[发明专利]一种纳米自旋阀阵列的制备方法

摘要

本发明涉及纳米自旋阀阵列的制备方法，有效解决刻蚀中温度高，使用范围窄，设备昂贵，局限性大，刻蚀速度慢，成本高及不能规模生产的问题，包括如下步骤：选取多孔阳极氧化铝模板，将多孔阳极氧化铝模板进行预处理，选用不同的电镀槽，电化学沉积纳米自旋阀的各层，本发明制备具有多层结构的微小的自旋阀，每个小自旋阀横向尺寸仅数十纳米，按规则的六角密排顺序排列，面密度高达10¹¹/cm²，是横向尺寸在纳米量级的自旋阀阵列，在常温下进行，避免了因高温而引起的层间金属的扩散，不会影响自旋阀性能，对设备和工作环境要求简单，操作方便，速度快，成本低廉，容易实现工业化推广。

主权项

一种纳米自旋阀阵列的制备方法，其特征在于，具体步骤为：一、选取多孔阳极氧化铝模板，孔洞两端是相通的，孔径30‑100nm, 孔间距90～120nm, 面密度10¹¹/cm²，这种模板制备容易，价格也比较低廉；二、多孔阳极氧化铝模板的预处理：（1）在多孔阳极氧化铝模板的一个表面溅射Au和Ta膜，作为电化学沉积时的工作电极，方法是，把多孔阳极氧化铝模板置于磁控溅射中，在多孔阳极氧化铝模板一个表面溅射上一层厚度为400～800nm的Au膜，然后在Au膜上再溅射10～20 nm 厚的Ta膜，作为电化学沉积时的工作电极，以及后续电沉积反铁磁层和铁磁层的种子层，以便使反铁磁材料FeMn合金在面心立方晶面择优生长，从而使反铁磁材料的钉扎作用更强；（2）把上述溅射Au膜和Ta膜的多孔阳极氧化铝模板依次放在丙酮、无水乙醇、去离子水中各浸泡10分钟，超声波清洗5分钟，是清洗和排出孔道内的气泡；所述的丙酮为分析纯；三、采用不同的电镀槽分别电化学沉积纳米自旋阀的各层，克服使用单一槽电化学沉积各层材料带来的各种金属共沉积的缺点，方法是，取槽1、槽2、槽3和槽4，共四个电镀槽，每个电镀槽装有三个电极：（1）参比电极：饱和甘汞电极；（2）辅助电极：Ru0₂／Ti0₂电极；（3）工作电极：上述步骤二中第（2）中制得的预处理后的多孔阳极氧化铝模板；纳米自旋阀由五个层自下向上叠装在一起构成，直径为30‑100nm，五个层依次是，（1）、反铁磁钉扎层，由FeMn合金构成，厚度8～15nm，其中，合金中Mn所占的重量百分比为47%～53%；（2）、铁磁被钉扎层（PFL），由NiFe合金或Co构成，厚度5～10nm，其中，合金中Ni所占的重量百分比为75%～85%；（3）、非磁性金属隔离层，由Cu构成，厚度2～4nm；（4）、铁磁自由层，由NiFe合金或Co构成，厚度3～8nm，其中，合金中Ni所占的重量百分比为75%～85%；（5）、保护层，由Cu构成，厚度10～15nm；所述的槽1内有由FeSO₄·7H₂O，0.3～0.4 mol、MnSO₄ 0.4～0.5mol、（NH₄）₂SO₄ 0.2～0.3 mol、C₆H₅Na₃O₇·2H₂O 0.07～0.15 mol加水至1升制成pH值为3.0～4.0的电镀溶液； 所述的槽2内由FeSO₄·7H₂O  0.02～0.1 mol、H₃BO₃0.4～0.8 mol、NiSO₄·6H₂O 0.5～1mol、C₆H₅Na₃O₇·2H₂O  0.1～0.2 mol加水至1升制成pH值为3.0～4.0的电镀溶液；所述的槽3内有由CoSO₄·7H₂O 0.42mol和H₃BO₃ 0.47 mol加水至1升制成pH值为3.0～4.0的电镀溶液；所述的槽4内有由CuSO₄·5H₂O 0.01～0.02mol和H₃BO₃ 0.4～0.6 mol加水至1升制成pH值为3.0～4.0的电镀溶液；槽1：用来电化学沉积反铁磁钉扎层；当铁磁被钉扎层由NiFe合金构成时，用槽2进行电化学沉积；当铁磁自由层由NiFe合金构成时，使用槽2进行电化学沉积；当铁磁被钉扎层由Co构成时，用槽3进行电化学沉积；当铁磁自由层由Co构成时，使用槽3进行电化学沉积；槽4：分别用来电化学沉积非磁性金属隔离层和保护层；四、电化学沉积：（1）在电化学沉积时，将上述步骤二中第（2）中制得的预处理后的多孔阳极氧化铝模板，其中有膜的表面朝下，另一表面朝上放置，垂直于此模板的方向，加500 Oe‑1000 Oe的均匀外磁场，用来感生铁磁被钉扎层、铁磁自由层的单轴各向异性和排列反铁磁钉扎层的钉扎方向；（2）将LAI200‑PC104任意波形发生卡插入计算机PCI插槽，使用计算机上的LAI200‑PC104任意波形发生卡的控制软件控制脉冲电信号发生器，根据电化学沉积纳米自旋阀的不同层，输出不同的电位，方法是，电化学沉积反铁磁钉扎层，电位选为－1.0～－1.3V；电化学沉积铁磁被钉扎层和铁磁自由层，电位选为－1.0～－1.2V；电化学沉积非磁性金属隔离层和保护层，电位选为－0.3V～－0.4V；所述的LAI200‑PC104任意波形发生卡为成都佳仪科技发展有限公司的LAI200_PC104:1Ch50Msps14Bits任意波形发生卡；（3）根据纳米自旋阀的每层不同材料的电化学沉积的速率，通过计算机上的LAI200‑PC104任意波形发生卡的控制软件分别控制每层不同材料电化学沉积的时间，来控制沉积在预处理后的多孔阳极氧化铝模板内孔洞中纳米自旋阀每一层的厚度；（4）电化学沉积的温度为18‑25℃；（6）每电化学沉积完纳米自旋阀的一层，换槽，换槽时，为防止沉积液交叉污染，把已电化学沉积的模板在去离子水中超声清洗5分钟；（7）电化学沉积按以下顺序进行：反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁性金属隔离层、铁磁自由层、保护层，依次在上述条件下电化学沉积，即得到纳米自旋阀阵列；所述的纳米自旋阀的每层不同材料电化学沉积的速率计算方法为：按上述步骤一至四的（6）条件，分别依次对纳米自旋阀的每一层的不同材料进行电化学沉积，当电流突然急剧增大时，标志着预处理后的多孔阳极氧化铝模板上的孔洞已被填满，记录下此时该层材料电化学沉积所用的时间，预处理后的多孔阳极氧化铝模板的氧化铝模板本身的厚度÷该层材料电化学沉积所用的时间=该层材料在上述电化学沉积条件下的电化学沉积的速率；所述的纳米自旋阀的每层不同材料电化学沉积的速率计算方法，以电化学沉积由NiFe合金构成的铁磁自由层为例：在10μm厚的多孔阳极氧化铝模板的一表面溅射一层厚度为500nm的Au膜，然后在Au膜上再溅射10 nm Ta膜，依次放在丙酮、无水乙醇、去离子水中浸泡10分钟，超声波清洗5分钟，置于槽2内作为工作电极，槽2内装有参比电极：饱和甘汞电极和辅助电极：Ru0₂／Ti0₂电极；槽2内有由FeSO₄·7H₂O 0.07 mol、H₃BO₃ 0.52 mol、NiSO₄·6H₂ O 0.68mol和C₆H₅Na₃O₇·2H₂O  0.17mol加水至1升制成PH 值为3.5的电镀溶液，垂直于此模板加700 Oe的均匀外磁场，用计算机上的LAI200‑PC104任意波形发生卡的控制软件控制脉冲电信号发生器，电位选为－1.2V，温度为20℃，当电流突然急剧增大时，记录此模板的孔洞被沉积满所用的时间9765s，即得出此条件下铁磁自由层的NiFe合金的电化学沉积速率为10μm÷9765s≈1.024nm/s，以此方法类推，计算出纳米自旋阀的每一层的不同材料电化学沉积的速率；所述的FeSO₄·7H₂O、MnSO₄、（NH₄）₂SO₄、NiSO₄·6H₂O、CoSO₄·7H₂O、CuSO₄·5H₂O和C₆H₅Na₃O₇·2H₂O均为分析纯；所述的H₃BO₃的含量为99.999%。