TW201303340A - 量測磁性結構之交換耦合常數之方法 - Google Patents
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Abstract
一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法，其方法包含施加垂直外加磁場步驟，使該磁性結構之磁矩垂直。量測補償溫度點步驟，量測磁性結構之總和磁化量為零時之補償溫度點。施加平行外加磁場步驟，量測磁性結構之補償溫度點。將溫度調整至該補償溫度點步驟，以測出磁性結構之平行場磁滯曲線，其中平行場磁滯曲線斜率之倒數即為交換耦合常數。
Description
本發明是有關於一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法。
由稀土-過渡元素材料所構成的磁性結構之磁化量M是由兩個次晶格子磁化量(subnetwork magnetization)所組成，一為稀土元素磁化量MR，另一為過渡元素磁化量MT。當討論以稀土元素主導的情況時(RE-dominant)，以MR、MT與次晶格子異向性常數KR、KT描述一總能如下：
E tot =H[M R cos(α-θ R )-M T cos(α-θ T )]+[K R sin2 θ R +K T sin2 θ T ]+2π(M R cosθ R -M T cosθ T )2-λM R M T cos(θ R -θ T ) 。
其中，H[M R cos(α-θ R )-M T cos(α-θ T )]為外加場能量密度，[K R sin2 θ R +K T sin2 θ T ]為異向性能量密度，2π(M R cosθ R -M T cosθ T )為去磁能量密度，而λM R M T cos(θ R -θ T )則為稀土與過渡次晶格子之間的交換耦合能量密度。而計算每單位體積在稀土與過渡原子之間的交換能量時，無維度的交換耦合常數λ定為：
其中，Z為平均配位數(即最相近相鄰原子數目)，2J RE - TM 為每一稀土-過渡對(RE-TM pair)的交換能，N為原子數目密度，g RE 與g TM 為迴轉磁因子，且μB(=9.27 x 10-21 emu)為波爾磁子(Bohr magneton)。而無維度交換耦合常數λ可用以作為磁矩反轉強度的判別。
請參照第1A圖及第1B圖，其中第1A圖為一磁性材料之飽合磁化量與矯頑場對成份的關係圖，第1B圖為磁性材料總合磁化量與矯頑場對溫度的關係圖。第1A圖中，橫軸為稀土元素含量比例，縱軸則為磁性材料之飽和磁化量，TM rich表稀土元素成分小於補償點成分(即MR與MT大小相等方向相反時稀土元素成分之含量比例)，而RE rich表稀土元素成分大於補償點成分。當達補償點成分附近時，飽和磁化量MS為零，矯頑場則會產生極大值，且矯頑場與交換耦合常數λ成正比。因此，在越靠近補償點成分時，外加磁場需越大方可使磁矩反轉。再配合第1B圖，當總和磁化量MNET為零時，該溫度值為Tcomp(補償點溫度)。
再配合第2圖，係依照磁性結構以稀土元素主導的情況時(RE-dominant)磁化量方向及大小之示意圖。第2圖中，以2D向量方式呈現MR及MT磁矩而其M值為其向量和，在接近補償溫度點時其MR及MT會呈現反平行態，使之M值為零。
在接近補償點溫度時，θ R 與θ T 為皆為很小的值，上述描寫總能Etot的式子可在忽略θ R 2與θ r 2兩項的情況下解出。在此定義次晶格子異向場為HR=2KR/MR與HT=2KT/MT且在MR>MT的情況下，總能Etot中θ R 與θ T 的解為：
；
此解包含四個未知的項：λ、MR或MT(Ms=|MR-MT|可由交流式梯度磁力計，AGM所測得)、KR、KT；所以在實驗上要測得λ值是一個很複雜的問題。
因此，本發明之一態樣是在提供一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法，其藉由補償溫度點磁性結構磁化量為零的特性，透過磁性結構磁滯曲線之斜率求出交換耦合常數。
依據本發明一實施方式，提供一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法，磁性結構由底層至頂層依序包含基板、第一金屬層、稀土-過渡(RE-TM)合金磁性層、緩衝層以及第二金屬層。量測磁性結構之交換耦合常數之方法包含施加垂直外加磁場步驟，其將磁性結構之溫度降至50K，並施加垂直於稀土-過渡合金磁性層之垂直外加磁場，使稀土-過渡合金磁性層之磁矩垂直並達到飽和。量測補償溫度點步驟，其將垂直外加磁場降至零，並量測稀土-過渡合金磁性層之總和磁化量為零時之補償溫度點。施加平行外加磁場步驟，施加平行於該稀土-過渡合金磁性層之一平行外加磁場。將溫度調整至補償溫度點步驟，其將溫度調整至補償溫度點，並量測稀土-過渡合金磁性結構之平行場磁滯曲線，其中平行場磁滯曲線斜率之倒數即為交換耦合常數。
依據前述實施方式之量測磁性結構之交換耦合常數之方法，更包含扣除該基板之磁滯曲線步驟，在將溫度調整至補償溫度點步驟後，量測基板在補償溫度點之平行場磁滯曲線，再由稀土-過渡(RE-TM)合金磁性層之平行場磁滯曲線扣除基板之該平行場磁滯曲線，藉此，求得一斜率之倒數即為交換耦合常數。
由此上述扣除基板之磁滯曲線步驟，可將基板的反磁訊號去除，進一步準確地求出磁性結構之交換耦合常數。
由於當磁性結構保持在補償溫度點Tcomp時，MR與MT大小相等、方向相反，使總和磁化量MS為零。此時，若外加平行於磁性結構之一平行外加磁場，會造成MR與MT的傾斜角度不同，而可得到一平行於磁性結構的磁化量M ∥ ，以簡化總能Etot的解。而當MR=MT(Ms=0)且α=90°時，總水平磁化量M ∥ 可表示為
藉此，可求出λH/M ∥ 。
請參照第3圖及第4圖，其中第3圖繪示依照本發明一實施方式的一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法之步驟流程圖，第4圖則繪示第3圖方法中所欲量測磁性結構的示意圖。磁性結構200包含基板210、第一金屬層220、稀土-過渡(RE-TM)合金磁性層230、緩衝層240以及第二金屬層250，其中第一金屬層220至第二金屬層250依序堆疊形成於基板210上。
步驟100為施加垂直外加磁場步驟：將磁性結構200之溫度降至50K，並施加垂直於稀土-過渡合金磁性層230之垂直外加磁場，使稀土-過渡合金磁性層230之磁矩垂直於稀土-過渡合金磁性層230並達到飽和。
步驟110為量測補償溫度點步驟：將垂直外加磁場降至零，並量測磁性結構200之補償溫度點Tcomp，其中，在補償溫度點Tcomp下，稀土-過渡合金磁性層230之稀土元素磁化量MR與過渡元素磁化量MT大小相等、方向相反，使磁矩相互抵消而總和磁化量MNET為零。
步驟120為施加平行外加磁場步驟：施加平行於稀土-過渡合金磁性層230之平行外加磁場，並量測稀土-過渡合金磁性層230之稀土元素磁化量MR以及過渡元素磁化量MT皆為零時之補償溫度點TComp，其中補償溫度點TComp為量測磁矩-溫度關係圖中磁化量為零的溫度點。藉此，為確保實驗的一致性，量測外加水平磁場時降溫動作亦是降至50K再升溫至補償溫度點TComp。
步驟130將溫度調整至補償溫度點步驟：將溫度調整至補償溫度點Tcomp，並量測磁性結構200之平行場磁滯曲線。
步驟140為扣除基板之磁滯曲線步驟：由於在量測稀土-過渡合金磁性層230磁化量及磁矩變化時，基板210的背景訊號強烈，容易影響測量結果的準確性。因此，在量測出磁性結構200之平行場磁滯曲線後，再扣除基板210之平行場磁滯曲線，藉此，求得一斜率之倒數即為交換耦合常數。
由第5A圖，其為實施例1-4不同組成比例結構之補償溫度關係圖。第5A圖中，所測之磁性結構200之基板210為SiOx、第一金屬層220為Ta(5nm)、稀土-過渡合金磁性層230為TbFe(5nm以上之薄膜)、、緩衝層240為MgO(1nm)以及第二金屬層250為Ta(5nm)。其中，稀土-過渡合金磁性層230亦可為GdFe、DyFe、TbFeCo、GdFeCo、DyFeCo等材料，而在此不加以敘述。
第5B-1圖至第5B-4圖依序為實施例1-4分別在補償溫度點Tcomp所做出之水平磁滯曲線。第5C-1圖至第5C-4圖則是基板210在補償溫度點Tcomp所做出之水平磁滯曲線以及其乘上磁性結構面積之水平磁滯曲線。第5D-1圖至第5D-4圖則是透過第5B-1圖至第5B-4圖之水平磁滯曲線扣除5C-1圖至第5C-4圖中，乘上磁性結構面積之水平磁滯曲線後所得到的磁滯曲線圖，而其斜率值的倒數即為交換耦合常數λ，其中實施例1之λ為460、實施例2之λ為418、實施例3之λ為916、實施例4之λ為1992。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100-140．．．步驟
200．．．磁性結構
210．．．基板
220．．．第一金屬層
230．．．稀土-過渡(RE-TM)合金磁性層
240．．．緩衝層
250．．．第二金屬層
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1A圖為一磁性材料之飽合磁化量與矯頑場對成份的關係圖。
第1B圖為磁性材料總合磁化量與矯頑場對溫度的關係圖。
第2圖係依照磁性結構以稀土元素主導的情況時(RE-dominant)磁化量方向及大小之示意圖。
第3圖繪示依照本發明一實施方式的一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法之步驟流程圖。
第4圖則繪示第3圖方法中所欲量測磁性結構的示意圖。
第5A圖，係為實施例1-4不同組成比例結構之補償溫度關係圖。
第5B-1圖至第5B-4圖依序為實施例1-4分別在補償溫度點Tcomp所做出之水平磁滯曲線。
第5C-1圖至第5C-4圖則是基板210在補償溫度點Tcomp所做出之水平磁滯曲線以及其乘上磁性結構面積之水平磁滯曲線。
第5D-1圖至第5D-4圖則是透過第5B-1圖至第5B-4圖之水平磁滯曲線扣除5C-1圖至第5C-4圖中，乘上磁性結構面積之水平磁滯曲線後所得到的磁滯曲線圖。
100-140．．．步驟
Claims (2)
- 一種量測磁性結構之交換耦合常數之方法，該磁性結構由底層至頂層依序包含一基板、一第一金屬層、一稀土-過渡(RE-TM)合金磁性層、一緩衝層以及一第二金屬層，該方法包含：一施加垂直外加磁場步驟：將該磁性結構之溫度降至50K，並施加垂直於該稀土-過渡合金磁性層之一垂直外加磁場，使該稀土-過渡合金磁性層之磁矩垂直並達到飽和；一量測補償溫度點步驟：將該垂直外加磁場降至零，並量測該稀土-過渡合金磁性層之總和磁化量為零時之一補償溫度點；一施加平行外加磁場步驟：施加平行於該稀土-過渡合金磁性層之一平行外加磁場；以及一將溫度調整至該補償溫度點步驟：將溫度調整至該補償溫度點，並量測該磁性結構之一平行場磁滯曲線，其中該平行場磁滯曲線斜率之倒數即為交換耦合常數。
- 如請求項1所述之量測磁性結構之交換耦合常數之方法，該方法更包含：扣除該基板之磁滯曲線步驟：在該將溫度調整至該補償溫度點步驟後，量測該基板在該補償溫度點之一平行場磁滯曲線，再由該磁性結構之該平行場磁滯曲線扣除該基板之該平行場磁滯曲線，藉此，求得一斜率之倒數即為交換耦合常數。
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