磁性微小结构的磁各项异性研究

论文总字数：19467字

摘 要

过去的几十年中，随着自旋电子学的不断发展，大大推动了有关薄膜磁性阵列磁学基本性质的研究。之所以对磁性阵列的研究十分热门，是因为它具有很强的实际应用价值，可用来制作各类自旋电子器件，例如：作为读写磁头的工业制备材料以及磁随机存储器（MRAM）的部分组件。关于此方面的研究，已有文章报道过光刻成不同图案的磁性薄膜与未经光刻的薄膜，其矫顽力的大小是有区别的[1]。

本文介绍了磁光克尔效应（MOKE）的基本原理并同时通过理论推导给出了克尔旋转角的表达式，另一方面介绍了聚焦磁光克尔效应系统(F-MOKE)测量样品表面不同长宽比矩形结构的实验结果，实验结果表明，在难轴方向的矫顽力比易轴方向的矫顽力更容易受到样品长宽比的影响。实验中，所用的样品为CoFeB，其制备方法为先在Si衬底上使用光刻胶光刻出不同长宽比的矩形图案，然后在刻蚀好的图案上生长CoFeB样品。

关键词：磁性微小结构，聚焦MOKE系统， CoFeB，磁各向异性。

The study of magnetic anisotropy in magnetic micro-structures

Abstract

In the past decades, the development of spintronics has driven increasing investigative efforts on magnetic properties of patterned films for their potential applications, for example read or write heads and magnetic random access memory(MRAM) elements. It has been reported that the patterned magnetic films possess different coercivity compared with continuous films [1].

This paper primarily introduces the principle of magneto-optical Kerr effect(MOKE) and the experimental results in different aspect ratio of rectangles measured by Focused-MOKE system. The results show that the coercivity of the samples in the hard axis is more sensitive than that in the easy axis. In the experiment, the sample is CoFeB, which is patterned as rectangles with different length to width ratio by means of lithography.

Key words: magnetic micro-structures, Focused-MOKE, CoFeB, and magnetic anisotropy.

目录

摘要…………………………………………………………………………… 1

Abstract……………………………………………………………………… .. 2

第一章 绪论………………………………………………………………….. 1

1.1 引言……………………………………………………..................... 1

1.2巨磁电阻效应………………………………………………………...1

1.3 磁性随机存储器（MRAM）………………………………………..2

第二章 磁光学基础………………………………………………………….. 4

2.1 引言…………………………………………………………………. 4

2.2 磁学简介……………………………………………………………. 4

2.2.1 磁性起源……………………………………………………… 4

2.2.2 磁性的分类…………………………………………………… 4

2.2.3 材料的磁化…………………………………………………… 5

2.3.4 磁晶各向异性………………………………………………… 6

2.3 磁光克尔效应（Magneto-Optical Kerr Effect）… ………………...7

2.3.1 克尔效应简介………………………………………………… 7

2.3.2 克尔旋光角的理论推导……………………………………… 7

第三章 实验测量………………………………………..……………………..11

3.1 Focused-MOKE系统的建立……………………..…………………... ...11

3.1.1 Foucsed-MOKE系统………………………..………………….11

3.1.2 锁相放大器………………………..…………………………....13

3.1.3 光桥平衡放大电路……………..………………………………14

3.1.4 电磁铁图纸………………………..……………………………14

3.2 CoFeB微小结构的测量……………..……………………………… .. ….14

3.2.1 CoFeB样品的制备与测量方法..………………………….. .…16

3.2.2背景噪音信号的处理……..…………………………………......17

3.2.3测量结果分析……………..……………………………… ……18

参考文献 ……………..……………………………………….………….........21

致谢……………..………………………………….…………………………...22

1. 绪 论

1.1 引言

近些年来，磁性随机存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）和超高密度存储技术有了长足的发展，作为其基本制造材料的磁性薄膜和超薄膜一直是研究的热点。其磁学性质、层间相互作用以及薄膜结构等被广泛的研究。而随着光刻技术的发展和磁性超薄膜制备工艺的日趋完善，利用光刻技术制备微米、亚微米尺寸的磁性单元阵列成为可能。由于其磁性单元阵列尺寸和实际应用器件尺寸相关，并且具有不同于完整磁性薄膜的磁学性质，如磁各向异性、磁化强度和矫顽力等，所以是一个重要的磁学领域。磁性薄膜的器件的小型化和其表面的图案阵列对自旋电子学器件的工作性能有着举足轻重的影响。在边长为100nm左右的正三角阵列中，已发现磁各向异性与三角形图案的大小以及薄膜的厚度有关[2]。

磁性薄膜及微小磁性结构的磁学性质是自旋电子学中的重要研究内容。自旋电子学（Spintronics）作为微电子学中的新兴领域，它的英文名是由Spin和Electronics两个词构成的组合词。从这两个英文单词就可以看出，自旋电子学主要研究电子的自旋性质，并利用其自旋方向的不同制作各类电子器件。自旋是电子的重要内禀属性，自从19世纪末塞曼效应被观察到后，电子的自旋特性就已经被人们所发现。然而，现代微电子技术中，各类器件工作时只利用了电子的电荷属性，却忽视了电子的自旋属性。直到巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance，GMR)发现并给出了理论上的解释后，人们才开始认识到电子自旋这一属性的应用价值。九十年代中期，美国IBM公司研制出基于巨磁电阻效应的读磁头，这一发明使得磁盘存储密度瞬间提高了17.3倍，达到5.1Gbit/in²，对于磁盘存储来说，这是一个里程碑式的发展。1997年美国研发出巨磁电阻纳米结构器件，使巨磁电阻效应的应用范围更广。GMR从实验发现到进入实际应用表明了基础研究的重要性，它展示了一个基础科学研究的发现引领了技术革新并迅速在实际生产中大量应用，如硬盘，内存等计算机原件，因此也深远的影响了现代信息科学。此外，自旋电子学在微电子领域有着更为广阔的应用，例如自旋场效应晶体管、磁性随机内存、自旋发光二极管等等，人们希望新的自旋电子学器件能够替代传统的电子器件，因为其高数据处理速度、低能耗、高集成度和非易失性等优点是传统器件所不能比拟的。

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