《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Tunable interlayer exchange coupling in spin valves with Ag-based synthetic spacers
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研究聚焦于NiFe/Cu/Ag/Cu/NiFe/IrMn自旋阀中合成间隔层（Cu/Ag/Cu）对层间交换耦合（IEC）的影响。通过调整Ag层厚度，发现其能有效调控IEC强度（J?），同时保持巨磁阻（GMR）响应特性，验证了合成间隔层在优化磁电性能中的潜力。
L.J. Collazos|D.R. Saldanha|G.P. Zamudio|R. Dutra|R.L. Sommer|D.E. Gonzalez-Chavez
巴西物理研究中心，22290-180 里约热内卢，RJ，巴西
摘要
我们报告了一项关于NiFe/Cu/Ag/Cu/NiFe/IrMn自旋阀中层间交换耦合的研究，重点关注了合成Cu/Ag/Cu间隔层中Ag层厚度的影响。自旋阀的耦合强度通过双线性相互作用常数来确定，该常数是通过磁阻和宽带铁磁共振测量获得的，并通过宏观自旋模型进行解释。除了耦合强度外，我们还分析了合成间隔层如何影响磁阻参数。我们的结果表明，加入Ag层可以在不降低自旋阀巨磁阻响应的情况下增强层间交换耦合的可调谐性。
引言
层间交换耦合（IEC）指的是由非磁性（NM）间隔层分隔的两个薄铁磁（FM）层之间的磁相互作用，这种相互作用倾向于使FM层的磁化方向平行或反平行。在磁性多层结构中控制IEC对于优化自旋电子器件的关键性能（如开关行为、热稳定性和信号强度）至关重要[1]、[2]、[3]。通过工程化IEC可以提高器件的可靠性和效率，特别是在磁阻随机存取存储器（MRAM）和磁传感器等技术领域，其中热稳定性和高灵敏度是必不可少的[4]、[5]。例如，在MRAM器件中，磁隧道结（MTJ）的热稳定性在很大程度上取决于IEC的强度和特性[6]。同样，工业和生物医学应用中的磁场传感器需要精确控制的磁响应，这可以通过调整铁磁层之间的耦合来实现[7]、[8]、[9]。
具有简单NM间隔层的系统中的IEC效应已经得到了广泛研究[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]，最近的研究重点集中在自旋电子学研究和应用上，包括磁化动力学[2]、[18]、[19]以及非共线IEC[3]、[9]。在这些系统中，通常通过调整NM间隔层的厚度和组成来调节IEC。除了单层NM间隔层外，还可以使用称为合成间隔层（SS）的工程化多层结构，这些结构由堆叠的非磁性层组成[20]、[21]、[22]、[23]。这些架构提供了额外的自由度来调节磁相互作用并优化器件性能。在磁性器件中使用合成间隔层可以带来多种优势，包括增强对IEC的控制、由于表面粗糙度降低而提高的界面质量，以及通过材料选择更灵活地微调磁相互作用。然而，这种合成间隔层在面向应用的优化方面的潜力仍有待探索。
本研究调查了采用合成间隔层的自旋阀结构，其中SS由具有不同Ag层厚度的Cu/Ag/Cu三层结构组成。选择Ag是因为其低电阻率、高的自旋扩散长度[24]、[25]，以及其在自旋电子器件中促进平滑界面的能力[21]、[22]。通过确定双线性相互作用常数来量化SS对IEC的影响，该常数是从磁阻和宽带铁磁共振（FMR）测量中提取的。这些实验结果通过宏观自旋模型进行分析和解释，以确保对耦合行为的准确评估。除了评估耦合强度外，我们还研究了合成间隔层配置的变化如何影响关键磁阻参数。我们的发现表明，加入Ag层提供了一种有效的方法来精细调节IEC，而不会损害自旋阀结构的巨磁阻（GMR）响应。这展示了合成间隔层通过精确控制层间相互作用来优化自旋电子器件性能的潜力。
部分摘录
样品制备
样品的结构为（80 ?）/SS/（80 ?）/（150 ?），如图1所示。每个样品都沉积在具有200 nm厚SiO2覆盖层的Si（100）基底上，并且上面覆盖了一层50 ?厚的Ru缓冲层。为了防止自然氧化，在样品上沉积了一层50 ?厚的Ru顶层。所有样品都在50 sccm的氩气流和5 mTorr的压力下进行溅射，初始压力为 Torr。平面内磁
结果与讨论
图2展示了IEC较弱的样品（左侧样品Cu20Ag2）和IEC较强的样品（右侧样品Cu6Ag2）的典型M-H曲线和ΔR-H曲线。同一样品的模拟曲线也显示在该图中。模拟曲线与测量曲线之间的差异源于各向异性分散和其他未在磁阻模型中考虑的各向异性。
对于具有厚间隔层的样品，因此IEC较弱，曲线表现出特征性的
结论
总之，我们研究了使用合成Cu/Ag/Cu间隔层的自旋阀中的层间交换耦合，并证明了加入Ag可以增强IEC的可调谐性，同时保持系统的磁传输性能。随着Ag层厚度的增加，耦合强度逐渐减弱，这与类似磁性系统中纯Cu间隔层导致的突然衰减不同。此外，详细的GMR分析表明，Ag在间隔层中的插入
CRediT作者贡献声明
L.J. Collazos：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，数据管理。D.R. Saldanha：撰写 – 审稿与编辑，研究。G.P. Zamudio：撰写 – 审稿与编辑，软件。R. Dutra：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析。R.L. Sommer：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。D.E. Gonzalez-Chavez：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，方法学，研究，形式
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：R. L. Sommer报告称获得了巴西国家科学技术发展委员会（Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq）的财务支持。L. J. Collazos报告称获得了里约热内卢州卡洛斯·查加斯·菲略研究支持基金会（Funda??o Carlos Chagas Filho para Pesquisa de Rio de Janeiro）的财务支持。R. L. Sommer报告称获得了里约热内卢州卡洛斯·查加斯·菲略研究支持基金会的财务支持
致谢
本工作得到了巴西国家科学技术发展委员会（Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, CNPq）通过项目编号314478/2021-3的资助，以及里约热内卢州卡洛斯·查加斯·菲略研究支持基金会（FAPERJ）通过项目编号E-26/203.320/2022、E-26/200.594/2022、E-26/202.083/2022和E-26/200.969/2022的资助。
