Патент на изобретение №2334306

(54) МНОГОСЛОЙНАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНАЯ НАНОСТРУКТУРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом. В многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, на котором расположена первая и вторая магнитомягкие пленки, поверх которой размещен второй защитный слой, между первой и второй магнитомягкими пленками расположен полупроводниковый разделительный слой, компонентом которого является кремний. Толщина этого разделительного слоя достаточна для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками. Полупроводниковый слой может быть выполнен, в частности, из карбида кремния. Изобретение обеспечивает получение многослойной МР наноструктуры, имеющей зависящее от внешнего магнитного поля поле перемагничивания входящих в нее магнитомягких пленок, что расширяет функциональные возможности наноструктуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках на основе многослойных тонкопленочных наноструктур с анизотропным магниторезистивным эффектом.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры, имеющей зависящее от внешнего магнитного поля поле перемагничивания входящих в нее магнитомягких пленок, что расширяет функциональные возможности наноструктуры.

Указанный технический результат достигается тем, что в многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре, содержащей первый защитный слой, на котором расположена первая и вторая магнитомягкие пленки, поверх которой размещен второй защитный слой, между первой и второй магнитомягкими пленками расположен полупроводниковый разделительный слой, компонентом которого является кремний, и толщина этого разделительного слоя достаточна для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками. Полупроводниковый слой может быть выполнен, в частности, из карбида кремния.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что при создании в многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре полупроводникового разделительного слоя карбида кремния, расположенного между двумя магнитомягкими пленками, возникает магнитное взаимодействие между каждой магнитомягкой пленкой и прилегающим к ней вышеуказанным разделительным полупроводниковым слоем. Это магнитное взаимодействие приводит к нелинейному изменению величины поля перемагничивания тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры в зависимости от величины перемагничивающего магнитного поля. Объяснить этот эффект можно, предполагая, что с ростом величины перемагничивающего магнитного поля, увеличивается магнитное взаимодействие между прилегающими друг к другу магнитомягким и полупроводниковым слоями. Это магнитное взаимодействие меняет энергию доменных границ в магнитомягкой пленке, что приводит к нелинейному изменению их скорости движения под действием внешнего магнитного поля, т.е. экспериментально наблюдаемой нелинейной зависимости изменения поля перемагничивания многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура в разрезе; на фиг.2 приведены осциллограммы сигналов перемагничивания в переменном магнитном поле (дифференциальная восприимчивость) Ti-FeNi-SiC-FeNi-Ti наноструктур; на фиг.3 представлена зависимость поля перемагничивания Ti-FeNi-SiC-FeNi-Ti наноструктуры от величины внешнего магнитного поля.

Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура содержит два защитных слоя 1, 2 (фиг.1), между которыми сформированы две магнитомягкие пленки 3, 4 с разделяющим их полупроводниковым слоем 5, который, в частности, может состоять из карбида кремния. Защитные слои 1, 2 обычно выполняются из высокорезистивных немагнитных металлов (Ti, Та) или их нитридов толщиной 3-5 нм. Их задача – защита магнитомягких пленок 3, 4 от внешних воздействий при изготовлении и эксплуатации наноэлементов на их основе, в первую очередь, от влияния кислорода.

Работа многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры происходит следующим образом. На фиг.2 представлены сигналы перемагничивания (дифференциальная восприимчивость) Ti-FeNi-SiC-FeNi-Ti наноструктуры, наводимые в катушке считывания, при действии на них внешнего переменного магнитного поля Н. При толщине полупроводникового слоя 5 не менее 5 нм обменное взаимодействие между двумя магнитомягкими пленками 3, 4 наноструктуры не сказывается на их магнитном состоянии. Благодаря магнитостатическому взаимодействию между этими магнитомягкими пленками, они в статическом состоянии намагничены антипараллельно друг другу. При воздействии на наноструктуру переменного внешнего магнитного поля обе магнитомягкие пленки 3, 4 перемагничиваются одновременно, т.е. многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура имеет единое поле перемагничивания.

Нами установлено, что величина магнитного взаимодействия между магнитомягкими пленками 3, 4 и разделительным полупроводниковым слоем карбида кремния 5 многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры зависит от величины внешнего магнитного поля H, что приводит к нелинейной зависимости поля перемагничивания наноструктуры Н_пер(Н). При небольшой величине Н (фиг.3) величина Н_пер – постоянна, затем с ростом Н происходит падение ее величины и потом дальнейшее восстановление величины Н_пер и отсутствие ее изменения с ростом Н. В ряде случаев восстановленное значение Н_пер может быть немного больше или меньше своего первоначального значения. Также могут меняться абсолютные значения поля перемагничивания магниторезистивной наноструктуры и диапазон магнитного поля, в котором это происходит в зависимости от толщины слоев данной магниторезистивной наноструктуры и режимов ее получения.

Для увеличения влияния этого магнитного взаимодействия между прилегающими друг к другу магнитомягкой пленкой 3 или 4 и полупроводниковым слоем 5 необходимо устранить обменное взаимодействие между двумя магнитомягкими пленками 3, 4 многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры. Обменное взаимодействие приводит к параллельному намагничиванию обеих магнитомягких пленок 3, 4 и их поведение соответствует свойствам единой магнитомягкой пленки. Уменьшение обменного взаимодействия между магнитомягкими пленками 3, 4 достигается использованием толщины разделительного полупроводникового слоя 5, расположенного между этими пленками, достаточной для устранения обменного взаимодействия. Обычно достаточно, чтобы толщина полупроводникового разделительного слоя 5 была не менее 3-4 нм при толщине магнитных пленок до 15 нм. Таким образом, появляется возможность для создания новых микро- и наноэлементов, принцип действия которых учитывает, что поле перемагничивания магнитомягких пленок, входящих в многослойную тонкопленочную магниторезистивную наноструктуру, нелинейно зависит от величины воздействующего на них внешнего магнитного поля.

Приведенные результаты показывают, что между магнитомягкими пленками 3, 4 и разделительным полупроводниковым слоем карбида кремния 5 многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуре существует магнитное взаимодействие, зависящее от величины внешнего магнитного поля. Можно дать предположительное объяснение наблюдаемой полевой зависимости процессов перемагничивания, состоящее в том, что благодаря взаимной диффузии полупроводникового слоя и магнитомягкой пленки образуется тонкий, порядка одного- двух атомных слоев, интерфейс с намагниченностью, изменяющейся при увеличении амплитуды перемагничивающего переменного магнитного поля. Это приводит к нелинейной зависимости поля перемагничивания многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры.

Таким образом, в предложенной тонкопленочной многослойной магниторезистивной наноструктуре при воздействии на нее внешнего магнитного поля происходит нелинейное изменение поля перемагничивания магнитомягких пленок 3, 4 в зависимости от амплитуды магнитного поля. Физически это означает нелинейную зависимость скорости движения доменных границ в магнитомягких пленках 3, 4 при воздействии на них внешнего магнитного поля. Такое поведение многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры позволяет создавать наноэлементы с новыми принципами работы, в первую очередь, пороговые логические магниторезистивные наноэлементы. Отметим так же, что использование полупроводникового слоя карбида кремния 5 приводит к уменьшению величины коэрцитивной силы многослойной тонкопленочной магниторезистивной наноструктуры. что означает уменьшение энергии доменных границ магнитомягких пленок 3, 4 и приведет к улучшению технических характеристик наноэлементов на их основе, в первую очередь, уменьшению гистерезиса и токов управления этих наноэлементов.

Формула изобретения

1. Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура, содержащая первый защитный слой, на котором расположена первая магнитомягкая пленка, вторая магнитомягкая пленка, поверх которой размещен второй защитный слой, а между первой и второй магнитомягкими пленками расположен разделительный слой, отличающаяся тем, что разделительный слой выполнен из полупроводникового материала, компонентом которого является кремний, и толщина этого разделительного слоя достаточна для устранения обменного взаимодействия между первой и второй магнитомягкими пленками.

2. Многослойная тонкопленочная магниторезистивная наноструктура по п.1, отличающаяся тем, что разделительный слой выполнен из карбида кремния.

РИСУНКИ