Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO/Pd多层膜的垂直磁各向异性与氢诱导磁化调控

摘要

我们报道Ta/Pd/CoFeMnSi（CFMS）/MgO/Pd多层膜堆叠展现稳健垂直磁各向异性（PMA）。300°C退火后有效各向异性常数达K_eff=5.6×10⁵ erg cm⁻³（5.6×10⁴ J m⁻³）。此外，薄膜磁态对氢高度敏感：弱外场（<30 Oe）下，环境氢浓度升至5%时剩余磁化从123.15降至30.75 emu cm⁻³。这些发现确立该堆叠兼具高性能PMA材料与敏感氢传感平台双重功能。

研究背景

氢气（H₂)作为清洁高能量密度燃料快速崛起，安全处理亟需可靠检测技术。传统固态电导传感器缺乏化学选择性，受湿度干扰。磁传感器，特别是掺钯（Pd）者，因Pd催化解离氢及随之晶格膨胀，对H₂表现出高选择性和灵敏度。

Pd富集铁磁合金及Pd/铁磁体（FM）多层膜——如Co₁₇Pd₈₃、Pd/Fe、[Co/Pd]₁₂、Pd/Co/Pd——中氢吸收引起可测磁性变化，源于Pd晶格2–3%膨胀。该应变改变主导垂直磁各向异性（PMA）的界面d-d轨道杂化。因界面应变对氢装载高度敏感，含Pd层的PMA薄膜为超灵敏氢检测提供有望路径。

FM/贵金属或FM/氧化物界面的垂直各向异性源于d-d或d-p杂化，强烈受界面应变调控。四元霍伊斯勒合金CoFeMnSi（CFMS）是自旋隙半导体（SGS），显示显著外场敏感性，定位为传感器应用的吸引力FM层。本工作设计Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd结构，利用Pd/CFMS和CFMS/MgO界面应变敏感性，实现强PMA并研究氢诱导磁调制。

实验方法

四种膜堆叠在Si衬底上经磁控溅射沉积（基压<2.6×10⁻⁵ Pa）。堆叠为：(i) Ta(6 nm)/Pd(2.4 nm)/CFMS(2.3 nm)/MgO(t_MgO)/Pd(2 nm)（0.9–1.5 nm）；(ii) Ta(6 nm)/Pd(2.4 nm)/CFMS(t_CFMS)/MgO(1.3 nm)/Pd(2 nm)（1.9–3.1 nm）；(iii) Ta(6 nm)/Pd(2.4 nm)/CFMS(2.3 nm)/Pd(2 nm)；(iv) Ta(6 nm)/CFMS(2.3 nm)/MgO(1.3 nm)/Pd(2 nm)。CFMS在0.9 Pa Ar、40 W DC溅射；MgO在0.2 Pa Ar、150 W RF；Ta在0.3 Pa Ar、50 W DC；Pd在0.3 Pa Ar、25 W DC。沉积后退火（250–450°C，30 min，<10⁻⁴ Pa）优化界面有序度。

室温磁测用Lakeshore 7404 VSM。动态氢负载下霍尔电阻率用ET9000系统测量。氢浓度（0–5%）经混合H₂/Ar（5:95）和N₂气流控制，总流量3.5 L min⁻¹。

结果与讨论

MgO厚度与PMA – 图1展示300°C退火Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd薄膜M-H回线。所有样品显示强面外易轴；各向异性在t_MgO=1.3 nm峰值，回线方正比（M_r/M_s）≈1。过薄或过厚MgO削弱Co-O键合降低PMA，符合前人报道。

退火温度 – 图2显示沉积态薄膜呈平面磁各向异性（IMA）。300°C退火诱导PMA；各向异性持续至350°C，400°C以上因界面扩散破坏d-d杂化而退化。

界面贡献 – 图3对比无MgO或无Pd堆叠。去除MgO消除PMA；省略底部Pd削弱PMA，证实Pd/CFMS和CFMS/MgO界面均关键，后者通过最优Co-O键合提供主导贡献。

由式(1)量化有效各向异性。最大K_eff（5.6×10⁵ erg cm⁻³）出现在t_CFMS=2.3 nm，确认强界面贡献。

氢诱导磁调制 – 5% H₂下面外回线位移，饱和场从5.5增至18 Oe，M_r降75%（图4）。效应可逆：移除H₂恢复原回线，表明Pd吸氢引入拉伸应变调制CFMS磁化。霍尔电阻率测量（图5）显示吸氢上升快于解吸，反映界面应变动力学。

结论

我们证实Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd多层膜经300°C退火展现卓越PMA，K_eff=5.6×10⁵ erg cm⁻³，t_CFMS=2.3 nm和t_MgO=1.3 nm时回线方正比近1。薄膜对氢高度响应：5% H₂环境使剩余磁化降75%、饱和场增约3倍。可逆磁响应源于Pd介导晶格膨胀及随之界面应变，确立该体系作为高灵敏度氢传感平台的前景。