Перспективные магнитные наноструктуры с гигантским магнитосопротивлением и высокочувствительные сенсорные элементы на их основе

 © М.А. Миляев

Магниточувствительные материалы и изготовленные на их основе сенсоры входят в состав широкого спектра промышленно выпускаемых устройств различного назначения. Магнитные сенсоры используются: в автомобилях, робототехнике, в устройствах промышленной автоматики, приборах неразрушающего контроля, системах контроля линейного и углового перемещения, устройствах детектирования слабых электромагнитных сигналов, в научных приборах, интегральных датчиках тока, биодатчиках и многих других типах изделий. Характеристики конечных изделий и области их применения в значительной степени определяются свойствами и функциональными характеристиками исходных магниточувствительных материалов, из которых изготавливаются сенсорные элементы. Наиболее часто в качестве таких материалов выступают полупроводниковые пленки, используемые для изготовления элементов Холла, магнитные пленки пермаллоя и различные типы многослойных магнитных наноматериалов. Важное место среди магниточувствительных материалов занимают магнитные наноструктуры с эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС). Их основное преимущество заключается в высоком уровне полезного сигнала по отношению к фону, что обеспечивает более надежное функционирование устройств и повышает предел их чувствительности к магнитному полю. В другом интенсивно изучаемом типе наноструктур, в котором проявляется эффект туннельного магнитосопротивления (ТМС), наблюдается еще более значительное изменение электрического сопротивления в магнитном поле. Однако технология изготовления ТМС наноструктур является гораздо более сложной и дорогостоящей, а устойчивость их свойств к внешним воздействиям – более низкой в сравнении с ГМС наноструктурами. Если ТМС наноструктуры являются основным типом материалов для создания энергонезависимой магнитной памяти (MRAM), то для разработки изделий магнитоэлектроники широкого применения ГМС наноструктуры являются более предпочтительными.

В Институте физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН разработана магнетронная технология получения 2 типов ГМС наноструктур – магнитных металлических сверхрешеток и спиновых клапанов. Изменения электросопротивления в них связаны особенностями движения электронов, обладающих собственным магнитным моментом – спином, в многослойной наноструктуре с различным направлением векторов намагниченности отдельных ферромагнитных слоев, разделенных немагнитными прослойками. В наноструктурах с противоположным направлением намагниченностей соседних слоев (антиферромагнитное упорядочение) реализуется наибольшее опротивление, в случае одинакового направления намагниченностей (ферромагнитное упорядочение) – наименьшее сопротивление. Если в наноструктурах, изготовленных из определенных материалов, в нулевом магнитном поле реализуется антиферромагнитное упорядочение, то при повышении магнитного поля в них изменяется магнитный порядок на ферромагнитный, что сопровождается изменением их сопротивления. В ГМС наноструктурах изменение сопротивления составляет десятки процентов при комнатной температуре. Заметим, что в пленках пермаллоя такое изменение составляет лишь 2–4 %.

Особенностью ГМС сверхрешеток, состоящих из чередующихся слоев магнитных и немагнитных материалов, является «накопление эффекта» при увеличении числа пар слоев. При этом основное изменение сопротивления происходит до поля магнитного насыщения, при котором все магнитные моменты слоев разворачиваются вдоль направления приложенного магнитного поля. Поле насыщения в ГМС сверхрешетках различных составов может варьироваться в широких пределах – от десятков эрстед до десятков тысяч эрстед. Величина поля насыщения является одной из функциональных характеристик магнитных сенсоров, которая задает рабочий диапазон магнитного поля конечных изделий.

В ГМС наноструктурах типа «спиновый клапан» реализуется возможность перемагничивания только одного ферромагнитного слоя по отношению к другому магнитному слою, намагниченность которого «закреплена» в определенном направлении.   Перемагничивание только одного слоя ограничивает величину изменения электросопротивления в магнитном поле до типичных значений 8–15%, однако такое изменение происходит вблизи нулевого магнитного поля, что обеспечивает высокую чувствительность спиновых клапанов к малым изменениям магнитного поля. Данное свойство делает спиновые клапаны более предпочтительными при их использовании в области слабых магнитных полей в сравнении, например, с датчиками Холла.

Для получения ГМС наноструктур в ИФМ УрО РАН используется установка прецизионного магнетронного напыления MPS 4000 C6 (ULVAC, Япония). Особенностью технологии приготовления ГМС наноструктур является высокие требования к выбору оптимальных режимов напыления, обеспечивающих высокую стабильность и точность воспроизведения толщины отдельных слоев в многослойной структуре. Особенно это относится к ГМС сверхрешеткам, функциональные характеристики которых зависят от чрезвычайно малых изменений номинальной, контролируемой по времени напыления, толщины отдельных слоев на уровне десятых, а иногда и нескольких сотых долей нанометра. Типичная толщина отдельных слоев в сверхрешетках составляет 1–2 нм. 

Другой особенностью ГМС наноструктур является вариативность их функциональных характеристик. Накопленный технологических опыт изготовления такого рода наноструктур и понимание физических механизмов, управляющих их свойствами, дает возможность целенаправленно изменять практически важные характеристики таких магниточувствительных наноматериалов в зависимости от поставленной задачи. Ниже приведены примеры четырех типов оптимизированных наноструктур, полученных в 2017-2018 годах в ИФМ УрО РАН.

1. Сверхрешетки Co₉₀Fe₁₀/Cu с рекордным магнитосопротивлением

При использовании особого составного буферного слоя Ta/Ni₄₈Fe₁₂Cr₄₀ получены сверхрешетки с высоким совершенством кристаллической структурой слоев, обладающие рекордным для данного типа наноструктур магнитосопротивлением – 83% при комнатной температуре (рис. 1). На аналогичных сверхрешетках в лаборатории фирмы IBM Паркиным (S. Parkin) в 1998 году было получено наибольшее магнитосопротивление  63%. В литературе известен единственный вариант магнитных ГМС сверхрешеток на основе Co₉₅Fe₅/Cu, также полученных ранее в лаборатории IBM, обладающих более высоким магнитосопротивлением –110%. Однако, в последнем случае были использованы особые, не используемые в промышленности, монокристаллические подложки из (100)MgO, без которых указанная величина магнитосопротивления не может быть достигнута. К тому же, другие свойства таких сверхрешеток (малая величина электросопротивления, большое число пар слоев – 120, значительное отличие свойств при различных направлениях приложения внешнего магнитного поля в плоскости слоев, высокие поля магнитного насыщения) делают невозможным или весьма затруднительным их использование в реальных практических приложениях. Для сверхрешеток Co₉₀Fe₁₀/Cu, изготовленных в ИФМ УрО РАН, использованы стандартные кремниевые подложки, применяемые в радиоэлектронной промышленности. Другие практически важные функциональные характеристики данных сверхрешеток также позволяют использовать данный тип магниточувствительных материалов для разработки широкодиапазонных сенсоров магнитного поля.

Рис. 1. Магнитосопротивление сверхрешеток Co₉₀Fe₁₀/Cu, измеренное при комнатной температуре при приложении магнитного поля в плоскости слоев. Справа – схематичное изображение композиции сверхрешетки; стрелками показаны направления намагниченности в слоях CoFe в нулевом магнитном поле.

2. Сверхрешетки для датчиков больших токов

По заказу предприятия «НПО автоматики» (Екатеринбург) были разработаны ГМС сверхрешетки, обладающие набором свойств, необходимым для их использования в интегральных датчиках больших токов, протекающих в линиях электропередачи (ЛЭП). Сила тока в проводнике может определяться по величине магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током. Для повышения точности измерения слабых магнитных полей в датчике использованы сенсорные элементы на основе пленок пермаллоя с эффектом анизотропного магнитосопротивления, разработанные в УрФУ (Екатеринбург). Для измерений магнитных полей в более широком диапазоне использованы оптимизированные ГМС сверхрешетки (ИФМ УрО РАН). Оптимизация характеристик сверхрешеток была нацелена на получение: магнитосопротивления свыше 30%, линейного изменения магниторезистивной кривой в полях до 6 кЭ, минимального гистерезиса, высокой температурной стабильности до 300^оС и заданного удельного электросопротивления. Сверхрешетки с указанными характеристиками были успешно разработаны. График изменения магнитосопротивления показан на рис. 2.

Рис. 2. Магниторезистивная кривая оптимизированных сверхрешеток Co₇₇Fe₁₇Ni₆/Cu.  Справа – прототип разработанного в «НПО автоматики» датчика тока.

3. Функциональные сверхрешетки с линейным изменением магнитосопротивления и слабым гистерезисом

Для практического использования ГМС наноструктур наиболее важным является не наличие у них максимальной какой-то одной из характеристик, например, величины магнитосопротивления, а наличие эффективного сочетания нескольких характеристик. В фирме NVE Corporation, специализирующейся на выпуске различных магнитных сенсоров, одним из базовых материалов для их изготовления являются ГМС наноструктуры с относительно небольшой величиной магнитосопротивления в 17%, но обладающие высокой линейностью магниторезистивной кривой и небольшим (10–15) Э гистерезисом. График изменения магнитосопротивления от магнитного поля показан на рис. 3 (черная кривая).  В ИФМ УрО РАН  также разработаны сверхрешетки CoFeNi/Cu, обладающие эффективным сочетанием функциональных характеристик, необходимым для их использования в различных магниточувствительных устройствах (рис. 3, красная кривая). Сравнение графиков показывает, что изготовленный в ИФМ УрО РАН вариант сверхрешетки обладает в 1.5 раза большим магнитоспротивлением, в 7 раз более высокой чувствительностью к магнитному полю, в 5 раз более слабым гистерезисом, а также более высокой линейностью зависимости магнитосопротивления от магнитного поля. В зарубежных публикациях не было найдено вариантов магнитных сверхрешеток, обладающих сочетанием указанных характеристик. Следует также отметить, что разработанные металлические сверхрешетки обладают высокой температурной стабильностью до температуры 300^оС, а также более высокой радиационной стойкостью в сравнении, например, с полупроводниковыми материалами.

Рис. 3. Магниторезистивные кривые ГМС наноструктур, разработанных в NVE Corporation (черная кривая) и в ИФМ УрО РАН (красная кривая). Справа – кремниевые пластины диаметром 100 мм, используемые для получения ГМС наноструктур.

4. Спиновые клапаны для датчиков слабых магнитных полей

Разработаны спиновые клапаны, чувствительные к слабым изменениям магнитного поля. Композиция таких наноструктур включает большое число слоев из различных материалов: Ta/(Ni₈₀Fe₂₀)₆₀Cr₄₀/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀/Cu/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀/Ru/Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀/Fe₅₀Mn₅₀/Ta. Целью оптимизации и выбор типов магнитных и немагнитных материалов было получить магниточувствительный материал с нечетной зависимостью магнитосопротивления относительно значения сопротивления в нулевом магнитном поле, с минимальным гистерезисом и высокой чувствительностью. Такое сочетание характеристик требуется для разработки измерительных (аналоговых) сенсоров слабых магнитных полей, в которых реализуется однозначная зависимость их сопротивления от напряженности внешнего магнитного поля. На первом этапе при использовании магнитного сплава Co₇₀Fe₂₀Ni₁₀ был получен вариант спинового клапана с совершенной кристаллической структурой слоев и прямоугольной петлей гистерезиса магнитосопротивления, расположенной симметричной относительно поля  Н=0. На втором этапе с помощью методов литографии были сформированы сенсорные элементы в виде меандров. И на третьем этапе с использованием особой термомагнитной обработки был сформировано магнитное упорядочение, при котором реализуется безгистерезный характер изменения магнитосопротивления. На рис. 4 видно, что полученная магниторезистивная кривая сенсорного элемента располагается симметрично относительно нулевого магнитного поля. Ее наклон отражает высокую чувствительность к магнитному полю – 0.5%/Э.

Рис. 4. Полевая зависимость магнитосопротивления сенсорного элемента, изготовленного в виде меандра с шириной дорожки 40 мкм.

Полученные в ИФМ УрО РАН магнитные сверхрешетки с оптимизированными для конкретных применений характеристиками в настоящее время уже используются на двух отечественных предприятиях для разработки инновационных изделий магнитоэлектроники и спинтроники – на НПО автоматики (Екатеринбург) и НПК «Технологический центр» (Зеленоград). По заказу других заинтересованных предприятий могут быть также разработаны другие типы ГМС наноструктур, оптимизированные для конкретных практических применений, и изготовлены малые партии пластин.

Краткая формула