（凝聚态物理专业论文）fein磁性薄膜材料的磁电阻效应研究.pdf

西南大学硕士学位论文摘要 f e 工n 磁陛薄膜材料的磁电阻效应研究 凝聚态物理专业硕士研究生：张兆刚 指导教师：陈鹏教授 摘要 本论文简单介绍了自旋电子学和磁电阻效应的一些研究进展，分析了几种常见的巨磁电 阻效应系统。实验以i n 作为非磁层，采用直流磁控溅射技术带0 备了系列f e i n 多层膜和用共 溅射方法制备了f e i n 颗粒膜等多种磁性薄膜样品。详细介绍了样品的制备、结构表征和测 量过程。用原子力显微镜观察了样品的表面形貌；用x 射线光电子谱对颗粒膜样品的成分及 其随厚度的变化进行分析；用振动样品磁强计( v s m ) 测量样品的磁性；用微电阻测试系统 对样品在不同温度_ 卜的磁电阻等相关特性测量。系统地研究了磁性层厚度、非磁性层厚度和 温度变化对磁电阻效应的影响及其产生的机制。从样品微结构角度，采用类似于朗之万函数 的公式对磁电阻曲线进行了拟合，利用s l o n c z e w s k i 的“界面松散白旋”模型和自旋相关散 射理论对实验结果进行了解释，讨论了f e i n 磁性薄膜系统中微结构对电传导和磁性等的影 响机理。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 、通过磁控溅射法制作了的f e i n 多层膜系列样品。 ( 2 ) 、原子力显微镜观察到f e i n 多层膜样品的表面形貌很粗糙。 ( 3 ) 、随着1 f 磁性层i n 层厚度的变化，m r 出现周期性振荡，振荡周期为1 3 姗左 右，当i n 层厚度大于一定值时，出现m r 随温度降低而减小的反常行为。随着磁性层f e 层厚度的变化，m r 出现一个极大值。 ( 4 ) 、样品的m r 由高场部分和低场部分组成：高场部分m r 来自于相邻f e 层耦合 的自旋相关散射的贡献，随温度的下降而升高；低场部分m r 由f e i n 界面处f e 团簇颗 粒的类超顺磁行为引起，出现随温度的下降而减小的反常行为。 ( 5 ) 、f e i n 颗粒膜样品采用共溅射法制成。磁电阻效应和磁性质的研究显示f e 颗粒 的形状不是球形的，而是呈扁平状的。x 射线光电子谱的分析表明f e i n 颗粒膜表面f e 颗 粒部分被氧化，i n 颗粒和内部的f e 颗粒以单质形态存在。 关键词：巨磁电阻多层膜颗粒膜振荡超顺磁白旋 西南大学硕十学位论文摘要 3 ) 4 ) 5 ) 0 ft h es u r f a c em o 叩h o l o g y t h es u r i a c eo fm es 锄p l e sa r er o u g h t h em a g n i t u d eo fg m rw a l sf o u n dt oo s c i l l a t ew i t hap e r i o da b o u t1 3 姗w h e nv 哪i n g t h et h i c k n e s so fi nl a y e r s w h e nt h ei nl a y e r s t h i c k n e s si sl a 唱e rt h a nac r u c i a lt h i c k n e s s ， t h em re x h i b i t ss u c ha n o m a l o u st e m p e r a t u r ed e p e n d e n c et h a tt h em rv a l u ea th i g h t e m p e r a t u r ei sl a 唱e r t h a nt h a ta tl o wt e m p e m t u r e t h em r w i t hf el a y e rt h i c k n e s sh 弱a m a x i m u m t h eg m re 毹c ti sc o m p o s e do ft h el o w f i e l dm ra n dt h eh i g h - f i e i dm r t h el o w f i e l d m r ，w h i c hc o r r e s p o n d st o f e r r o m a g n e t i c c o n t r i b u t i o nm r f m ，e n h a n c e sa st h e t e m p e r a t u r ei sl o w e r e d t h eh i g h - f i e l dm rm a i n l yc o r r e s p o n d st os u p e r p a r a m a g n e t i c e f f e c ta tt h ei n t e n n i x e df e i ni n t e r f a c e ar e d u c t i o no ft h ea n o m a l o u sh i g h f i e l d m re f r e c tw i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew a so b s e e d f e i n g r a n u l a r6 l m sw e r ep r e p a r e db yc o - s p u t t e r i n g m e t h o d t h er e s u l t so f m a g n e t o r e s i s t a n c ee a e c ta n dm a g n e t i cp r o p e r t ) ri nf e l 4 i n 8 6n a n o g r a n u l a rf i l mi n d i c a t e s t h a tt h ei s o l a t e df ep a r t i c l e sa r ep a n c a k e - l i k ei n s t e a do fs p h e r i c a l x - r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y( x p s )s h o w st h a tt h e i n n a n o p a n i c l e s a n di n n e rf en a n o p a r t i c l e s p r i m a r i l yc o n t a i n e ds i m p l e s u b s t a n c ef o r m a n dt h ef e n a n o p a r t i c l e sw e r ep a r t l y o x i d i z e da tt h es u r f a c eo ff e i ng r a n u l a r6 l m s k e y w o r d s ： g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ， m u l t i i a y e r s ，g r a n u l a rn i m ，o s c i u a t i o n ， s u p e r p a r a m a g n e t i cs p i n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者： 努酬 签字日期：九鲴舌年弘月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保 密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：3 扎酬导师签名：z 争i | 7 f | 物 签字日期：知诉年月，矿日签字日期：多确年乒月勿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 两南大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 8 8 年，在法国巴黎大学f e r t 教授研究小组工作的巴西学者m n b a i b i c h 首先 在f e c r 金属多层膜中观察到巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a l l c e ，简称g m r ) 效应【4 l ，这立刻引起了各国科学家的注意。巨磁电阻效应是近二十年来发现的新 现象。现在通常把1 9 8 8 年g m r 效应的发现作为自旋电子学的起点。由于巨磁 电阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景，美国、日本和 西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术上的应用投入了很大力量。2 0 世纪9 0 年代，人们相继在c o c u ，f e c r ，c o c r ，c u 瓜u 等【5 6 】纳米结构的多层膜中观察到 了显著的巨磁电阻效应。对反铁磁耦合的多层膜，需要很高的外磁场才能观察到 g m r 效应，故并不适合于器件应用。后来，人们设计出一种三明治结构，使相 邻铁磁层的磁矩不存在( 或只存在很小的) 交换耦合，即在较低的外磁场下相邻铁 磁层的磁矩能够在平行与反平行排列之间变换，从而引起磁电阻的变化，这就是 所谓的自旋阀结构( s p i nv a l v e ) 。自旋阀结构的出现，使得巨磁电阻效应的应用 很快变为现实。 1 9 9 2 年美国率先报道了c o c u 颗粒膜【7 ，8 】中存在巨磁电阻效应，这种颗粒膜 是采用双靶共溅射的方法在c u 非磁薄膜基体上镶嵌纳米级的铁磁c o 颗粒。颗 粒膜中丰富的异相界面对电子输运性质、磁性质、光特性有着显著的影响，颗粒 膜已成为物理、化学性质可进行人工剪裁，具有可控自由度的人工功能材料。 l9 9 3 年，h e l m o l t 等在l a 2 3 b a l 3 m n 0 3 氧化物薄膜中观察到其室温g m r 值 高达6 0 【9 j ，为这类混合价化合物磁电阻的研究拉开了序幕。 1 9 9 5 年，人们以绝缘层a 1 2 0 3 代替导体c r ，在f e a 1 2 0 3 f e 【1 0 】三明治结构中 观察到很大的隧道磁电阻( m n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) 现象，从而开辟 了自旋电子学研究的又一个新方向。 在巨磁电阻效应被发现后的第六年( 1 9 9 4 年) ，i b m 公司研制成巨磁电阻效 应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了1 7 倍，达5g b i t i n 2 ，最近报道为l o o o g b i t i n 2 ，因而使磁盘在与光盘竞争中处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易 使器件小型化、廉价化。巨磁电阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中， 在数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器中有广泛的潜在应用价值。与 光电等传感器相比，它具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的条件等 优点。目前，自旋电子学无论是在基础研究，还是在应用开发方面都为物理学、 材料科学、电子工程学等领域的专家提供了一个能够大显身手的广阔空间。 按照美国加州大学a w s c h a l o m 教授的观点，自旋电子学器件分为三个层 次： 其一是基于铁磁性金属的器件； 其二是将自旋注入半导体； 2 西南大学硕士学位论文第一章绪论 其三则是单电子自旋器件； 综上所述，自旋电子学是以研究电子的自旋极化输运特性以及基于这些特性 而设计、开发新型电子器件为主要内容的一门交叉学科，其研究对象包括电子的 自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。 目前对于巨磁电阻效应的研究正向物理学的各个领域渗透，并将推动纳米科 技的进一步发展。自旋电子器件有希望同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的 传输与存储，这会大大提高现有电子器件的工作速度和效率。利用电子的自旋还 有可能制备出具有全新物理性能的新颖半导体电子器件，甚至有可能实现量子存 储与量子计算【l l 1 2 1 。自旋是电子的量子力学效应，是产生磁性的重要物理原因。 电子的自旋和外界的相互作用远比电子的电荷作用弱，因此具有更大的相干时 间，而且电子自旋取向可以构成一个双态量子系统。电子自旋取向的改变要比电 子运动状态的改变容易得多，快得多，因此可以利用电子的自旋特性作为信息的 载体或量子位，从而实现量子信息的存储和计算。相对于传统的逻辑计算，量子 计算是利用量子力学中两个量子态可以组成一个混合态的几率概念作为算法的 基础，以此原理所建立起来的量子运算方法，理论估计可以比传统的运算法快上 百万倍以上。应用在量子算法所需的材料系统可以是一对量子点系统或是两条纳 米级的电子导线或其它两个相关联的量子态，这些对纳米材料技术都是一大挑 战，比起m r a m 等新一代的科技产品来，更需要研究人员的不懈努力。另外， 自旋阀晶体管或利用二维电子气( t w o d i m e n s i o n a le l e c t r o ng a s ，2 d e g ) 系统中 的自旋干涉等等所尝试出来的新型电子器件与单电子晶体管都有所报道。但目前 进入应用的器件( 如g m r 自旋阀) 还只处于第一层次。而且，对于自旋控制 和自旋极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段，对出现的各种新现象、新效 应的理解基本上还只能是一种“拼凑式”的半经典的唯象解释。因此，自旋电子 学的发展还面临着很多很大的挑战。利用电子的荷电性，人类在半导体芯片上创 造了今天辉煌的信息时代；我们相信，对电子自旋特性的理解和操纵，将给人类 带来更为灿烂的明天。 1 2 磁电阻效应概述 众所周知，不同材料具有不同的电阻率，这不仅是材料的一个重要特征，而 且与材料中的杂质和缺陷有关。但是对于材料的磁电阻效应研究的却比较少，原 因是大多数材料的在外加磁场中电阻的改变很小。1 9 8 8 年b a i b i c h 等人发现了巨 磁电阻效应，由于广阔的应用前景，引起了世人的关注，开拓了薄膜磁性材料研 究的新领域。 1 2 1 磁电阻效应 磁电阻( m a g l l e t o r e s i s t a l l c e ，简称胀) 效应是指物质在磁场作用下电阻发 j 葊 其中，p(o)代表无外加磁场时样品的电阻率，p()是指外加磁下样品 阻率。1 2 2 正常 j下常磁电阻(omr)效应在所有的金属和半导体材料中普遍存在源于磁 场对电子的洛仑兹力。该力导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动而使电阻升高。一般材料的o m r 很小例如1 0 o e 时c u 的o m r 仅为4 1 ，但金属b i 有较高o m r 。b i 薄在1 2 t 下m r 7 2 2 【1 3 】，b i 单晶温下可达1 0 2 1 3 【1 4 1 。半导体也有较大的o m r ，并已开发成商品化的磁电感器。如i i l s b n i s b 共晶材料在0 3 t 下，室温o m r 2 0 【 5 1 。 1 2 3 各向异性磁电阻效应 铁磁金属和合金多晶体具有各向异性磁电阻效应，即外加磁场方行于测 试电流方向测量得到的电阻率与外加磁场方向垂直于测试电流方向得到的 电阻率不相等的效应。各向异性磁电阻效应来源于各向异性散射，而异性散 射主要由自旋一轨道耦合和低对称性的势散射中心引起的，前者降低子波函 数的对称性，使电子的自旋与其轨道运动相关联，目前人们比较普遍这一机制。a m a m r ：二盟 q ( 卸，= 所一0 ) ，卸上= p 上一0 ) ，印 o ， 其中风表示样品处于完全退磁状态下的电阻率。对于薄膜，所磁场与 膜面及电流方向都平行时薄膜的电阻率；p。表示磁场与电流方向垂的电阻率，又分为情况： ( a ) 磁场处于膜平面内，并垂直于电流方向为横向 电阻率，以p t 表示：( b ) 磁场垂直与膜面，以 低温5 k 时铁、钻的各向异性磁电阻值约为l ，而坡莫合金( n i 8 l l 9 ) 为15，室温下坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻值仍有25。各项磁电阻 效应尽管数值不大，但它在磁电子学发展的早期直至今日都扮演着不缺的角 色，今天它还在读出磁头及各类传感器中起着挑大梁的作用，目前市大部分 的磁电阻器件仍是各向异性磁电阻材产品。1 2 4 巨 西南大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 8 8 年，在法国巴黎大学f e n 教授研究小组工作的巴西学者m n b a i b i c h 首先在f e c r 金属多层膜中发现了巨磁电阻效应，即材料的电阻率受材料磁化状 态的变化而呈现显著改变的现象，他们采用分子束外延的手段，在g a a s ( 0 0 1 ) 基 片上外延生长了( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r 超晶格。当f e 、c r 层的厚度分别为3m 和 o 9 姗时，在4 2k 温度，2t 磁场下可获得磁电阻变化率约5 0 ，其值较人们 所熟知的f e n i 合金各向异性磁电电阻效应约大一个数量级，且为负值，各向同 性，故冠以巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，简称g m r ) 效应。这立刻引起 了各国科学家的注意，使巨磁电阻的研究成为国际上引人瞩目的研究领域。 1 2 5 磁隧道结的巨磁电阻效应 所谓“磁隧道结( m a g n e t i ct u 衄e l j u n c t i o n s ，m t j ) ”是指由两层金属薄膜 之间夹一层l o 4 0l u n 厚的绝缘薄膜构成一个f m i f m 的三明治结构，其中，i 为非磁性绝缘层，f m 为磁性金属层。在垂直于膜面即横跨绝缘层的电压作用下 可有隧道电流，其电流和电阻依赖于两铁磁层中饱和磁化强度胍的夹角的大小。 在沿膜面方向磁场作用下改变两磁层的胍的相对取向时，可得到巨大的磁电阻 变化率，产生的巨磁电阻效应也称隧穿磁电阻( t u n n e lm a g n e t o r e s i s t a i l c e ，t m r ) 效应。尽管t m r 具有较高的低磁场灵敏度，且隧道结本身电阻值较大可实现低 功耗的应用，易与半导体平面工艺兼容，但在应用方面仍然有一些难题需要解决。 t m r 的磁电阻率往往随外加电压发生变化，在较大的外电压下会发生不可逆转 的隧道击穿。另外，刑r 磁电阻性质与非磁性绝缘层( 往往在1 肌l 以下) 的沉 积质量密切相关，且制备工艺较为复杂，这在大规模生产时会遇到比较大的困难。 1 2 6 掺杂稀土锰氧化物的庞磁电阻效应 l9 9 3 年，h e l m o l t 等在l a 2 3 b a l 3 m n 0 3 氧化物薄膜中观察到其室温g m r 值高达6 0 p j ，引起巨大反响，因为这结果将巨磁电阻效应的研究由金属、合 金样品推至氧化物材料。由于掺杂锰氧化物样品在磁场下的电阻率下降达几个数 量级，g m r 值很大，通常称之为庞磁电阻( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s 切【1 1 c e ，简称c m r ) 效应。具有该效应的材料主要是指钙钛矿结构的混合价氧化物如l a l 。m 。m n 0 3 ( m 为c a ，s r ，b a ，p b 或者t e ，c e ，p r ) 系氧化物。在应用研究上，掺杂稀土锰 氧化物巨大的磁电阻效应以及对施加磁场的记忆效应都可能开发出应用项目。然 而，巨大的磁电阻率是在低温和强磁场下观察到的，对于大多数应用一般希望室 温低磁场下能得到较高灵敏度的器件。此外，c m r 往往有很高的电阻温度系数， 要实现应用仍需要进一步的探索。早在上世纪5 0 、6 0 年代，人们用双交换作用 模型【1 6 1 7 】定性地研究了稀土掺杂锰氧化物在掺杂前后由反铁磁转变为铁磁、由 非导体转变为导体的现象。但用双交换作用模型来解释c m r 效应与实验结果 有较大差距。有人认为必须考虑j a h n t e l l e r 效应引起的电声子耦合作用和电荷 西南大学硕士学位论文第一章绪论 温下的磁电阻率都达到1 0 以上甚至更高。这种g m r 效应因其在高密度磁记 录读出磁头的潜在价值，一出现便引起了人们的极大兴趣。遗憾的是在多层膜系 统中，较大的磁电阻变化往往伴随较强的层间耦合作用，需要很大的饱和磁场才 能实现最大的磁电阻变化率，电阻变化的磁场灵敏度并不高，这显然不能满足实 用化的技术要求。通过削弱磁性层之间的耦合作用，如对c o c u 多层膜，控制 c u 层厚度使系统交换耦合发生在第二个耦合峰，所需外加饱和场可降低。采用 这种方法处理后，在提高g m r 效应和降低饱和场方面，取得了一定的进展，但 离实用化还有一段距离。 图1 2 过渡金属的态密度函数n ( e ) 示意图 对于普通金属，电子的自旋是简并的，所以不存在净的磁矩，费米面附近的 电子态对于自旋向上和自旋向下当然也是完全一样的，因而输运过程中电子流是 自旋非极化的。对于铁磁过渡金属来说，交换作用能与动能的平衡使系统不同自 旋的子带发生交换劈裂，自旋向上的子带与自旋向下的子带发生相对位移，引起 自发磁化，这样一来系统的动能虽然增加了，但由于其3 d 电子在费米面附近具 有非常大的态密度，动能的增加不大，而交换作用能却大大减小，因而系统的总 能量有所下降。交换劈裂使自旋向上的子带( 多数自旋) 全部或绝大部分被电子 7 西南大学硕士学位论文第一章绪论 占据，而自旋向下的子带( 少数自旋) 仅部分被电子占据，故二者d 电子的态 密度相差甚大，在输运过程中电子流是部分极化的。图1 2 为铁磁金属的能带劈 裂交换模型示意图19 1 ，两子带的占据电子总数之差正比于它的磁矩，现在利用 先进的第一原理电子结构计算方法可以准确地计算出各种铁磁过渡金属和合金 的能带结构和磁矩【2 0 】。 h 9 一 ( d ) 图1 3 巨磁电阻效应的“二流体模型” ( a ) 相邻磁层磁矩反平行排列；( b ) 相邻磁层磁矩平行排列； ( c ) 磁矩反平行排列时电阻网络示意图；( d ) 磁矩平行排列时电阻网络示意图 m o t t 受到能带交换劈裂模型的启发，于1 9 6 4 年提出了关于铁磁性金属导 电的理论，即所谓的“二流体”模型【2 1 1 ，将传导电子分为自旋向上和向下两类 导电载流子。在铁、钴和镍等铁磁金属中，导电的s 电子要受到磁性原子磁矩 的散射作用，散射几率取决于导电s 电子的自旋方向与固体中磁性原子磁矩方 向的相对取向。材料电阻的大小与受传导电子所受到的散射作用的强烈程度有 关：当散射过程强时，电子的平均自由程短，电阻大；当散射过程弱时，导电电 子的平均自由程长，电阻就小。若在上层的自旋向上的电子进入下一层时，能够 进入下一层的自旋向上的子能带，电子几乎不受磁散射。如果不能进入下一层自 8 ： 西南人学硕士学位论文 第一章绪论 4 0 3 0 兰2 0 疋 等l o o 图1 4c o c u 多层膜的g 帜与c u 层厚度t c u 的关系曲线 在磁性金属和非磁性金属交替沉积构成的多层膜系统中，人们对磁性金属多 层膜中存在的层间交换耦合作用做了深入地研究，s s p p a r k i n 【6 】在c o c u 多层膜 中发现随c u 层厚度的变化，铁磁一反铁磁耦合出现周期性变化，其g m r 也出现 周期性的振荡，振荡周期约在1 2 姗2 1m 之间，此后在f e c r ，c o c r ， c u 爪u 【5 ，6 1 ，f e a g 【2 4 1 ，n i f e a g 【2 5 1 ，f e m o 等系统观察到不同大小的g m r 及相似 的情况，磁性多层膜的层间交换耦合随非磁层的厚度而周期振荡变化对绝大多数 非磁过渡元素差不多是一种普遍现象，并且发现( 1 0 0 ) 取向的贵金属作为非磁 层时同时存在长周期和短周期。交换耦合除了随非磁层的厚度振荡变化以外，人 们还发现它随磁性层的厚度也发生振荡变化。在磁性多层膜中除了1 8 0 。的交换 耦合之外，人们发现在有的体系中存在9 0 。的交换耦合拉7 。 1 3 2 自旋阀( s pnv aiv e ) 结构 1 9 9 1 年，b d i e n y 等人提出了一种自旋阀结构的多层膜，并首先在此结构 中发现了巨磁电阻效应【2 引。这种结构有效地降低了饱和磁场强度，提高了灵敏 度。应该指出，自旋阀体系中层间反铁磁耦合并不是产生巨磁电阻的充分条件。 当相邻铁磁层中饱和磁化强度胍相对取向发生改变时，就会表现出较大的磁 电阻效应，自旋阀结构就是这样一种无耦合( 或弱耦合) 的多层结构。 l o 两南大学硕士学位论文第一章绪论 向同性的特点。电子在颗粒膜中输运受到磁性颗粒与自旋相关的散射，从而产生 巨磁电阻效应。通常将颗粒膜系统中的铁磁颗粒的磁矩看作在空间呈混乱分布， 传导电子的散射与磁矩的取向排列有关，具有不同自旋取向的传导电子在颗粒膜 界面附近的散射几率不同。未加磁场时，磁性颗粒膜中颗粒的磁矩混乱取向，对 于自旋向上或向下的传导电子散射几率是相等的，加磁场后导致颗粒的磁矩趋向 于沿磁场方向排列，使磁性层的自旋取向趋于一致，导致自旋向上或向下的传导 电子散射几率的不同，同样采用二流体模型，这时两个通道并联后的总电阻会减 小，从而产生了g m r 效应。 目前，颗粒膜的研究主要集中在两大类： ( 1 ) 金属( 合金) 金属类型。其巨磁电阻效应主要来源于颗粒体和界面处 的自旋相关散射。如t 1 1 a n g a r a j 等用分子束外延制备的f e a g ，c o a g 颗粒膜 在室温下最大磁电阻达到2 0 。 ( 2 ) 金属绝缘体类型。这类颗粒膜与隧道结相似，其巨磁电阻效应主要来 源于颗粒体和界面处的自旋相关遂穿。如c 0 3 5 ( s i 0 2 ) 6 5 颗粒膜室温下，m r 4 p 引。在金属一绝缘体颗粒膜中，随着膜中金属体积分数的减少，薄膜由金属逐 渐变成绝缘体。在过渡区内，金属颗粒形成迷宫型的网格状，此时的金属体积分 数称为逾渗阈值( 一般为0 5 o 6 【3 6 】) 。在磁性元素逾渗区域往往呈现出巨磁电 阻效应。 与多层膜相比，颗粒膜制备工艺比较简单、成本低，一致性、重复性高，价 廉、热稳定佳。c o a g 颗粒膜体系中的巨磁电阻效应在液氮温度可达5 5 、室 温可达2 0 ，而现在实用的磁性合金仅为2 3 。但颗粒膜的饱和磁场较 高，灵敏度较低，较适宜应用于磁传感器中。研究的方向是降低饱和磁场，提高 磁场灵敏度，一旦在降低饱和磁场上有所突破将存在着很大的潜力。目前在 f e n i a g 颗粒膜中发现最小的磁电阻饱和磁场约为3 2 朋加，这个指标已和具有 实用化的多层膜比较接近，从而为颗粒膜在低磁场中的应用展现了一线曙光。 1 3 4 稀磁半导体 铁磁特性和半导体特性共存于一体的研究可追溯到上世纪的6 0 ，7 0 年代， 但这类磁半导体的晶体结构和s i ，g a a s 等有极大的不同，而且其晶体生长极为 困难。半导体材料之所以应用广泛，在于可以通过很少量的n 型或p 型杂质就 能改变其特性，因此人们想到了通过掺入磁性离子来改变其磁性的方法。但由于 存在n 型和p 型搀杂的困难，限制了其器件应用1 3 。同现代半导体工艺相容 的方法是引入高浓度磁离子使非磁性的半导体带磁性。磁离子的引入会给传统的 非磁半导体电子、光电子材料带来不同的特性，甚至能由此引发一场新的技术革 命。半导体磁性化的主要障碍是磁离子在其中的固溶度太低，由于磁效应大致正 1 2 西南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本论文研究的目的和意义 巨磁电阻效应( g m r ) 由于在读出磁头、磁随机存储器和高灵敏度磁传感器 等方面表现出的广阔应用前景以及重要的基础研究地位吸引了广泛注意，人们对 巨磁电阻效应已作了大量的研究并取得了很多的成果。基于“自旋相关散射”理 论的二流体模型对巨磁电阻效应的解释获得了很大的成功，但此模型的描述是非 常粗略的，而且只考虑了电子在铁磁层内部的散射，即所谓的体散射。实际上， 在磁性材料与非磁性材料界面处的自旋相关散射有时更为重要，尤其是在一些 g m r 较大的多层膜系统中，界面散射作用往往占主导地位。半经典模型通过引 入自旋相关的界面散射和体散射系数对磁性多层膜的巨磁电阻效应进行了定量 计算，获得了和实验比较一致的定量的理论结果。基于量子输运理论对多层膜巨 磁电阻效应的处理认为界面或体内的杂质和缺陷的散射是导致多层膜巨磁电阻 效应的关键。尽管如此，人们对磁性多层膜巨磁电阻效应的微观物理机制还是没 有一个完整的满意的解释，如究竟是界面散射还是体内散射在巨磁电阻效应中占 主导地位，还是两者都一样重要，要澄清这些问题，对理论和实验都是一种挑战。 目前，普遍认为金属多层膜中g m r 主要源于相邻的铁磁层的反铁磁耦合，与界 面原子排列的粗糙度相关，但在c o c u 超晶格中也发现g m r 源于界面的超顺磁 性引起的界面自旋相关散射，因此进一步深入研究界面磁结构、粗糙度等对多层 膜g m r 的影响，有助于弄清楚其耦合机制及“铁磁非磁铁磁”长程交换作用及 其普适性( 包括铁磁与反铁磁，反铁磁与反铁磁之间的长程交换作用) 。铟有比 较长的平均自由程【4 ，在电子输运中可能有比较好的效果，然而有关铟作为非 磁层的磁性多层膜的研究却未见有报道。本文在国际上第一次利用磁控溅射的方 法制备了f e i n 多层膜样品，系统地研究了不同温度下非磁性层和铁磁层的变化 对巨磁电阻效应的影响，探讨了其耦合机制；并且测量了m r 随温度的变化，分 析了产生的来源，有助于进一步理解界面结构等对多层膜g m r 的影响。 颗粒膜具有接近磁性多层膜的巨磁电阻值，但制备却十分方便价廉，有可能 在磁传感器上获得广泛应用。颗粒膜中丰富的界面效应，对电子输运特性、磁学 性质等有显著的影响。铁磁一非磁金属型颗粒膜的g m r 效应是近十多年来研究 的一个热点，其g m r 效应主要源于不同自旋耿向的传导电子在颗粒膜界面附近 的自旋相关的散射。颗粒膜中颗粒的大小以及界面构型对其输运特性有重要的影 响，因此研究颗粒与内部分布的变化情况对颗粒膜微结构的了解有重要的意义。 然而由于构成颗粒膜必须满足某些条件，如两组元应互不固溶等，因而颗粒膜的 种类很有限。目前金属颗粒膜巨磁电阻效应的研究主要是二大材料系列：银系， 如c o a g ，f e a g 等；铜系，如c o c u ，f e c u 等。由于f e 几乎不溶于i n ，因而 f e 与i n 共溅射可形成颗粒膜。但是到目前为止，仍未有f e i n 颗粒膜的研究报 1 4 两南大学硕士学位论文第一章绪论 道，本论文在国际上首次采用共溅射的方法，制作了f e i n 颗粒膜，研究其成分 随厚度的变化及电磁性质。 铟是一种稀有分散金属，在我国储量最多。铟是制备高性能电子元件的重要 材料，广泛用于制作半导体、高纯合金和半导体材料的搀杂剂。由于f e 几乎不 溶于i n ，且铟有比较长的平均自由程，在电子输运中可能有比较好的效果，因此 研究f e i n 磁性薄膜的磁电阻效应可以进一步扩展铟的应用领域。所以，f e i n 磁 性多层膜和颗粒膜不论是基础理论研究还是应用研究，都是值得重视的新型人造 功能材料。 西南人学硕士学位论文第一章绪论 参考文献： 1 】张立德，牟季美纳米材料和纳米结构，科学出版社，2 0 0 2 【2 】rph u m i e e e 1 r m sm a g n1 9 7 1 ，7 ：5 4 4 0 3 】p g m n b e r g ，r s c h r e i b e r ，a n dy p a n g ，p h y s r e v l e t t 19 8 6 ，5 7 ：2 4 4 2 【4 m n b a i b i c h ，j m b r o t o ，a f e r t ，f n g u y e nv a nd a u ，f p e t r o f p e i t e i l l l e ， g c r e u z e t ，a f r i e d e r i c h ，a n dj c h a z e l a s ，p h y s r e v l e t t 19 8 8 ，61 ：2 4 7 2 2 4 7 5 5 】s s p p a r k i n ，r b h a d r a ，a n dk p r o c b e ，p h y s r e v l e t t 19 9 1 ，6 6 ：2 15 2 2 l5 5 【6 】s s p p a r k i n ，n m o r e ，a n dk p r o c h e ，p h y s r e v l e t t 1 9 9 0 ，6 4 ：2 3 0 4 - 2 3 0 7 【7 】a e b e r k o w i t z ，j r m i t e k e l l ，m j c a r e y ，a p y o u n g ，s z h a n g ，f e s p a d a ，f t p a r k e r ，a h u t t e n ，a n dg t h a m a s ，p h y s r e v l e t t 19 9 2 ，6 8 ：3 7 4 5 8 】j q x i a o ，j s ji a n g ，a n dc l c h i e n ，p h y s r e v l e t t ，19 9 2 ，6 8 ：3 7 4 9 【9 h e l m o l ti 乇v o n ，w e c k e rj ，h o l z a p f e lb ，e ta 1 p h y s r e v l e t t 19 9 3 ，71 ：2 3 31 1o 】t m i y a z a l ( i ，n t e z u k a g i a n tm a g n e t i ct u n n e l i n ge 脏c ti nf e a 1 2 0 3 f e j u n c t i o n s j m a g n m a g n m a t e r ，1 9 9 5 ；1 3 9 ：l 2 3 l l 2 3 4 1 1 】d l o s s ，d p d i v i n c e n z o ，p h y s r e v a19 9 8 ，5 7 ：12 0 12 】c b u r k a r d ，h e n g e l ，a n dd l o s s ，f o r t s c h r p h y s 2 0 0 0 ，4 8 ：9 6 5 【l3 】w f l e v e r t o na n da j d e k k e r ，p h y s r e v 19 5 0 ，8 0 ：7 3 2 ；l9 51 ，81 ：l5 6 【1 4 】j b a b i s k i n ，p h y s r e v 1 9 5 7 ，1 0 7 ：9 8 1 【1 5 】h w e i s s ，i e e es p e c t m m ，j a n 1 9 8 6 ，7 5 ；s i e m e n s 公司产品目录 【16 】z e n e r i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ed s h e l l si nt h et r a n s i t i o nm e t a l sf e n o m a g n e t i c c o m p o u n d so fm a n g a n e s ew i t hp e r o v s k i t es t m c n l r e p 1 1 y sr e v ，l9 51 ，8 2 ( 3 ) ：4 0 3 4 0 5 【17 】g e n n e spg d e e f i f e c t so fd o u b l ee x c h a n g ei nm a g n e t i cc r y s t a l s p h y si 沁v ，1 9 6 0 ， 1 1 8 ( 1 ) ：1 4 l - 1 5 7 【1 8 王明光，陈万金纳米的l a o 7 c a o 3 m n 0 3 高分辨电镜研究松辽学刊( 自然 科学版) 2 0 0 2 ，( 1 ) ：1 7 1 9 【1 9 】姜宏伟磁性金属多层膜中的巨磁电阻效应物理1 9 9 7 ，2 6 ( 9 ) ：5 6 2 5 6 7 2 0 】姜寿亭，李卫凝聚态磁性物理北京：科学出版社，2 0 0 3 2 1 】n f m o t t ，a d v p h y s ，1 9 6 4 ，1 3 ：3 2 5 【2 2 】r e c a m l e ya n dj b a m a s ，p h y s r e v l e t t ，19 8 9 ，6 3 ：6 6 4 【2 3 】蔡建旺，赵见高，詹文山，沈保根，物理学进展，1 9 9 7 ，1 7 ：1 1 9 【2 4 】c h e n g t a oy u ，s h u x i a n g “，w u y a nl a i ，m i n g l a n gy a n ，e ta 1 g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c ei nf e a gm u l t i l a y e r sa n di t sa n o m a l o u st c m p e r a t u r ed e p e n d e n c e p h y s r e v b ，1 9 9 5 ，5 2 ：11 2 3 1 1 3 2 【2 5 】c c o w a c h e ，b d i e r l y ，a c h 锄h e r o d ，e ta 1 p h y s r e v b ，19 9 6 ，5 3 ：15 0 2 7 一l5 0 3 5 1 6 西南人学硕士学位论文 第一章绪论 2 6 】阎明朗王亦中赖武彦，磁控溅射f e 肌。多层膜的巨磁电阻及层间耦合【j 】， 物理学报，1 9 9 5 ，4 4 ：1 5 0 4 1 5 0 8 【2 7 】c h m a r r o w s ，a n db j h i c k e y ，p h y s r e v b19 9 9 ，5 9 ：4 6 3 【2 8 b d i e n y ，v s s p e r i o s u ，s s p p a 】- k i ne ta 1 ，p h y s r e v b 1 9 9 l ，4 3 ：1 2 9 7 【2 9 】l e a l j la n dk 叮d e r m k s p i nv a l v e se x c h a n g eb i a s e db yc o r - u c o s y n t h e t i ca n t i f e r r o m a g n e t s j a p p l p h y s 19 9 8 ，8 3 ( 7 ) ：3 7 2 0 3 7 2 3 【3 0 】t o n g h c ，s h i x ，l i u f ，e ta 1 g r e a t e rn l a n1 4g b s p i nv a l v eh e a d s i e e e t k m s m a g n 19 9 9 ，3 5 ( 5 ) ：2 5 7 4 2 5 7 9 【3l 】g u m e y b a ，s p e r i o s u v s ，n o z i e r e s j p ，e ta 1 d i r e c tm e a s u r e m e n to f s p i n d e p e n d e n tc o n d u c t i o n - e l e c t r o nm e a nf r e ep a t h si nf e r r o m a g n e t i cm e t a l s p h y s r e v l e t t 19 9 3 ，71 ：4 0 2 3 - 4 0 2 6 【3 2 s w a 舒e n h j m ，s t r i j k e r s g j ，b l o e m e n p j h ，e ta 1 e n h a n c e dg i a m m a g n e t o r e s i s t a n c ei ns p i n - v a l v e ss a n d 、i c h e db e t 、v e e ni n s u l a t i n g n i o p h y s r e v b 1 9 9 6 ，5 3 ：9 1 0 8 - 9 1 1 4 【3 3 】p h o mav e v e r i t tba ，b e e c hrs ，e ta 1 b i a sf i e l da n de n de f r e c t so nt h e s w i t c h i n gt h r e s h o l d so f “p s e u d os p i nv a l v e ”m e m o 巧c e l l s i e e et r a n s m a g n 19 9 7 ， 3 3 ：3 2 8 0 3