CoFeB-MgO-CoFeB磁性隧道結(jié)的微加工制作與YIG單晶納米薄膜的濺射生長(zhǎng).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研工作者對(duì)“電子”的研究也在不斷深入。對(duì)于電子的自由度之一——電荷的深入研究，帶動(dòng)了傳統(tǒng)微電子學(xué)的發(fā)展;二十世紀(jì)末以來，人們對(duì)于電子的另一自由度——自旋的研究，帶動(dòng)了自旋電子學(xué)這一新興學(xué)科的崛起。自旋電子學(xué)發(fā)展至今天，在對(duì)自旋流的產(chǎn)生、注入、操控等技術(shù)逐漸被掌握的同時(shí)，形形色色的基于自旋流工作的自旋電子學(xué)器件也在逐漸走入我們的生活。
　　1988年，GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使磁記錄技術(shù)得到了跨越式的發(fā)展，在過去的三十

2、年間，傳統(tǒng)磁記錄硬盤的存儲(chǔ)密度、讀寫速度的極限被不斷刷新。2012年，希捷公司將存儲(chǔ)密度提升到了1Tb/inch2。在提高存儲(chǔ)密度的同時(shí)，越來越多大矯頑力的磁性存儲(chǔ)材料被應(yīng)用到硬盤之中，傳統(tǒng)的硬盤讀頭所產(chǎn)生的磁矩已經(jīng)不足以使存儲(chǔ)單元的磁化方向順利翻轉(zhuǎn)，因而無法完成正常的讀寫操作。面對(duì)傳統(tǒng)磁記錄硬盤發(fā)展的窘境，諸多新型的磁記錄硬盤應(yīng)運(yùn)而生，微波輔助磁記錄便是其中之一。微波輔助磁記錄是利用高頻輔助微波，借助微波場(chǎng)的能量使存儲(chǔ)單元的磁矩能在較

3、小的外加磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)順利翻轉(zhuǎn)。為了在納米尺寸的磁頭上施加高頻微波，基于磁性隧道結(jié)的納米自旋微波振蕩器這一自旋電子學(xué)器件被提出，其根本工作原理便是利用磁性隧道結(jié)中的STT效應(yīng)，在不施加外磁場(chǎng)的前提下，使自由層的磁矩在被釘扎層極化的極化電流驅(qū)動(dòng)下不斷進(jìn)動(dòng)從而發(fā)射高頻微波。
　　本論文的工作之一，便是致力于利用微加工工藝制作用于自旋納米微波振蕩器的磁性隧道結(jié)。在本課題的工作中，我們基于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，設(shè)計(jì)了新型的

4、自旋納米微波振蕩器，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行了模擬，觀測(cè)到了可持續(xù)發(fā)射高頻微波的狀態(tài);我們?cè)O(shè)計(jì)并完善了一整套微加工工藝，用于制作CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，并且在工藝中使用了Lift-Off特殊剝離工藝;經(jīng)過對(duì)濺射條件的不斷優(yōu)化，我們最終成功制作出了CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道結(jié)，將中間層MgO的厚度降低至1nm，并在其中一個(gè)結(jié)面積為10μm×10μm的磁性隧道結(jié)中，觀測(cè)到了9％的TMR比值。
　　隨著自旋電子學(xué)

5、的不斷擴(kuò)展，自旋霍爾磁電阻(SMR)、逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)、自旋塞貝克效應(yīng)(SSE)、自旋泵浦效應(yīng)(Spin Pumping)等逐漸成為了近幾年科學(xué)家研究的熱門課題。在進(jìn)行相關(guān)研究的過程中，必不可少的需要用到一種鐵磁絕緣、鐵磁共振線寬窄、吉爾伯特阻尼系數(shù)小的材料，而YIG恰好可以同時(shí)滿足這些需求，也是目前吉爾伯特阻尼系數(shù)最低的材料。Mingzhong.Wu帶領(lǐng)的課題組在2014年，先后用PLD和磁控濺射儀生長(zhǎng)出了鐵磁共振線寬僅為6

6、.9Oe左右的YIG單晶納米薄膜，用磁控濺射儀生長(zhǎng)的YIG晶體更是打破了現(xiàn)有的材料最低吉爾伯特阻尼系數(shù)的記錄達(dá)到了(8.74±0.33)×10-5。限于國(guó)內(nèi)YIG靶材的質(zhì)量問題，以及生長(zhǎng)技術(shù)的難度問題，國(guó)內(nèi)很少有人可以利用磁控濺射儀成功生長(zhǎng)出鐵磁共振線寬窄、吉爾伯特阻尼系數(shù)低的YIG納米薄膜。
　　本論文的另外一項(xiàng)重要工作便是YIG濺射靶材的燒結(jié)與YIG單晶納米薄膜的濺射生長(zhǎng)。首先，與傳統(tǒng)的固相反應(yīng)燒結(jié)工藝不同，我們利用硝酸氧化燒

7、結(jié)法這一獨(dú)特的燒結(jié)方法，自主燒結(jié)出了尺寸為2 inch、單位質(zhì)量飽和磁化強(qiáng)度為26.2 emu/g的高純度YIG濺射靶材，XRD衍射圖像顯示該靶材的成分為YIG多晶。
　　基于自主燒結(jié)的YIG靶材，我們利用磁控濺射的方式，在無需襯底加熱、無需氧氣反應(yīng)濺射的生長(zhǎng)條件下，成功的在(111)晶向的GGG襯底上，沉積出了同時(shí)具有在微波頻率為9.7 GHz時(shí)低至11.66 Oe的鐵磁共振線寬、微波頻率為9.7 GHz時(shí)位于2751 Oe的鐵