[发明专利]超低磁阻尼的软磁CoFeMnSi合金薄膜及其制备方法

说明书

本发明公布了一种超低磁阻尼的软磁CoFeMnSi合金薄膜及其制备方法，属于磁性薄膜领域。该合金薄膜由原子比为1:1:1:1的四种元素Co、Fe、Mn、Si组成，为B2结构。本发明通过物理气相沉积法，通过控制退火温度在软磁CFMS合金薄膜上实现了0.002的超低阻尼，与传统磁性金属薄膜相比磁阻尼降低了一个数量级，本发明能够获得具有低磁阻尼且保持优异磁性能的软磁薄膜材料，有助于自旋电子学器件的应用。

技术领域

本发明属于磁性材料领域，涉及软磁CoFeMnSi合金薄膜，尤其涉及一种超低磁阻尼的软磁CoFeMnSi合金薄膜。

背景技术

自旋电子学器件中由于其优异的性能受到了科学家们广泛的关注，是如今社会发展的重点研究方向。科学家研究发现在自旋电子学器件中其临界电流密度正比于磁阻尼因子，而通过降低磁阻尼即降低临界电流密度便可实现自旋电子学电子器件低能耗、稳定的数据保持和高的信息密度的工作状态，因此研究低磁阻尼的意义深远重大。

对磁阻尼的相关研究以前主要集中在传统铁磁材料Co，FeNi，Fe等材料上。以Co材料为例，研究发现Co薄膜磁阻尼值处于0.01左右，由于Co材料为金属材料，其两个自旋子能带具有金属性，不能产生高自旋极化的传导电子，这一特性使其受限不能广泛使用于新一代自旋电子学设备中。因此科学家在Co金属材料基础上，开始研究以Co基Heusler三元合金体系为代表的合金薄膜。与金属材料相比，Co基Heusler三元合金体现出半金属性，其两个自旋子能带分别具有金属性和绝缘性，适用于自旋电子学器件中。目前已经有课题组在Co基Heusler三元合金体系中通过调控晶体有序度实现了较低磁阻尼特性。但根据Kambersky模型可知，磁阻尼与费米能级态密度成正比关系，Co基Heusler三元合金由于其能带结构限制，费米能级处态密度仍处于较高的状态，并不能实现超低磁阻尼。

发明内容

本发明针对传统磁性薄膜无法实现低磁阻尼的问题，提出了一种超低磁阻尼的软磁CoFeMnSi(CFMS)合金薄膜及其制备方法。该CFMS合金薄膜特殊的能带结构使得其存在完全自旋极化的同时，具有零能隙特征，即费米能级处态密度更低，因此能够实现超低磁阻尼的特性。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种超低磁阻尼的软磁CFMS合金薄膜，该薄膜利用物理气相沉积法得到，由原子比为1:1:1:1的四种元素Co、Fe、Mn、Si组成，该合金薄膜为B2结构。

作为优选，当薄膜为B2结构时，合金薄膜单胞间Co和Fe两者间位置完全无序(可互换)，Mn和Si两者间位置完全无序(可互换)，合金薄膜中原子占位Wyckoff位置分别为Co占据4a或4b位置，Mn占据4c或4d位置。

本发明提供的一种超低磁阻尼的软磁CFMS合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)在腔体的本底真空度不大于2.0×10^-5Pa的条件下，通入Ar气，控制气体流量为20sccm；

2)调节腔体气压至0.4Pa，打开溅射电源，开始进行起辉操作，起辉后进行溅射镀膜，首先溅射一层Ta缓冲层，接着沉积CFMS膜层，镀膜过程中，每次镀膜时的工作气压均为0.2Pa；

3)CFMS镀膜结束后，开始真空原位退火热处理，热处理温度为600～700℃，退火时间为30分钟，自然冷却，获得所需高性能的CFMS薄膜。

本发明中，作为一种优选的技术方案，沉积CFMS膜层以原子比为1:1:1:1的CoFeMnSi作为靶材，CFMS靶材的纯度高于99.99％。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明在软磁CFMS合金薄膜上实现了0.002的超低磁阻尼，与传统磁性金属薄膜相比磁阻尼降低了一个数量级。