Modification of Magnetic Properties of Pt/Co/Pt Films by Ga⁺ Ion Irradiation: Focused versus Uniform Irradiation

Abstract

30 keV Ga + irradiation-induced changes of magnetic and magneto-optical properties of sputtered Pt/Co/Pt ultrathin trilayers films have been studied as a function of the ion fluence. Out-of-plane magnetic anisotropy states with enhanced magneto-optical effects were evidenced for specific values of cobalt thickness and irradiation fluence. Results obtained after uniform or quasi-uniform focused ion beam irradiation on either out-of-plane or in-plane magnetized sputtered pristine trilayers are compared. Similar irradiation-induced magnetic changes are evidenced in quasi-uniformly focused ion beam or uniformly irradiated films, grown either by sputtering or molecular beam epitaxy. We discuss on plausible common mechanisms underlying the observed effects.

SEU Mechanisms in Spintronic Devices: Critical Parameters and Basic Effects

“…This possibility is corroborated by [28] where it is demonstrated that over a fluence of 10 14 ions/cm 2 the 2 blocks become ferromagnetically coupled and behave as a single thicker ferromagnetic layer. Accordingly, the loss of perpendicular Magnetic Anisotropy was documented in CoPt multilayers over 10 15 Ga + ions/cm 2 irradiation in [30] and in [31]. In particular, the substitution of Ta, as the cap layer, with W seems to be beneficial to avoid deleterious material inter diffusion [32].…”

Ion irradiation modulated magnetic properties of materials and its applications

“…(a-f)不同剂量的 30 keV Ga + 辐照 Pt/Co/Pt 结构后测得的磁滞回线，以及剩磁与辐照剂量 之间的依赖关系 [36] ； Figure 1. (a-f)The measured hysteresis loops of 30 keV Ga + irradiated Pt/Co/Pt structures at different doses, and the dependence between remanence and irradiation dose [36] ; 除了能够降低垂直磁各向异性外，选用部分种类和能量的离子，可以使多层 膜结构转变为合金结构，并形成特殊的晶相，进而增大其垂直磁各向异性。T.…”

“…Devolder [34] 等人利用 30 keV He + 在 0-3×10 16 促进的 Pt/Co 合金化主要发生在上界面，而下界面则发生由层间扩散引起的粗糙 度增加。J.Jaworowicz [35] 等人系统地研究了辐照导致样品合金化的规律以及内在 机制。他们的实验结果表明，在 30 keV Ga + 辐照 Pt/Co 结构的过程中，垂直各向 异性将随着剂量呈非单调的变化。这是由于界面混杂程度、形状各向异性、以及 形成的 L1 0 相 CoPt 晶体中的磁晶各向异性相互竞争所导致的。I.Sveklo [36] 等人 也得到了类似的结果。该实验结果显示，Co/Pt 多层膜在经过能量为 30 keV、 剂 量为 0-0.2×10 15 ，45 keV Xe + ，35 keV Kr + ，21 keV Ar + 在 0-4×10 16 ions/cm 2 剂量范围 内辐照了 PtCo [38] ，FePt [37] [39] ，FeRh [40] ，FePd [41] ，FeAl [42] ，NiMn [43] 结构，离 子与材料原子之间的弹性碰撞改变了原子排列，形成了新的晶相，有效的改变了 其化学有序度，弱磁各向异性转变为强磁各向异性。但在 O.Hellwig 等人的实验 中，700 keV N + 辐照 Pt/Cr/Co 结构后，Cr 和 Pt 的原子位置会随机化，这导致了 化学无序和非磁性相的形成 [44] 。 在应用方面， T.Devolder 等利用 15 keV He + 在 0-4×10 19 ions/cm 2 的剂量 范围内辐照了 Ta/CoFeB/MgO 结构 [45] [46] 等人利用 400 keV Ar + 辐照了 MgO/FeCoB/W/FeCoB/MgO 多层膜结构，发现在辐照剂量为 6 1×10 13 -1×10 14 ions/cm 2 时，可以诱导出不同锥角的易锥态，如图 2a-2b 所示。 研究人员通过 80 keV Ar + ，200 keV Ar + 诱导了 CoPt [47] ，FeNi [48] 薄膜的单轴磁各 向异性， 并采用 X 射线衍射 (X-ray diffraction)和 X 射线发射光谱 (X-ray emission spectroscopy)验证了 CoPt 相的形成和非等效电子杂交是诱导 CoPt 单轴磁各向 异性的重要原因，图 2c-2f 展示了外加磁场方向与辐照方向共同调控 CoPt 各向 异性的过程。此外，P.Z.Li 等人证明了离子辐照能显著降低激光翻转垂直磁矩的 势垒，AOS(All-optical switching)阈值可以降低近 30% [49] 。在设置磁性图案化 方面，C.T.Rettner 等通过把 30 keV Ga + 、 He + 辐照与诱导磁场相结合，实 现了在 CoCrPt [50] ，Pt/Co/Pt [51] ，CoFeSiB [52] 材料中不同区域上的磁化强 [47] ； Figure 2. Ion irradiation-assisted preparation of structures with uniaxial anisotropy or easy cone anisotropy.…”