Anisotropía magnética perpendicular y cambio magnético inducido por hidrogenación de multicapas de Ta / Pd / CoFeMnSi / MgO / Pd

Bucles M-H en el plano y fuera del plano de las películas de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recocidas a diferentes temperaturas. un Como depositado. b 250 ° C. c 300 ° C. d 350 ° C. e 400 ° C. f 450 ° C

Con el fin de aclarar el efecto interfacial sobre el PMA en las películas de Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd, los bucles M-H de diferentes pilas de películas se muestran en la Fig. 3a-c. Como se muestra en la Fig. 3a, la película sin capa de MgO presenta un fuerte comportamiento IMA. Pero para la película sin la capa inferior de Pd, el eje de magnetización fácil de la muestra de Ta / CFMS / MgO / Pd exhibe un ligero cambio de la dirección en el plano, mostrando el IMA débil (Fig. 3b). El PMA fuerte se observa en la película después de insertar las capas de Pd y MgO (es decir, Ta / Pd / CFMS / MgO / Ta) como se ve en la Fig.3c, lo que implica que tanto la interfaz Pd / CFMS como CFMS / MgO son esenciales para la realización de PMA, y la contribución de la interfaz CFMS / MgO a la PMA juega un papel importante [12, 17]. Es decir, una cantidad apropiada de enlaces Co-O en la interfaz CFMS / MgO es útil para lograr el PMA óptimo. La capa delgada de MgO hace que el CFMS / MgO no se oxide (Fig. 1a, b), y la capa gruesa de MgO hace que el CFMS / MgO se oxide en exceso (Fig. 1d), lo que debilita la PMA [11]. Como se muestra en la Fig. 1c, la muestra con t _MgO =1.3 nm tiene los enlaces Co-O adecuados en la interfaz CFMS / MgO para obtener PMA fuerte.

Los bucles M-H de a Ta / Pd / CFMS / Pd, b Ta / CFMS / MgO / Pd y c Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recocido a 300 ° C y d la dependencia del espesor de la capa CFMS de K _ef × t _CFMS producto para Ta / Pd / CFMS ( t _CFMS ) / MgO (1.3 nm) / Pd recocido a diferentes temperaturas

Para cuantificar la fuerza de PMA en las películas de Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd, la constante de anisotropía efectiva K _ef está dado por

donde K _V y K _S son la anisotropía a granel y de interfaz, respectivamente. K _ef está determinada por las diferencias de energía de magnetización entre las direcciones de magnetización dura y fácil. El K positivo _ef representa PMA, y el K negativo _ef representa IMA. El producto de K _ef × t _CFMS en función de t _CFMS para Ta / Pd / CFMS ( t _CFMS ) / MgO (1,3 nm) / Pd películas recocidas a diferentes temperaturas se muestra en la Fig. 3d. Todas las películas depositadas presentan el negativo K _ef , lo que implica la ausencia de PMA. El PMA de las películas recocidas a 250 ° C solo se puede observar con t _CFMS =1,9 nm. Para las películas recocidas a 300 ° C, el PMA se puede mantener dentro de una amplia t _CFMS rango (por debajo de 2,7 nm). El K más grande _ef el valor de la muestra es 5,6 × 10 ⁵ erg / cm ³ (5,6 × 10 ⁴ J / m ³ ) con t _CFMS =2,3 nm.

Como se muestra arriba, el PMA es muy sensible al ambiente interfacial, que también podría verse afectado por la absorción o desorción de gas del metal noble Pd. Por tanto, se investigó el cambio magnético inducido por la hidrogenación en películas de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recocidas a 300ºC. Los bucles M-H se comprobaron en diferentes atmósferas de gas mediante la variación de H ₂ concentración como se muestra en la Fig. 4a. Como se indica aquí, los bucles M-H no pueden verse afectados por el nitrógeno puro N ₂ y atmósferas de argón Ar puro (los datos no se muestran aquí). Después de presentar H ₂ , el bucle M-H cambia significativamente y el eje de magnetización fácil se aleja de la dirección fuera del plano, mostrando un gran campo de saturación de la curva magnética fuera del plano. Se encuentra que el campo de saturación aumenta al aumentar H ₂ concentración. La muestra exhibe una excelente sensibilidad al hidrógeno bajo un pequeño campo magnético aplicado (<30 Oe). La Figura 4b muestra los bucles M-H medidos bajo la atmósfera de aire antes y después de la adición de H ₂ . Se puede ver que el bucle M-H ha vuelto al estado inicial después de eliminar H ₂ . Como se muestra en la Fig. 4c, M _r disminuye de 123,15 a 30,75 emu / cm ³ (disminuyó un 75%) y el campo de saturación (H _k ) aumenta de 5,5 a 18 Oe al aumentar H ₂ concentración de 0 a 5%.

Los bucles M-H fuera del plano para películas de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recocidos a 300 ° C. un Bajo H ₂ Introducción. b Comparación después de eliminar H ₂ . c La dependencia de M _r y H _k en H ₂ concentración

La Figura 5 muestra la dependencia de la resistividad de Hall en el tiempo para H ₂ absorción y desorción en Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recocido a 300 ° C. Como se muestra en la Fig.5, H ₂ La tasa de absorción es más rápida que la tasa de desorción. La resistividad de Hall aumentó gradualmente hasta saturarse en 70 minutos después de haber sido expuesta a H ₂ . Sin embargo, al introducir N ₂ expulsar H ₂ , la resistividad de Hall solo disminuye un 60% debido a H ₂ no desorbido . La resistividad Hall aumentó / disminuyó rápidamente al principio (primeros 10 min) bajo los procesos de H ₂ absorción / desorción, ya que la resistividad hall está relacionada principalmente con la capa magnética (CoFeMnSi). Por lo tanto, se puede deducir que los cambios de resistividad al principio se originan principalmente a partir de las variaciones interfaciales entre las capas de Pd y CoFeMnSi debido a H ₂ absorción / desorción. El cambio de resistividad en la etapa posterior podría ser el cambio intrínseco de las películas multicapa debido al H ₂ absorbido . En comparación con la Fig. 4b, la detección magnética de películas multicapa podría ser muy reproducible debido a la buena recuperación del rendimiento magnético en comparación con las variaciones de resistividad.

La dependencia de la resistividad de Hall en el tiempo bajo H ₂ absorción y desorción para películas de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recocidas a 300 ° C

Como se mencionó anteriormente, el cambio magnético inducido por la hidrogenación proviene principalmente de la tensión que actúa sobre la película con H ₂ absorción de Pd en el sistema de película de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd [19]. Se sabe que el Pd es un catalizador eficaz para disociar la molécula de hidrógeno [4]. Las moléculas de hidrógeno se adsorben y se disocian en átomos de hidrógeno en la superficie de la capa de Pd. La red de Pd podría expandirse con la absorción de átomos de hidrógeno [20], que a su vez tiene tensión de tracción en su capa adyacente de MgO y CFMS, lo que conduce al magnetismo controlable de CoFeMnSi. Después de descargar H ₂ , los átomos de hidrógeno pueden escapar de la superficie de la membrana de Pd [21], provocando la recuperación del rendimiento magnético.