[發(fā)明專利]超低磁阻尼的軟磁CoFeMnSi合金薄膜及其制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910965485.0
• 申請日: 2019-10-12
• 公開（公告）號: CN110747440A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖政煒;徐鋒;徐展;尤柱;杜金威
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/18;H01F10/12;H01F10/14
• 代理公司: 32203 南京理工大學(xué)專利中心
• 代理人: 鄒偉紅

本發(fā)明公布了一種超低磁阻尼的軟磁CoFeMnSi合金薄膜及其制備方法，屬于磁性薄膜領(lǐng)域。該合金薄膜由原子比為1:1:1:1的四種元素Co、Fe、Mn、Si組成，為B2結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過物理氣相沉積法，通過控制退火溫度在軟磁CFMS合金薄膜上實(shí)現(xiàn)了0.002的超低阻尼，與傳統(tǒng)磁性金屬薄膜相比磁阻尼降低了一個(gè)數(shù)量級，本發(fā)明能夠獲得具有低磁阻尼且保持優(yōu)異磁性能的軟磁薄膜材料，有助于自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磁性材料領(lǐng)域，涉及軟磁CoFeMnSi合金薄膜，尤其涉及一種超低磁阻尼的軟磁CoFeMnSi合金薄膜。

背景技術(shù)

自旋電子學(xué)器件中由于其優(yōu)異的性能受到了科學(xué)家們廣泛的關(guān)注，是如今社會(huì)發(fā)展的重點(diǎn)研究方向。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)在自旋電子學(xué)器件中其臨界電流密度正比于磁阻尼因子，而通過降低磁阻尼即降低臨界電流密度便可實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)電子器件低能耗、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)保持和高的信息密度的工作狀態(tài)，因此研究低磁阻尼的意義深遠(yuǎn)重大。

對磁阻尼的相關(guān)研究以前主要集中在傳統(tǒng)鐵磁材料Co，F(xiàn)eNi，F(xiàn)e等材料上。以Co材料為例，研究發(fā)現(xiàn)Co薄膜磁阻尼值處于0.01左右，由于Co材料為金屬材料，其兩個(gè)自旋子能帶具有金屬性，不能產(chǎn)生高自旋極化的傳導(dǎo)電子，這一特性使其受限不能廣泛使用于新一代自旋電子學(xué)設(shè)備中。因此科學(xué)家在Co金屬材料基礎(chǔ)上，開始研究以Co基Heusler三元合金體系為代表的合金薄膜。與金屬材料相比，Co基Heusler三元合金體現(xiàn)出半金屬性，其兩個(gè)自旋子能帶分別具有金屬性和絕緣性，適用于自旋電子學(xué)器件中。目前已經(jīng)有課題組在Co基Heusler三元合金體系中通過調(diào)控晶體有序度實(shí)現(xiàn)了較低磁阻尼特性。但根據(jù)Kambersky模型可知，磁阻尼與費(fèi)米能級態(tài)密度成正比關(guān)系，Co基Heusler三元合金由于其能帶結(jié)構(gòu)限制，費(fèi)米能級處態(tài)密度仍處于較高的狀態(tài)，并不能實(shí)現(xiàn)超低磁阻尼。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對傳統(tǒng)磁性薄膜無法實(shí)現(xiàn)低磁阻尼的問題，提出了一種超低磁阻尼的軟磁CoFeMnSi(CFMS)合金薄膜及其制備方法。該CFMS合金薄膜特殊的能帶結(jié)構(gòu)使得其存在完全自旋極化的同時(shí)，具有零能隙特征，即費(fèi)米能級處態(tài)密度更低，因此能夠?qū)崿F(xiàn)超低磁阻尼的特性。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：

一種超低磁阻尼的軟磁CFMS合金薄膜，該薄膜利用物理氣相沉積法得到，由原子比為1:1:1:1的四種元素Co、Fe、Mn、Si組成，該合金薄膜為B2結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，當(dāng)薄膜為B2結(jié)構(gòu)時(shí)，合金薄膜單胞間Co和Fe兩者間位置完全無序(可互換)，Mn和Si兩者間位置完全無序(可互換)，合金薄膜中原子占位Wyckoff位置分別為Co占據(jù)4a或4b位置，Mn占據(jù)4c或4d位置。

本發(fā)明提供的一種超低磁阻尼的軟磁CFMS合金薄膜的制備方法，包括以下步驟：

1)在腔體的本底真空度不大于2.0×10^-5Pa的條件下，通入Ar氣，控制氣體流量為20sccm；

2)調(diào)節(jié)腔體氣壓至0.4Pa，打開濺射電源，開始進(jìn)行起輝操作，起輝后進(jìn)行濺射鍍膜，首先濺射一層Ta緩沖層，接著沉積CFMS膜層，鍍膜過程中，每次鍍膜時(shí)的工作氣壓均為0.2Pa；

3)CFMS鍍膜結(jié)束后，開始真空原位退火熱處理，熱處理溫度為600～700℃，退火時(shí)間為30分鐘，自然冷卻，獲得所需高性能的CFMS薄膜。

本發(fā)明中，作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，沉積CFMS膜層以原子比為1:1:1:1的CoFeMnSi作為靶材，CFMS靶材的純度高于99.99％。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1)本發(fā)明在軟磁CFMS合金薄膜上實(shí)現(xiàn)了0.002的超低磁阻尼，與傳統(tǒng)磁性金屬薄膜相比磁阻尼降低了一個(gè)數(shù)量級。