单轴各向异性常数为正，表明样品具有垂直磁各向异性[17].对于具有PMA的样品，垂直方向为易磁化轴；因此垂直饱和场很小。此外，还需要指出的是，由于计算的有效各向异性场is very small (only about 94 Oe), the-H曲线不会表现出明显的矫顽力。对于240℃退火的mgo试样，计算值为和是-4.09×10⁵erg /厘米^3.和erg /厘米^3.,分别。考虑到是负的，< −(1/2)，退火后的mgo试样具有面内磁各向异性(IMA) [17］．对于具有IMA的试样，垂直方向为难磁化轴;因此将会非常大。另一方面，对于沉积的HfO₂-sample的值是负的，< −(1/2)，代表一个典型的IMA角色。然而，通过240℃退火，两者的值和变化到正，表示240℃下退火的HfO₂样品具有PMA用小因此，在MgO样品和HfO样品中，退火过程中磁各向异性的变化趋势相反₂-样品。对于MgO样品，磁各向异性从PMA变为IMA，导致，而HfO₂-sample，磁各向异性从IMA到PMA改变，导致显着降低．

对于铁磁性金属(FM)/氧化物异质结构，界面磁各向异性起主导作用[16]理论上，用第一性原理计算研究了FM/氧化物界面，表明界面磁各向异性受FM-3杂化的强烈影响d和0 2p轨道(18，19］．此外，之前的研究已经报道，FM和氧化物之间的轨道杂化是退火工艺敏感[20，21］．通过退火，活化的氧原子可以迁移到界面，在FM原子和氧原子之间产生键合。需要指出的是，成键程度对轨道杂化很重要，优化成键有利于PMA，而过度和不充分的成键会导致PMA的降解[22］．在我们的样本中，生成焓()为−601.6 kJ/mol，大于HfO₂(−1144.7焦每摩尔)。这意味着结合高频和O Mg之间比这更稳定,因此,在沉积和退火过程中,分别以更有可能偏离化学计量比和氧原子转移到相邻的钴铁层,导致最后FM-O结合程度的差异这两个样本。根据我们最近的研究，在不同的FM/Oxide界面上，退火过程中的氧迁移方向可能是相反的[23］．但由于氧迁移还会受到膜厚、退火温度等因素的影响，所以两种样品中氧迁移的具体差异还需要进一步研究。

除了， AHE敏感性也与，其值表示AHE的幅度。先前的研究报告说，退火工艺会影响内在或外在的机制，导致AHE [的变化24，25］．解释的变化在MgO和HfO₂-样品如图所示3.，分析了不同机理对AHE的贡献。一般来说,,在那里是饱和异常霍尔电阻率，是纵向电阻率，一个表示斜散射的贡献，和表示侧跳以及内在贡献[26- - - - - -30］．需要指出的是，消除了退火过程中厚度的变化;因此相当于．系数和可通过绘制而获得作为…的函数并与实验数据进行线性拟合5(一个)显示了MgO样品在沉积态和240°C退火状态下的线性拟合和是−0.029和μ.ω.⁻¹ 厘米⁻¹分别为沉积状态。通过在240℃下退火，的值和更改为0.002和μ.ω.⁻¹ 厘米⁻¹，虽然从负变为正，两个和通过一个数量级，最终削弱AHE减少。对于重燃油₂-示例中和−0.015和μ.ω.⁻¹ 厘米⁻¹分别为沉积状态。在240°C退火，两者的值和通过一个数量级增加，达到-0.437和μ.ω.⁻¹ 厘米⁻¹,分别。之间的竞争关系和不仅会影响值，而且会影响符号．考虑到。的大幅度增强也有相同的正号和，它表明的影响在HfO的退火过程中，对AHE进行了改进₂-上述分析有力地证明了在MgO-和HfO-中，AHE在退火过程中的变化趋势是不同的₂样本。对于mgo样品，退火后其内部和外部对AHE的贡献都减弱，导致AHE显著降低如图所示3(一个)．而侧跳和内禀贡献显著增强，最终导致如图所示3 (b)．

4.结论

综上所述，在Ta/CoFe/氧化物/Ta多层膜中表现出超灵敏的AHE。对于样品Ta/CoFe/MgO/Ta，AHE灵敏度高达18792 Ω/T为沉积态，而随着退火温度的升高，该值显著降低。对于样品Ta/CoFe/HfO₂/Ta, the value of sensitivity is small in the as-deposited state but increases to 14741 Ω/T by 240°C annealing. The opposite variation of AHE sensitivity in two samples originates from the different change of magnetic anisotropy and anomalous Hall resistance during the annealing process. This work gives new insights that both the choice of oxide material and the optimization of annealing treatment play an important role in the anomalous Hall sensitivity.

利益争夺

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

国家重点基础研究发展计划项目(no . 2015CB921502);国家自然科学基金项目(no . 51331002, no . 51371027, no . 11504019)。关键词:岩石力学，数值模拟，数值模拟，数值模拟

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