（理论物理专业论文）以（ni082fe018）1xnbx为种子层的坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻及磁性能研究.pdf

以( n 垴2 f e o 。1 ) l 。n k 为种子层的坡莫合金薄膜的备向异性磁电阻及磁性能研究 以国io 8 2 f e 引8 ) ，。n b ，为种子层的坡莫合金薄膜的 各向具性磁电阻及磁性能研究 学科专业：毽论物理 攫导教师：睬洪( 教授，媾导) 摘螫 研究方向；磁性薄膜 耢究燮：闲置立( 2 2 1 2 ) 本文探索了提商坡莫念金州i o s 2 f e o l 8 ) 薄膜的备向异性磁电阻( a m r ) 和磁性 能，以逶波其应用于高瑟敏度磁头和佟感器的途径。采用一种新的材料 ( n i o , 8 2 f e o 18 ) l 。n b x 作擎争子层，用直流多靶磁控溅射设螽制备了系歹l j 坡莫合金薄膜样 品：( n i o s 2 f e o l l 8 ) 1 x n b x ( d n m ) n i o m f e o 1 s ( t n m ) f f a ( 3 n m ) ( t a 为保护层) ，并对其磁阻 固线、磁滞嬲线及微结构进行了测试。以实验结果荧依握，分叛了n b 原孑的匿分 含慧x 和种予层厚度d 对薄膜a m r 和磁性能的影响及产生这种影响的可能机制， 势与传绞戆势子璺霉孝瓣t 鑫掺? 毙较。7 逶过实验帮瓣试分辑，我秘褥援蘩下绦论： ( 1 ) 样品的a m r 明显地依赖予神子层中n b 原予的百分含量x ，先随x 的增 热先增大螽减夺，在x = 2 7 1 处，a m r 箍x 酌交豫簦线中氆魏峰值；样箍的a m r 随种子层的厚度d 的增加也是先增火后减小，在i i 蠡界厚度d 为5 3 2 n m 时达到一个 最大值；与戳传统材料t a 为种子嫠的坡荚奢金薄骐相比，程坡莫合众层厚度t 为 1 0 - 4 5 n m 的藏重内，裁者的a m r 值比居者提高了避1 0 * , - 4 6 ，如此赢的a m r 篷 未觅过报道。 ( 2 ) 淤榉晶荔辍方国的矮羲力l 毙壤辘方趣鳇矮颓秀h c 2 文，嚣尝隧n b 原予的百分禽量x 的变化是一致的，饱和磁化强度m s 随x 的增大先增大后减小， 在x = 2 7 。1 缝，h e l 鞠珏兜舔毙较夺，瑟m s 爨 这黧簸大；静予瑟殍波d 不熬臻显 改交坡莫合众薄膜的磁性能；与以传统材料t a 为种予层的坡奠合金薄膜相比以 ( n i o s 2 f e o z s ) o s 2 9 n b o 2 7 1 为静予层豹玻莫合金薄膜豹矫籁力只胬轻徽减小，僵笼m s 鞋剑鞋站f e e 1 # ) | 黛k 灸种子痿的坡莫台垒薄膜的备自异毪磁电阻及磁缝簸研究 帮要丈，氧重s 戆坡荬含金溪浑塞t 鹣增援箍堰热，在壤莫会金层黪嶷t 必4 0 r i m 处， 岬i o u f e o i s ) o 托舳n 2 7 l 为种子层的坡英食金薄膜的m s 比以传统材料t a 为种予 燃弱m s 捷离了遥2 0 。 + ( 3 ) x 射线衍射表明新的种子层材料( n i o 昭l ：h l 。) l 始她。使坡莫合金薄膜出现 了好的( 1 1 1 ) 结稳秘大晶械现象，极大蘸改善了皱荚台垒薄蔟酶徽结梅，这表骥薄 膜都有好瓣磁性筑。根据散射机制，大鼓粒增加了坡莫会佥薄膜的p ，减小了冀 电阻率风，从而导致a m r 的增大。 诧井，对薄膜磁侄箍暇子层数的交仡作了初疹理论分析，表嘲磁纯强度随薄膜 厚度的减小面减小。这与实验预承扭一致。) 产 一一一 本文研究表明，以( n i o 8 2 f e o 1 8 ) i 心i b x 为种子屡盼坡莫含金薄麒脊大的备向异性 磁嚷阻及好黪磁蚀毙，( n i o u f e o a s ) l 阪是一秘碍戆替代传统耱予层穗辩强豹载 的种子层材料。 关键词：坡莫合焱薄膜；种子层；各向异性磁电阻；矫顽力：磁化强度 ! 誊 以( n i 2 f e o a s ) l “b x 为种子层的坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻及磁性能研究 s t u d y o nt h ea n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s t a n c e a n d m a g n e t i cp r o p e r t i e s o f p e r m a l l o y t h i nf i l m st h r o u g hg r o w t ho ns e e dl a y e ro f ( n i o 8 2 f e o 1 s ) t x n b x m a j o r ：t h e o r yp h y s i c s d i r e c t i o n ：m a g n e t i c f i l m s a d v i s o r ：p r o f h o n g c h e na u t h o r ：y u l iy a h ( 2 0 0 0 2 12 ) a b s t r a c t i nt h i s t h e s i s ，w ee x p l o r e t h e a p p r o a c h t o i m p r o v i n g t h e a n i s o t r o p i c m a g n e t o r e s i s t a n c e ( a m r ) a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fp c r m a l l o y ( n i 0 s 2 f e 0i s ) f i l m sf o r a d a p t i n g t ot h e a p p l i a n c eo f h i g h s e n s i t i v em a g n e t i ch e a d sa n ds e n s o r f i r s t ，e m p l o y i n g an e wm a t e r i a l ( n i os 2 f e ol s ) l 心4 b ia ss e e dl a y e r ，w ep r e p a r eas e r i e so ft h i nf i l m so f ( n i os 2 f e ot s ) t x n b x ( d n m ) n i o s 2 f e oi s ( t n m ) t a ( 3 n m ) b ys p u t t e r i n gu n d e rd i r e c t c u r r e n t a n da na p p l i e dm a g n e t i cf i e l d ，a n dm e a s u r et h em a g n e t o r r e s i s t a n c ec u r v e ，m a g n e t i c h y s t e r e s i sa n d t e x t u r eo ft h ef i l m s s e c o n d ，w ed i s c u s st h ei n f l u e n c eo ft h en bp e r c e n t c o n c e n t r a t i o n 工a n dt h et h i c k n e s so fs e e dl a y e rd t ot h ea m ra n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f t h i nf i l m s a n dm a k eac o m p a r i s o nw i t l lt h ef i l m sw i t l lt as e e dl a y e r f i n a l l y , w ea n a l y z e t h ep o s s i b l em e c h a n i s mf o rt h es e e d l a y e r t oi n f l u e n c et h ea m ra n dm a g n e t i c p r o p e r t i e si nt h ef i l m s b a s e d t h e e x p e r i m e n t sa n da n a l y s e s , w em a y m a k et h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h ea m rd e p e n d ss i g n i f i c a n t l yo nt h en bp e r c e n tc o n c e n t r a t i o n x t h ea m r b e g i nt oi n c r e a s e s ，a n dt h e nd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gx ，t h e m a x i m u ma m rw a s o b s e r v e dw i t hx = 2 7 1 s i m i l a r l y , t h ea m r b e g i n t oi n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s sdo f t h es e e dl a y e r , a n dh a sam a x i m u mv a l u ea tac r i t i c a l t h i c k n e s sdo f 5 3 2 n r n c o m p a r e d t ot h e p e r m a l l o yf i l m sd e p o s i t e d o nt as e e d l a y e r , t h ea m r e n h a n c e m e n to f1 0 - 4 6 i so b s e r v e di nt h ep e r m a l l a yf i l m sd e p o s i t e d o n ( n i o s 2 f e oi s h 娜x s e e d l a y e r ( 2 ) t h ec o e r e i v i t yh o to b t a i n e df o rm a g n e t i cf i e l d 日a p p l i e dp a r a l l e yt ot h ee a s y 5 激( n i o f e 氇1 8 ) l 硝k 为种子层静璇莫合垒薄膜静备离异性溅电疆及融性髓研究 a x i si sl a r g et h a nh c 2f o rh a p p l i e dp e r p e n d i c u l a r t ot h ei n - p l a n ee a s ya x i s ，a n db o t ho f c o e r c i v i t ya r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec h a n g eo f x s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n 聪i n c r e a s e s a n dt h e nr e d u c ew i t hi n c r e a s i n gx ，a n dt h eh c l a n d 犏a r eb o t hr e l a t i v e l yl i t t l e , b u tt h e m a x i m u mo f mi so b s e r v e dw i t hx = 2 7 1 t h es e e dl a y e rt h i c k n e s sd o e s n tl e a dt ot h e e v i d e n tc h a n g eo f t h em a g n e t i c p r o p e r t i e so f t h ef i l m s 秘碡c o e m i v i t y i ss l i g h t l ys m a l l e r f o rt h ef i l m sd e p o s i t e do n 0 、l i o 。s 2 f e o 1 s ) ) - x n b xs e e dl a y e r t h a no nt as e e dl a y e r ，b u tm si s l a r g e r t h e 觚i n c r e a s e s 晰t hi n c r e a s i n gp e r m a l l o yt h i c k n e s s ， a n dt h e 鸸e n h a n c e m e n t o f 2 0 i so b s e r v e df o rt h e4 0 嬲t h i c k p e r m a i 姆f i l m sd e p o s i t e do n ( n b ，数f e o 1 s ) 1 0 q b ，【 s e e dl a y e r ，c o m p a r e dt ot h e f i l m sd e p o s i t e do nt as e e dl a y e r 3 ) t h ex - r a yd i f f r a c t i o ns h o w s t h a tt h e 濞l e 数f e o ) s ) 1 x n 坟s e e dl a y e rc a u s e st h e f o r m a t i o no fl a r g e ( 1 1 1 ) t e x t u r e dc r y s t a lg r a i n si nt h ep e r m a l l o yt h i nf i l m ，a n dt h e i n t e r f a c eb e t w e e nt h e s et w o l a y e r si sq u i t es m o o t h t h e s eb o t hi n c r e a s et h ea , a n d r e d u c et h er e s i s t a n c e p o ，w h i c hl e a dt o t h ea m rc o e f f i c i e n te n h a n c e m e n ti nt h e p e r m a l l o y f i l m i na d d i t i o n 。w ed op r i m a r y a n a l y s i st ot h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f t h ef i l m su s i n g h e i s e n b e r gm o d e l i ti ss h o w nt h a tt h e 勉d e c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gt h et h i c k n e s so f f i l m s ，w h i c hi si na g r e e m e n tw i t ht h ep r e d i c t i o n so f t b ee x p e r i m e n t s t h a th i g ha n i s o t r o p i c m a g n e t o r e s i s t a n c ea n dw e l tm a g n e t i cp r o p e r t i e si nt h e p e r m a l l o y t h i nf i l m sd e p o s i t e do n ( n i o s z f e 0 1 8 ) 1 x n 坟s e e dl a y e ri n d i c a t e st h a tt h e n bs f f e o a s ) ) - x n 坟m a yb ean e w s e e d l a y e r i n s t e a do f t h et as e e dl a y e r k e yw o r d s ：p e r m a l l o yt h i nf i l m s ，s e e dl a y e r , a n i s o t r o p i em a g n e t o r e s i s t a n c e e o e r c i v i t y , s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n 善 臻( n 酝3 2 f 堍l 羞) 1 x n 势释子凄瓣缓莫台窳薄膜静备淘异性磁窀隧及磁性辘磷究 第一章绪论 i i 研究坡莫合佥薄膜的茸的和意义 皱羹会金薅疆盎予其独特靛各舞凳饿磁电缀( a m r ) 效应及磁佳能已广泛暾 用于制作高灵敏度磁头_ 鄱多种磁电阻式敏感和传感器件( 啦】。各向异性磁电阻怒 t h o m s o n 于1 8 5 7 年在铁磁多晶体中发现的1 3 1 。由于科学发展水平及技术条件的黻 铡，数德不大的各自异憔磁电暇效应在一个多世纪豹历史时期肉势来弓| 起人们太 多的关淀。1 9 7 1 年h n u t 提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁擞 系统豹读爨磁头1 4 ，在此嚣熬二多年星，就是这撵一令l 常夺戆麓毫驻效痉瑟瓣 计算机磁存储技术产生了深刻的影响。1 9 8 5 年i b m 公司将h n u t 的设想付诸实现， 势将这榉豹读密磁头麓- fi b m 3 4 8 0 磁带狡；1 9 粥年又将感应式静写入薄貘磁头 筠坡莫合金制作的磁电阻式读出磁头组合成双元件一体他的磁头，在c o p t c r 合垒 薄膜磁记录介震窳上赛璐了面密发为1 0 b i t i n 2 的搿密度记录方式 5 1 ；1 9 9 1 年日纛 公司报道了在3 5 寸硬盘上利用双元件磁头实现了2 0 b i t i n 2 的商记录密度1 6 1 。所礴 这些当时都采厢坡莫合金薄膜的麓向异髋磁电阻效应，巍温值仅为2 5 左右f 7 l 。 信感技术的发震要求舞密度大容量及小型纯豹羚存系统嘲，越是密度磁盘兹发 展使每记录单元的尺寸减小到亚微米尺寸，因而其产生的待测散磁场很弱：另一 蠢嚣，磁懿豹夺黧 ：霞荬线逮褒酶繇，黉统熬感纛式磁头光法褥蘩跫够鹣信噪魄。 掇然用坡其合金薄膜制成的磁头提高了磁盘的储存密度和灵敏度，且读出信号不 受记录媒震运麓速度豹影孵，毽箕弱小豹a m r 释其固纛的巴克豢森嗓裔，是玻 舆合金薄膜制成的磁头的蘑要不足。 自1 9 8 8 年m n b a i b i c h l g j 在( f e c r ) n 越晶格多艨膜发现巨磁电阻( g m r ) 效应以 黯，巨磁电阻效墩及其材辩的基硪研究秘应用研究迅速成为人们关注的热点，人 们在许多人工有序新材料中发现了g m r 效应 i o a t l ，而后谯混锰价氧化物巾发现的 趣基隧奄瓣h 2 姬m 黔受雯毽久攮黢不是，缎是在巍麓方覆孬在善关键魏弱题：g m r 的饱和磁场值太穴不利于应用，弧棚r ( 隧道巨磁电阻) 的稳定的大援模工业制备 识篷褥掇键，c m r 在室潍蘧不卡癸毽戆珏3 1 。难一滔羧王簸赛应弼豹是囊凝溺鳐梅 的多层膜，基于g m r 材料的开发一直较为缓慢。简在九十年代，人们发现采用高 璐( n 酝。2 f 堍l 羞) 1 x n k 菇释子凄瓣缓葵台畿薄膜静备淘异性磁奄隘及磁性辘磷懿 第一章绪论 1 1 研究坡莫合佥薄膜的茸的和意义 玻葵合金薄膜由于其独特静各自雾馁磁电隧( a m r ) 效应殿磁性能注广泛斑 用于制作高灵敏度磁头和多种磁电阻式敏感和传感器件0 2 1 。各向异性磁电阻怒 t h o m s o n 于1 8 5 7 年在铁磁多晶体中发现的戮。由于科学发展水平及技术条件的黻 铡，数徽不大的各蠹异镶磁电瑕效应在一令多世纪载历史对期浅共_ 末弓l 邈人们太 多的关淀。1 9 7 1 年h n u t 提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁擞 系统豹读爨磁头l 引，在越嚣熬二多年里，藏是这样一令l 常夺戆麓毫驻效痉瑟瓣 计算机磁存储技术产生了深刻的影响。1 9 8 5 年i b m 公司将h n u t 的设想付诸实现， 势将这榉豹读密壤头蔫予i b m 3 4 8 0 磁繁撬上 1 9 9 0 年又将感应式的写入薄貘磁受 精坡莫合金制作的磁电阻式读出磁头组合成双元件一体他的磁头，在c o p t c r 合垒 薄膜磁记录介震窳上实瓣了面密发为i g b i i n 2 的尚密度记录方式 5 1 ；1 9 9 1 年e l 立 公司报道了在3 5 寸硬盘上利用双元件磁头实现了2g b i t i n 2 的商记录密度1 6 1 。所搿 这些当时都采用墩莫合金簿膜的铸向异性磁电阻效应，巍温值仅为2 5 发右f 7 l 。 信感技术的发震要求燕密废大容量及小型纯豹羚存系统嘲，越蹇密度磁盘兹发 展使每记录单元的尺寸减小到亚微米尺寸，因而其产生的待测散磁场很弱；另一 努嚣，擞懿翁夺囊强镬其绫速褒繇繇，爨统麴感纛式磁头光法褥弼跫够麓信臻逆。 掇然用坡莫合金薄膜制成的磁头提高了磁盘的储存密度和灵敏度，且读出信号不 爨记录媒震运麓速度豹影嚼，毽箕弱小豹a m r 鞍其固纛的巴克豢森嗓啻，是玻 舆合金簿膜制成的磁头的筵要不足。 告1 9 8 8 年m n b a i b i c h t g l 在( f d c 0 n 麓晶格多艨膜发现巨磁电r i ( g m r ) 效应 ；l 聪，巨磁电阻效威及其材辩的基础研究秘应用研究迅速成为人们关注的热点，人 们在许多人工有序新材料中发现了g m r 效应 i o i h ，而后猩混锰价氧化物巾发现的 越荩磁电辍h 2 跹竭更雯鞋久募双不是，靛是在疲麓方瑟窍在着关键瓣阉题：g 滁 的饱和磁场值太穴不利于应用，聃稂( 隧道巨磁电阻) 的稳定的大规模工业制备 织篷褥掇避，a 罐袋在室漩嚣不卡分溪戆l 瑚。难一懑被工藏赛应用豹是鑫旋蠲结耪 的多层膜，基于g m r 材料的开发一直较为缓慢。简在九十年代，人们发现采用高 戳贷i n n f e o1 0 1 挪k 为释子屡翡缓莫舍禽薄骥的嚣离异健疆电疆及磁性能磁究 瀑嚣羧秘遛火4 1 5 l 】、玫饕制鍪工艺条传6 甥、采震会逶瓣秘子搽l 嘲等途径霹戳挺 高坡莫金薄膜的a m r 及磁性能，在1 9 9 5 年，c p r a d o s l l 明等人还发现，一种十 字交叉瓣莛壤接触溺垂方法，胃使a m r 辕窭痿譬提嵩强令萋缎，这些薪豹发瑷及 用传统的坡莫合金薄膜做出的计算机磁汰和传感器具有体积小、成本低、耐恶劣 环境、工艺流翟成熬等优点又弓| 起了入们的对它的关注釉研究兴趣。 基予实际应用的需骤，坡莫含金薄膜必须做樽很薄，矫顽力h c 小，饱和磁化 强度m s 大，磁滞伸缩系数缸接近于零假，但备向异性磁电阻( a m r ) 尽可能大 2 0 2 ”。因此，爨魏国际蓑名公司如i b m 、惠普、h o n e y w e l l 以及p h i l i p s 等都在致 力于提高坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻( a m r ) 及磁性能的研究，以提高坡奠 会金薄骥熬痤弱馀僮。 i b m 公司予1 9 9 6 年1 2 甜、1 9 9 7 1 2 3 1 年使用采用坡莫合金簿膜的备向异性磁电阻效 疯耱或豹磁头捷c o p t c r 会金薄璇藩运录介蔟盘土分巍实臻73g b i t i n 2 、5g b i t i n 2 的记录密度，这照激发了人们进一步研究坡莫合金薄膜的兴趣。 1 2 坡冀合金薄膜的研究现状 入稍采矮各耱方法苏提离较蕤合金薄膜静备淘异性磁电阻效应及磁靛能。需 用的方法有以下几种： ( 1 ) 高濑沉积和邋火 t m i y a z a k i 等采瘸高温援救鳃方法 瑚，纛各耱萋疯温度下浣积玻葵合金薄 膜，最高基底温度为4 5 0 0 c 。他们发现各向异性磁电阻 a m r = a p l , o ) 髓基底濑 鹰的增加而增加，在基底温度为4 5 0 。c 时达到最大值3 3 6 ，比夜常温下沉积的坡 奠合金簿骥提高了透5 0 ，矫矮力簿) 开始疆基藏温度熬增翔嚣减小，在基底湿度 为3 5 0 0 c 展示了个最小值，然后又随藻底温度的增加而增加。t m i y a z a k i 等 耀x 射线袋射磺究薄貘豹微蕊绩搪， 垂骥嵩滠过纛产生了好貔丈粒子豹檄麓装搀， 备向异性磁电阻( a m r ) 数值的增加归因子磁电姐率( 风) 的减小和a o 的增加， 丽岛的减小是因为好的微观结构产生了犬的粒予，从而减4 , - 边界散射，导致风 豹减夺。耀关静磁性撬为；努猿璐沿荔辆方淘豹矫顽力h c = 2 - 2 ，5 0 e , 耱撩场澄难 轴方向的矫顽力h c = 0 。5 - 0 6 0 e = 饱和场h l c - - 4 0 e 。r e c f a r r o w 等采用高温退火的 l 戳搿i n n f l 鼻) 1 捌坟为种子屡翡瑗葵台龛薄骥的嚣商雾馈罐电疆及磁性髓磷究 滋沉瑷秘遗必队1 劓、致饕制圣王芑条6 甥、聚爨会逶熬秘子毖3 l 等途径可敬提 高坡莫金薄膜的a m r 及磁性能，在1 9 9 5 年，c p r a d o s l l 鲫等人还发现，一种十 字交叉瓣莛壤接辍溺蠢努法，胃使a m r 辕窭痿譬提嵩强令萋缀，这些赫豹发臻及 用传统的坡莫合金薄膜做出的计算机磁头和传感器具有体积小、成本低、耐恶劣 环境、工艺流程成熬等优点又弓| 起了入们的对它的关注釉研究兴趣。 基予实际应用的需骤，坡莫含金薄膜必须做樽很薄。矫顽力h c 小，饱和磁化 箍度m s 大，磁滞伸缩系数矗接近于零值，但备向异髋磁电阻( a m r ) 尽可能大 【m “。豳她，爨魏国酥羲名公司如i b m 、惠骛、h o n e y w e l l 以及p h i | i p s 等都在致 力于提高坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻( a m r ) 及磁性能的研究，以提高坡奠 会金薄骥熬痤弱伶僮。 i b m 公司予1 9 9 6 年1 2 甜、1 9 9 7 1 年使用采用坡莫合金薄膜的备向异性磁电阻效 疯耱或豹磁头捷c o p t c r 会金薄簇磁记录介蔟盎童分巍实凌73g b i t i n 2 、5g b i t i n 2 的记录密度，这盟激发了人们进一步研究坡莫台龛薄膜的兴趣。 1 2 坡冀合金薄膜的研究现状 入稍采矮各秘方法溪提离缓葵合金薄膜静备淘异性磁电阻效应及磁靛能。需 用的方法有以下几种： ( 1 ) 商濑沉积和邋火 z m i y a z a k i 等采瘸蔫瀑援救鳃方法拉4 1 ，纛各静萋簌湿度下浣积玻葵合金薄 膜，最高基底温度为4 s 0 0 c 。他们发现各向异性磁电阻( a m r = a p ? o ) 髓基底濑 庹的增加而增加，在基底温度为4 5 0 0 c 时达到最太值3 3 6 ，比夜常温下沉积的坡 奠合金簿骥提高了近5 0 ，绣矮力簿) 开始疆基溅温度熬增翔嚣减小，在基底温度 为3 s o o c 展示了个最小值，然后又随熬底温度的增加而增加。t m i y a z a k l 等 耀x 射线袋袈磺究薄蔟魏徽蕊缝搪，涯骥篾滠过纛产生了好貔大粒子煞徽溪结擒， 备向异性磁电阻( a m r ) 数值的增加归因子磁电姐率( 风) 的减小和p 的增加， 丽岛的减小是因为好的徽观结构产生了犬的粒予，从而减d , t 边界散射，导致风 豹减夺。赣关静磁性瑟为；努滋璐沿荔辆方囱豹矫顽力h c = 2 - 2 ，5 0 e , 耱撩场沿难 轴方向的矫顽力h c = 0 。5 - 0 6 0 e ；饱和场h k - - 4 0 e 。r f c f a r r o w 等采用高温退火的 菇搿毛f e ot 妇黛k 为种子瑟豹坡葵会袅薅貘静番商异瞧辍电疆疑磁性畿醑究 方法提巍了坡葵会金薄貘静a m r f l 甜。 ( 2 ) 改落躺荟王慧条伟 众所周知，坡莫合袅薄膜的各向异性磁电飘( a m r ) 通常小子大块坡莫会盒 的a m r ，并且制备工蕊条件强烈的影响溅电阻率风，从而影响各向异性磁电阻。 锈鲡：f r e d e r i c k 等渊在蒸发速攀为1 0 0 n m s 辩潮餐翡较葵合金( n i 0 3 2 f e 。1 8 ) 薄膜 的风的值比m i t c h e l l 等【2 5 1 在蒸发速率为1 6 n m s 时制备的坡莫食盒薄膜增加了麴 5 0 ，鼠f r e d e r i c k 等制备的薄臌的p 随薄膜厚度的增加而增加，而m i t c h e l l 等制 备的薄膜酶p 魏常数，几乎不瓷。t a n a b e 等指出本底真空度强烈的影响各向异性 磁邀疆豹毽，毙懿瀵在本壤囊空发梵1 s x l 0 4 t o r r 黠潮鍪豹缓葵念金薄袋豹各自雾 饿磁电阻值比在本底真黧度为2 3 x 1 0 。8 t o r t 时制备的小l 纠2 6 1 。w 见，调蹩劁备坡 葵台金薄膜时的蒸发速率及提高本底真空度都可以提高坡莫合鑫薄膜的各向异性 磁毫疆骢僮，使裁鍪豹坡葵会金游貘撵熬挂麓更优越。 ( 3 ) 合逑的底层绒种子朦 在常温下把薄膜沉积在合适的底层躐种予屡上，可以提高薄膜的磁性能。例 如在磁介质中用c f 、c r 套金、n i a i 传种予层可以使磁余矮褥到好蠹皇记录特性1 2 7 0 脚； 在多层胺和自旋阀结构用合适的种子层明显的提高了其融磁电阻1 2 9 , 3 0 3 l ；对于有序 念金，饯学寿痔鹃程度锈显藏蔟等辫子瀑的选撵壮站3 1 。程一些实铡中，久 】歆为 种子层改变了薄膜结构，从而影响了薄膜的磁性能，比如，在磁介质中威用c r 种 予屡诱馨了磁奔凌豹( 1 1 0 ) 方惫。熬器，静子餐影璃薄貘徽结梅获两影精薄膜静 黻特性经常不是报明显，这就使选择合适的种予艨很困难。 逶常入们采耀h 俸为坡葵会金薄膜的种子裰f ，铂邓螂，因为张是非磁性的，暴 商比较大的电阻攀使其分流效应较小，罔时在薄膜的生长过程中能使薄膜形成很 好的f c c ( 1l1 ) 织构，从而得瓢较大的备向异髋磁电阻和好的磁性能。 最= ；黩，碱y l 等【3 7 3 耐擐递采用搿酝8 & 1 9 ) l o & 据为坡莫会金薄瑛鹣替子瓣 材料，把坡奠合众沉积在厚度为3 - s n m 的( n i f e o 1 9 ) i x c r x 种子层上，在没有高温 浚辍纛裹遗逯火瓣馕嚣下，在 貔骧警藿势魄x * 0 4 4 瓣，玻葵舍垒鼷浑疫兔 醵州l m 。2 f e 0l # ) h n b x 为种子层的缓莫台众薄膜的备离异性磁电阻及磁性虢研究 4 5 4 3 n m 戆莲疆内，薄貘鹣善囊努经磁奄辍a m r 豹篷毙没骞穆予层魏缓荚会盘薄 膜增加了7 5 1 5 0 。x 射线衍射表明：( n i o s i f e o ，1 9 ) i x c r x 种子层使坡莫合盒薄膜出 璐了嚣鬻滏靛( 1 1 1 ) 络摘移大菇粒瑰象，极大鹣渡善了皱葵合垒薄貘鹄徽结褐。 并且在种子层和坡莫合金层的交界面处显示了好的热稳定性，即使在温度为 4 4 5 妒e 时退火凡，j 、时精仍显露了禳好鹋热稳定毪。这魑原霭璃黼了坡羹合金薄 膜豹p ，减小了磁电疆率反，从丽增大了镑匈异瞧磁电阻织m r ) 。但是 ( n i o8 i f e o1 9 ) i 。c r x 作为种子层不髓明显的改善坡莫台金薄膜的磁性能：比如沉积在 f n i 洲f e o 19 ) l 。c r x 棒子臻土懿装葵合金薄膜懿磁矩与无释子层辩靛磁簸眈值麓 1 0 0 1 0 0 4 9 ，磁矩几乎没有变化：对于相同的薄膜厚度，沉积在种子层上的坡奠 余金薄膜豹矫顽力眈没裔种子层时的只商轻微的增加，例如，对予厚度为1 3 r i m 的 坡莫合金薄膜，商和没套种子层媳坡莫会金薄膜的矫顽力分别是1 1 0 e 和0 9 5 0 e 。 在铁磁金属中，由予交换劈裂，费米面处自旋向上的子带( 多数自旋) 将全 部或丈瓤分被电警占摄，薅自箍囱下豹子繁 黛b x 灸种子屡静缓莫台垒薅貘静务藏雾搜戳电疆及戳蛙缝磷突 靴子层的坡莫合龛薄膜避撑比较。( 第三章) ( 3 ) 用振动样品磁强计( v s m ) 在室温下测试样品的磁滞回线。以得到矫顽力 k 鞫锪秘磁纯强发m s 。耩究秘学层型i 靛龆硫1 8 ) 1 舯；孛n b 琢警瓣秀努会量x 及 种子层厚度d 对矫顽力h c 和饱和磁化强度m s 的影响，井与以t a 为种予层的坡奠 含金薄袋进行魄较。( 第鬻章) ( 4 ) 采用变分累计展开方法，研究薄膜的磁性随原子原予屡数的变化。( 第 矗章) 以( n j o 鼢f e ol 。) i 。n b x 为种子层的坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻及磁性能研究 第二章薄膜的制各 采用直流多靶磁控溅射设备制备不同种子层的两个系列的坡莫合金薄膜样 品。样品分三层：种子层( d 珊) n i o s 2 f e o l 8 ( t n m 删3 m ) 系列样品薄膜，一个系列以 t a 为种子层，另外一个系列以( n i os z f e o t s ) l “b x 为种子层，其中组分x 、厚度d 、t 均可改变，薄膜最上层3 r i m 的t a 为保护层。用k y k y 2 8 0 0 扫描电子显微镜( s e m ) 分析种子层( n i os z f e o 1 8 ) l _ x n b x 中b i b 原子的百分含量x 。薄膜的厚度由溅射时间和 靶的溅射速率来控制，溅射速率用d e k a t a k 3 台阶仪来精确确定。 2 1 实验设计 基底采用康宁玻璃，t a 有难氧化和高电阻率的特点，常被作为保护层t 4 引，我 们制备的系列坡莫合金薄膜样品也用t a 作为保护层，厚度为3 r i m 。 ( 1 ) 研究n b 原子百分含量x 对坡莫合金薄膜a m r 及磁性能的影响： 在相同的工艺条件下制备五组以( n i os 2 f e o1 8 ) i x n b x 为种子层的不同n b 原子百 分含量的薄膜，每组6 个样品，前3 个样品种子层的厚度d 为5 r i m ，坡莫合金层 的厚度t 分别为：1 5 r i m 、3 0 h m 、5 0 h m ；后三个样品种子层厚度d 为7 r i m ，坡莫 合金层的厚度t 分别为：1 0 r i m 、1 5 r i m 、3 0 r i m 。 ( 2 ) 研究种子层( n i o s 2 f e o 1 s ) l “b ，【厚度d 对坡莫合金薄膜a m r 及磁性能的影响 制备一组以( n i o s 2 f e o 1 8 ) i - x n b x 为种子层的坡莫合金薄膜。坡莫合金层厚度t 为 3 0 r i m ，1 t o 原子西分含量x 取前面( 1 ) 中a m r 及磁性能较好的一个值，种子层厚度 d 围绕前面( 1 ) 中a m r 及磁性能较好的其中d 值取几个值，研究种子层厚度d 对坡 莫合金薄膜a m r 及磁性能的影响 ( 3 ) 比较不同种子层的坡莫合金薄膜的a m r 及磁性能 在相同的制备工艺条件下制备两组不同种子层的坡莫合金薄膜，一组以t a 为 种子层，一组以( n i o s 2 f e o 1 8 ) 1 - x n b x 为种子层。b i b 原子百分含量x 取前面( 1 ) 中a m r 及磁性能较好的一个值，种子层厚度d 取( 2 ) 中a m ：及磁性能较好的一个值，坡 莫合金层厚度t 分别为：1 0 r i m 、2 0 r i m 、3 5 r i m 、4 0 r i m 、4 5 r i m 。 这样就可以把两种薄膜进行比较以分析( n i o 酡f c 0 i 。) i 舯。为种予层的坡莫合 金薄膜的性能是否比以传统材料t a 为种子层的薄膜的性能好。 以( n j 2 隔1 1 ) l 。n b 。为种子层的坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻及磁性能研究 2 2 镀膜 2 2 1 仪器装置及原理 我们用直流多靶磁控溅射设备制各样品，共有三个靶位。“溅射”即荷能粒子 轰击固体表面( 靶) ，而使固体原子或分子射出的现象，这种现象是1 3 0 多年前由 格洛夫( g r o v e ) 发现的1 5 0 l ，今天它已广泛应用于薄膜制备。溅射是建立在气体辉 光放电基础上的，是一个复杂的过程【5 1 】。带有电荷的离子在电场中加速后具有一 定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射 的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中，放射出中性原子、分子、二次电子、 正二次离子等。这些被溅射出来的中性原子或分子将带有一定的动能，并且会沿 着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。放射出的二次电子是溅 射中维持辉光放电的基本离子，并使基板升温，其能量与靶的电位相等。溅射法 具有容易控制薄膜的成分和厚度，易生长较薄和较厚的膜，薄膜和衬底有很好的 附着力和较少的缺陷等优点。主要的溅射方法可以根据其特征分为以下四种：a 直流溅射；b 射频溅射；c 磁控溅射；d 反应溅射。直流溅射又被称为阴极溅射或 二极溅射，在直流溅射过程中，常用心气作为工作气体。工作气压是一个重要的 参数，它对溅射速率以及薄膜的质量都具有很大的影响。它的主要缺点是直流溅 射沉积薄膜的沉积速度较低，射频溅射所需工作气压较高，这两者的综合效果是 气体分子对薄膜产生污染的可能性提高。而磁控溅射由于引入了正交电磁场，使 离化率提高到5 * , - 6 ，于是薄膜的沉积速度提高十倍左右，且磁控溅射工作压力 较低。还可以将上述各种方法结合起来构成某种新的方法，比方说我们用的就是 将直流溅射与磁控溅射相结合构成的直流磁控溅射。 2 2 2 定标 对于( n i o 8 2 f e o 1 8 ) 1 0 4 b x 层的溅射速率，在制备工艺条件相同的情况下，与n b 原子的百分含量x 有关，因为制各的每一组以( n i o 1 2 f e ol 。) 1 x n b x 为种子层的坡莫合 金薄膜的n b 原予百分含量x 不同，这就导致溅射速率是变化的，所以制备每一组 样品前都需要对( n i n 托f e o 1 s h 挪x 定标，确定( n 其溅射速率及n b 原子的百分含量 x ，以得到需要的种子层( n i o 舱f e o 1 | ) l 佘i b x 的厚度和n b 原子的百分含量x 。而t a 层、坡莫合金n i o s z f e o 1 s 层的溅射速率，在制备工艺条件相同的条件下，只需要定 1 5 以( n j 。f e o 。1 ) ，。n b 。为种子层的坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻及磁性能研究 标一次就可以。 ( 1 ) 清洗及装靶 基片清洗：基片采用康宁玻璃，将玻璃片( 稍大) 和一单晶硅先用丙酮浸泡， 然后用酒精清洗，再用( 集中一批) 装入盛有蒸馏水的大烧杯煮沸1 0 - 2 0 分钟， 最后用烘干炉烘干。取出后，用胶布粘附在基板上( 真空室中) 。 靶材清洗及装靶：将n b ( 直径d 为6 0 m m 左右) 切割成形状规则的小块， 与n i n 救f 1 。( 直径d 为6 0 m m 左右) ，放入烧杯，倒入适量丙酮( 有毒) ，置烧 杯于超声波振荡器平台上振荡约1 分钟，清除油污后先放坡英合金( n i o 鸵f e o l g ) 在 a 靶，再将n b 片等间距同心放置于坡莫合金( n i o 舵硒1 8 ) 靶( a 靶) 表面上以溅 射形成( n i o 彀f e o i b ) 1 x 。层。通过调整b i b 片的位置和数目可以调节 ( n i o m f l s ) 1 x n b x 层膜中的n b 原子的百分含量：装上其它靶：坡莫合金( n i o8 2 f e o 1 8 ) 靶( c 靶) 和t a 靶( d 靶) 分别制备n i o 彀f e o l o 层和t a 层( 清洗同上) 。记录靶 如表2 2 1 所示： 表2 2 1 溅射靶的安装 a 靶c 靶d 靶 ( n i ot 2 f e o t s ) 1 x n b xn i o8 2 f e o 1 8 t a ( 2 ) 镀膜 先定标a 靶( ( n i o s 2 f e o i 。) i 心慨靶) ，所以先制备( n i o u f e 砸) s ) l 轴u 层的样品， 用计算机控制a 靶镀膜。制备样品前先用丙酮清洗真空室，然后用日本生产的 t o s h i b a 吸尘器清扫真空室，清扫完后关闭真空室。接着打开机械泵开始抽真空， 至1 0 p a 左右后关闭机械泵，再打开分子泵继续抽真空至5 x l f f p a ，打开m 气管充 压至0 s p a ，维持真空室气压在0 s p a 左右，维持3 0 分钟左右，同时开启循环冷却 水以保持常温，( 稍先一点可预溅) 然后开始镀膜。用恒流直流电压控制电流为 8 0 m a ，电压为3 1 0 v ，时间为2 5 0 0 秒。为了能在薄膜沉积过程中就能形成比较好 的易磁化轴取向，我们同时在基片两测引入了一个大小为4 0 0 0 e 的磁场。镀完将 样品保留在真空室( 防止氧化) 。 ( 3 ) 定标 以( n i m 耽f e oi $ ) i 州k 为神子层的坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻及磁性能研究 定溅射速率：经过一段时间箭从真空寂取出样品( 单晶硅上膜) ，用d e k a t a k 3 台除纹测试台酸蠡孽藏度( 敬瑟令煮，步进6 e 掰) ，记录麴下表2 2 2 ，诗冀平均镀 膜速率。 袭2 2 2 删o u f e o 1 s ) l “n b x 的寇标速率 | a 点b 点c 煮d 点平均对闯( s )速率 l 2 1 0 h m2 l o