Enhancement of Exchange Coupling Field and Thermal Stability by an Ultra-thin Mn Inserted layer on NiFe/[FeMn/Mn]80/NiFe Multilayers

Annealing effects of exchange bias fields ($H_{2ex}$(top), $H_{lex}$ (bottom)) on composite type NiFe/[FeMn/Mn]$_{80}$/NiFe multilayers have been studied. Three samples with ultra-thin Mn inserted layers on glass/Ta(50 $\AA$)/NiFe(150 $\AA$)/[F $e_{53}$M $n_{47}$(1.25 $\AA$)/Mn(0 $\AA$, 0.11 $\AA$, 0.3 $\AA$)]$_{80}$/NiFe(90 $\AA$)/Ta(50 $\AA$) 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 $\AA$, 9 $\AA$, and 24 $\AA$ were about 0.65, 0.90, and 1.5, respectively. For the sample without Mn inserted layer, the $H_{2ex}$ of 260 Oe up to 300 $^{\circ}C$ disappeared at 350 $^{\circ}C$. For two multilayer samples with ultra-thin Mn layers of 0.11 $\AA$ and 0.3 $\AA$, the $H_{2exs}$ of 310 Oe and 180 Oe up to 300 $^{\circ}C$ endured of 215 Oe and 180 Oe at 350 $^{\circ}C$, respectively. The $H_{ex}$ (bottom)s of three samples decreased from 100 Oe to 70 Oe up to 250 $^{\circ}C$, while these values increased beyond 300 $^{\circ}C$. 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]$_{80}$/NiFe Multilayers.

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

Mn층 삽입에 의한 NiFe/[FeMn/Mn]$_{80}$/NiFe 다층박막에서 열처리에 따른 교환결합세기의 변화를 조사하였다. Ta(50$\AA$)/NiFe(150 $\AA$)/[F $e_{53}$M $n_{47}$(1.25 $\AA$)/Mn(0 $\AA$, 0.11 $\AA$, 0.3 $\AA$)]$_{80}$/NiFe(90 $\AA$)/Ta(50 $\AA$) 다층박막을 이온빔 증착 스퍼터링법으로 제작하였다. 삽입한 Mn 총 두께가 0 $\AA$, 9 $\AA$, 그리고 24 $\AA$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$0^{\circ}C$에서 상부 NiFe층의 교환결합세기는 260 Oe로 유지한 후 35$0^{\circ}C$에서 사라졌다. Mn 삽입층의 두께가 0.11 $\AA$, 0.3 $\AA$인 두개의 시료에 대해, 300 $^{\circ}C$에서 상부 NiFe층의 교환결합세기는 각각 310 Oe와 180 Oe로 유지한 후 40$0^{\circ}C$에서 모두 사라졌다. 한편 하부 NiFe층의 교환결합세기는 250 $^{\circ}C$까지 100 Oe에서 70 Oe로 감소하는 동일한 경향을 보여 주었고, 300 $^{\circ}C$ 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.