NiFe/[FeMn/Mn]80/NiFe 다층박막에서 극-초박막 Mn 삽입에 의한 교환결합세기와 열적 안정성 향상

Abstract

Mn층 삽입에 의한 NiFe/[FeMn/Mn]<TEX>$_{80}$</TEX>/NiFe 다층박막에서 열처리에 따른 교환결합세기의 변화를 조사하였다. Ta(50<TEX>$\AA$</TEX>)/NiFe(150 <TEX>$\AA$</TEX>)/[F <TEX>$e_{53}$</TEX>M <TEX>$n_{47}$</TEX>(1.25 <TEX>$\AA$</TEX>)/Mn(0 <TEX>$\AA$</TEX>, 0.11 <TEX>$\AA$</TEX>, 0.3 <TEX>$\AA$</TEX>)]<TEX>$_{80}$</TEX>/NiFe(90 <TEX>$\AA$</TEX>)/Ta(50 <TEX>$\AA$</TEX>) 다층박막을 이온빔 증착 스퍼터링법으로 제작하였다. 삽입한 Mn 총 두께가 0 <TEX>$\AA$</TEX>, 9 <TEX>$\AA$</TEX>, 그리고 24 <TEX>$\AA$</TEX>인 다층박막에 대해 조사된 fcc 결정조직의 x-선 회절세기의 비인 NiFe(111)/FeMn(111)값은 각각 0.65, 0.90, 그리고 1.5이었다. Mn이 삽입되지 않은 시료인 경우, 열처리 온도 30<TEX>$0^{\circ}C$</TEX>에서 상부 NiFe층의 교환결합세기는 260 Oe로 유지한 후 35<TEX>$0^{\circ}C$</TEX>에서 사라졌다. Mn 삽입층의 두께가 0.11 <TEX>$\AA$</TEX>, 0.3 <TEX>$\AA$</TEX>인 두개의 시료에 대해, 300 <TEX>$^{\circ}C$</TEX>에서 상부 NiFe층의 교환결합세기는 각각 310 Oe와 180 Oe로 유지한 후 40<TEX>$0^{\circ}C$</TEX>에서 모두 사라졌다. 한편 하부 NiFe층의 교환결합세기는 250 <TEX>$^{\circ}C$</TEX>까지 100 Oe에서 70 Oe로 감소하는 동일한 경향을 보여 주었고, 300 <TEX>$^{\circ}C$</TEX> 이상부터는 증가하는 경향이 관찰되었다. 다층박막 내에 뿔뿔이 산란하여 이동하는 Mn 원자의 확산은 주로 결정 조직의 결함이 생성되고 치밀도가 약한 상부 NiFe 층에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 극 초박막 형태로 Mn 원자층의 삽입에 의한 NiFe/[FeMn/Mn]80/NiFe 다층박막에서 교환결합세기와 열적 안정성 향상을 보여 주었다. Annealing effects of exchange bias fields (<TEX>$H_{2ex}$</TEX>(top), <TEX>$H_{lex}$</TEX> (bottom)) on composite type NiFe/[FeMn/Mn]<TEX>$_{80}$</TEX>/NiFe multilayers have been studied. Three samples with ultra-thin Mn inserted layers on glass/Ta(50 <TEX>$\AA$</TEX>)/NiFe(150 <TEX>$\AA$</TEX>)/[F <TEX>$e_{53}$</TEX>M <TEX>$n_{47}$</TEX>(1.25 <TEX>$\AA$</TEX>)/Mn(0 <TEX>$\AA$</TEX>, 0.11 <TEX>$\AA$</TEX>, 0.3 <TEX>$\AA$</TEX>)]<TEX>$_{80}$</TEX>/NiFe(90 <TEX>$\AA$</TEX>)/Ta(50 <TEX>$\AA$</TEX>) were prepared by ion beam sputtering. The average x-ray diffraction peak ratios NiFe(111) of FeMn (111) fcc textures for the Mn inserted total thicknesses of 0 <TEX>$\AA$</TEX>, 9 <TEX>$\AA$</TEX>, and 24 <TEX>$\AA$</TEX> were about 0.65, 0.90, and 1.5, respectively. For the sample without Mn inserted layer, the <TEX>$H_{2ex}$</TEX> of 260 Oe up to 300 <TEX>$^{\circ}C$</TEX> disappeared at 350 <TEX>$^{\circ}C$</TEX>. For two multilayer samples with ultra-thin Mn layers of 0.11 <TEX>$\AA$</TEX> and 0.3 <TEX>$\AA$</TEX>, the <TEX>$H_{2exs}$</TEX> of 310 Oe and 180 Oe up to 300 <TEX>$^{\circ}C$</TEX> endured of 215 Oe and 180 Oe at 350 <TEX>$^{\circ}C$</TEX>, respectively. The <TEX>$H_{ex}$</TEX> (bottom)s of three samples decreased from 100 Oe to 70 Oe up to 250 <TEX>$^{\circ}C$</TEX>, while these values increased beyond 300 <TEX>$^{\circ}C$</TEX>. This observation can be attributed to less diffusive path of Mn atoms in bottom NiFe than top NiFe layer. The top and bottom coercive fields slightly varied about 5 Oe∼10 Oe. From these results, we could obtain the enhancement of exchange coupling intensity and thermal stability by an ultra-thin Mn inserted layer on NiFe/[FeMn/Mn]<TEX>$_{80}$</TEX>/NiFe Multilayers.