（光学专业论文）mn掺杂多层膜巨磁电阻的制备与研究.pdf

摘要 近十年来，金属薄膜中磁电阻现象的研究有了突飞猛进的发展并开始走向实 用，各种自旋相关输运现象和新型薄膜结构与磁性的研究吸引了大批科学家和工 程师的兴趣。其中，c o c u 系列是磁电阻行为研究较为完善的一个系统，但其较高 的饱和场对投入实用化造成了很大的阻碍。本论文利用m n 对c o c u 系统的中间层 进行了多种不同情况的掺杂，成功的得到了低饱和场的磁电阻行为，并进行了一 系列磁性和磁电阻行为的研究，得到了一些初步的结论。主要工作如下 i ) 进一步研究了中间层体掺杂的c o c u m n c o 三明治结构 制备了不同m n 掺杂浓度的c o c u m n c o 系列，对其磁性及磁电阻性质进行了较 详细的研究。证实了w a n g 等人以前发现的低饱和场磁电阻行为，并得到了进一步 的结论。 2 ) 利用m n 对c o c u c o 系统进行了层掺杂的系统研究 制各了几个系列的c o c u ( d 0 | ) m n c u ( d c l l ) c o 层掺杂磁性薄膜，对其进行了大 量的实验研究。发现层掺杂与体掺杂一样都可以得到低饱和场的磁电阻，但是两 者之间仍然存在着差异。在c o ( 2 0 n m ) c u ( 0 8 n m ) m n ( 0 3 n m ) c u ( 0 8 n m ) c o ( 2 0 n m ) 样品中，我们发现了这批样品的最高磁电阻值i 2 。 复旦大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h el a s t d e c a d e ，a l o to f p r o g r e s s e s h a v e b e e nd o n ei nt h e s t u d y o f m a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) a n de v e ns o m en o v e la p p l i c a t i o nd e v i c e sb e g i nt oa p p e a r v a r i o u ss p i nd e p e n d e n tt r a n s p o r tp h e n o m e n a ，m a g n e t i cp r o p e r t i e si nt h i nf i l m sa n d n e ws t r u c t u r e so ft h i nf i l m sh a v eb e e n d e v e l o p e da n da t t r a c t e dh u g ei n “玎e s to f s c i e n t i s t sa n de n g i n e e r si nt h i sf i e l d a m o n gt h e s e ，c o c us y s t e mi ss t u d i e dw e l l ，b u t i t s h i g hs a t u r a t i o nf i e l di s ab i go b s t a c l ef u rt h ea p p l i c a t i o ni nt h i st h e s i s ，w ed o p e d m na t o m si n t oc u s p a c e ro f c o c us y s t e mb ys e v e r a lw a y s g o tt h em r b e h a v i o ro f l o ws a t u r a t i o nf i e l ds u c c e s s f u l l y m o r e o v e r , w ed i das e to f s t u d yi nm a g n e t i s ma n d m r , t h ep r e l i m i n a r yr e s u l t sw e r eo b t a i n e d a sf o l l o w s ， ( 1 ) f u r t h e rs t u d i e so nc o c u m n c os a n d w i c hs t r u c t u r e st h a td o p e ds p a c e r b y m n f a b r i c a t e dc o c u m n c os y s t e mw i t hd i f f e r e n tm n d o p e dc o n c e n t r a t i o n , s t u d i e dt h e i r m a g n e t i s ma n dm a g n e t o r e s i s t a n c ep r o p e r t i e s t h er e s u k sc o n f i r mt h el o ws a t u r a t i o n f i e l d m a g n e t o r e s i s t a n c eb e h a v i o rw h i c hw a sf o u n db yw a n g f u r t h e rr e s u l t sw e r e o b t a i n e db yo u rs t u d y ( 2 ) d o p e dm n1 a y e ri n t oc us p a c e ro f c o c u c os y s t e mb yd i f f e r e n tp o s i t i o n s f a b r i c a t e ds e v e r a ls e r i e so f c o c u ( d c 。o m n c u ( d c u 2 ) m a g n e t i ct h i nf i l m s ，d i dl o t so f s t u d i e so nt h e m w ef o u n dt h a tt h el o ws a t u r a t i o nf i e l dm r b e h a v i o ra l s oc 姐b e o b t a i n e db y d o p i n gm nl a y e r , j u s tl i k eb u l km n - d o p e dc a s e b u ts o m ed i f f e r e n c e ss t i l l e x i s tb e t w e e nt h e m i n c o ( 2 0 n m ) c u ( 08 n m ) m n ( 0 3 n m ) c u ( o 8 n m ) c o ( 2 o n t o ) s a m p l e ，w eg o tt h eh i g h e s tm rv a l u ea m o n gt h i ss e to f s a m p l e s 复 黜大学硕士学位论文 i i 序言 第一章前言 在过去的几十年中，以半导体工艺为基础的微电子学得到了飞速的发展，其 中惫括最秘静分立瞧路元彳串替代剽袋终半等体芯冀上电路元件的大蕊模集成一 肖特基二极管替代了整流瞥，各种特性的蕊体三极管替代了用于信号调制鄹放大 的粪空三极管，电阻、电释也在向集成方向发展，并且集成度越来越高，功能越 来越复杂。毽是，作为另外一个基础部分，磁性楗料相关的元件却远远落农了嚣 面，这无疑是令人遗憾的。作为磁性材料本身，它具有着很多区别于传统电子学 豹特性，瑟至在现代集残彀子学孛媳仍然蠢簧许多不哥致戴黪镬念。 从几千年前磁石的发现，指南针的应用，到1 9 世纪工业革命中的发电机、电 豌撬，蠢鬃臻代懿藤簇及徽波磁毪嚣释，磁存储爨俸( 魏磁粢，磁盘等) ，疆及 信用卡、冰箱封条的日用髑品，磁性材料的应用可以说是历史悠久，应用广泛。 熬褥在现代新型鹃藤子或纳米尺度材精酶开发和应精方面却远远落精于半释体领 域。原因主要有两个：( 1 ) 电子是电荷以及皇旋的载体，现在已经墩孚导很大成就 的微电子举是以研究、控制和应用率导体中不同数麓的载流子输运为基础来控制 电子的电搿转移，嚣翔露控铡电子的垂旋援l 还未发袋残熟。( 2 ) 嚣袭豹特 燕长疫 不同。半导体中的输运行为，其载流子的特征长度往往在几十纳米以上，而磁性 榜糕稳磁犍来源予邀子之潮熬交羧终嚣，葵律震筵鬣逶零只有嚣个鞭子斡爨燕。 因此，研究的磁性材料结构必须能够控制穰纳米量缴或更小。这客观的制约了新 型磁性材辫懿发震。 、 近年来，随着基础工艺的不断进步，原子尺寸的材料生长和测擞水平有了报 大的发展，已经可以简备蹬各种新的纳米材料。超黼真空分子束外蜓、磁掇溅射 仪、激光歇 申沉积镰设各，使铡备糍质量的原子尺嶷匏久王结构袋为可能；褥先 进的测量手段，如超导量予干涉仪( s q u i d ) 、扫描隧道显徽镜( s t m ) 椁，又使人们 成功豹戏嬲到续张缝稼产生豹徽弱傣号，这样就傻餐精确熬控鬟魏尺寸豹磁缝 材料成为可能。 我嚣3 袋在正楚予倍惠摹龠器孝 弋，飞速发装瓣各释电子臻怠存储瑟求更快的存 复旦大学碗士学位论文 取速度、更小的体积、更高的记录密度和更好的性能价格比。这使得人们加速研 究与此相关的各项技术。在这个背景下，研究如何利用电子的自旋来控制其输运 过程的磁学与微电子学的交叉学科一磁电子学( s p i n t r o n i c s ) 一作为一个新兴 的，具有巨大潜能的学科，正在受到越来越多的关注。下面我们将结合磁电子学 的发展简介 1 来引出本论文的研究背景。 我们知道，在铁磁金属中，由于交换劈裂，费米面处自旋向上与自旋向下的电 子态密度不等，因而自旋向上电子载流子数与自旋向下电子载流子数是不等的，故 在电场的推动下，铁磁金属中的传导电子流必定是自旋极化的。此外，也正是由于 铁磁金属在费米面处自旋向上与自旋向下的电子态密度不等，它们对不同自旋取 向的电子的散射也不一样。今天，人们还认识到，来自铁磁金属的自旋极化的电子 流在其进入非磁性金属后，由于非磁金属中大多数的电子散射并不引起自旋的翻 转，因而在相当长的自旋弛豫时间内或者说在相当大的自旋扩散长度范围内( 室温 下，为微米数量级) ，其自旋方向将保持不变。磁电子学就是以研究这种介观尺度 范围内自旋极化电子的输运特性( 包括自旋极化、自旋相关的散射与自旋弛豫) 以 及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的机理下工作的电子器件为主要内 容的一门新的交叉学科。 铁磁金属输运特性受磁场影响的现象人们早在一百多年前就作过相当仔细的 观测，t h o m s o n 于1 8 5 7 年发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应 2 。由于科学 发展水平及技术条件的局限，数值不大的各向异性磁电阻效应在一个多世纪的历 史时期内并未引起人们太多的关注。1 9 7 1 年h u n 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盘系统的读出磁头 3 ，在随后的二十多年里，就是这样 一个非常小的磁电阻效应却对计算机磁存储存技术产生了深刻的影响。到了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b a i b i c h 发现( f e c r ) 多 层膜的磁电阻效应在4 2 k 下高达4 3 ，比坡莫合金大一个数量级 4 。这就是巨磁 电阻效应( g m r ) 。g m r 一发现，立刻引起了全世界的轰动，其巨大的应用前景引发 了全世界科研工作者对磁电阻的研究热潮：1 9 9 2 年，美国的c h i e n 、b e r k o w i t g 小组分别独立在“铁磁金属非磁金属”的颗粒膜中发现存在负巨磁电阻效应 5 ，6 。之后1 9 9 4 年j i n 等在类钙钛矿l a c a m n - o 系列中发现了特大磁电阻效 应 7 。1 9 9 4 年，日本的m i y a z a k i 小组和美国麻省理工的m o o d e r a 小组分别在 f e a i2 0 j f e 8 和c o f e h 1 2 0 3 c o 9 组成的三明治结构中发现巨磁电阻效应。1 9 9 5 复旦大学硕士学位论文 年，在c o a 卜0 颗粒膜中同样发现了类似的大的隧道磁电阻效应 1 0 。与此同时， 磁电阻效应被成功的应用于计算机数据储存系统中。1 9 8 5 年i b m 公司将h u n t 的 设想付诸实现，并将这样的读出磁头用于i b m 3 4 8 0 磁带机上：1 9 9 0 年又将感应式的 写入薄膜磁头与坡莫合金制作的磁电阻式读出磁头组合成双元件一体化的磁头， 在c o p t c r 合金薄膜磁记录介质盘上实现了面密度为i g b i n 2 的高密度记录方式 1 1 。1 9 9 1 年日立公司报道了在3 5 英寸硬盘上利用双元件磁头实现了2 g b i n 。 的高记录密度 1 2 。1 9 9 4 年，i b m 公司利用g m r 效应制造出可记录密度高达 l o ”b i t i n 2 的硬盘读出头。 至今，磁电子学仍然在这样的研究热潮中迅速发展着，同时也不断的开拓着 其应用领域。从1 9 8 8 年巨磁电阻效应的发现，到1 9 9 5 年i b m 制造出计算机硬盘 的g m r 读出头，只用了不到八年的时间，这是非常典型的科研迅速市场化、产业 化的例子。在强大的市场推动力作用下，磁电子学正在以惊人的速度发展、成熟 和壮大。而g m r 效应也已经应用到许多的领域，如汽车的速度传感器，不挥发的 磁存储器( m r a m ) 等。 人类利用电子的电荷在半导体芯片上开创了今天的信息时代。可以想象，建 立在控制电子自旋及其输运基础上的磁电子学必然将会带来一场新的技术革命。 因此在这个领域上，科研工作者将大有可为。 1 2 本论文的工作 本论文的主要工作对原有磁控溅射仪进行了维修及改造，在设备工作状态良 好的情况下制各了不同系列的掺杂型磁性薄膜，并进行了磁性和磁电阻的研究， 希望可以找到一种高灵敏度的磁电阻材料，以及进一步了解不同的掺杂对磁电阻 性质的影响。 具体的工作如下： 1 ) 设备的维修及改进 对磁控靶进行了改造，并更换了原有国产溅射电源，对整个溅射仪进行了调 试，使其工作状态良好，能制备出较高质量的磁性多层膜。 复旦大学硕士学位论文 2 ) 进一步研究了中间层体掺杂的c o c u m n c o 三明治结构 制各了不同m n 掺杂浓度的c o c u m n c o 系列，对其磁性及磁电阻性质进行了 较详细的研究。证实了w a n g 等人 1 3 以前发现的低饱和场磁电阻行为，并得到 了迸一步的结论。 3 ) 利用m n 对c o c u c o 系统进行了层掺杂的仔细研究 制备了几个系列的c o c u ( d c 。) m n c u ( d 。) c o 层掺杂磁性薄膜，对其进行了 大量的实验研究。发现层掺杂与体掺杂一样都可以得到低饱和场的磁电阻，但是 两者之间仍然存在着差异。在c o ( 2 o h m ) c u ( 0 8 r i m ) m n ( 0 3 n m ) c u ( 0 8 n m ) c o ( 2 o h m ) 样品中，我们发现了所有样品的最高磁电阻值1 _ 2 。 4 复旦大学硕士学位论文 参考文献 蔡建旺等磁电子学中的若干问题物理学进展v 0 1 1 7n o 2 ( 1 9 9 7 ) 1 9 1 w t h o m s o n ，o r o c r o y s o c 8 ( 1 8 6 7 ) 5 4 6 r p h u n t ， i e e et r a n s m a g n 7 ( 1 9 7 1 ) 1 5 0 m n b a i b i c he ta 1 ，p h y s r e v l e t t 6 1 ( 1 9 8 8 ) 2 4 7 2 j o h n g x i a oe ta 1 ，p h y s r e v l e t t 6 8 ( 1 9 9 2 ) 3 7 4 9 a e b e r k o w i t ge ta 1 ，p h y s r e v l e t t 6 8 ( 1 9 9 2 ) 3 7 4 5 s j i ne ta 1 ，s c i e n c e2 6 4 ( 1 9 9 4 ) 4 1 3 t m i y a z a k ie ta 1 ，j m a g n m a g n m a t e r 1 3 9 ( 1 9 9 5 ) l 2 3 1 j s m o o d e r ae ta 1 ，p h y s r e v l e t t 7 4 ( 1 9 9 5 ) 3 2 7 3 ， j s m o o d e r ae ta 1 ， j a p p l p h y s 7 9 ( 1 9 9 6 ) 4 7 2 4 h f u j i m o r ie ta 1 ， m a t e r s 0 1 e n g b 3 1 ( t 9 9 5 ) 2 1 9 c t s a n ge ta 1 ， i e e et r a n s m a g n 2 6 ( 1 9 9 0 ) 1 6 8 9 g j k o e le ta 1 ， u sp a t e n t ( 1 9 9 1 ) 4 3 0 0 - 1 7 h w a n g ， e ta 1 ， j a p p l p h y s 8 5 ，5 0 3 0 ( 1 9 9 9 ) 5 跚嘲吲吲吲嘲 复旦大学硕士学位论文 第二章磁电阻中的基本概念 下面我们先就本论文中涉及到的几个磁学概念加以讨论 2 1 磁性多层膜中的层间耦合( i e c ) 磁性多层膜是指多层膜交替组成部分中至少有一元是磁性材料，例如：( 1 ) 铁 磁非磁( 如f e m o ，f e c u ，c o l c u 等) ：( 2 ) 铁磁反铁磁( 如f e o r ，f e m n ) ： ( 3 ) 铁磁铁磁( 如f e n i ) ：( 4 ) 稀土磁多层膜( 如g d y ，d y y ) ：( 5 ) 铁磁 超导( 如f e v 等) 。 磁性多层膜的各个膜层一般都在纳米量级，这个厚度和室温下电子的德布罗 意波长可以相比拟。当电子被约束在这样小的结构里时，能带将被劈裂成分立的 能级，并会表现出与块状材料极为不同的物理特性。层间耦合的发现就是其中一 个典型的代表。 磁性多层膜中，当中间层的厚度较小时，相邻铁磁层之间存在着某种耦合， 使得它们的磁化方向趋于平行或者反平行排列，前者称铁磁耦合，而后者则称反 铁磁耦合。关于层间耦合早在1 9 7 8 年就开始了研究，是从t h a l e r 等对n i c u 多 层膜的研究 1 展开的。但直到1 9 8 6 年才由g r t t n b e r g 小组 2 用光散射的方法在 f e c r f e 夹层膜中观测到了反铁磁耦合模式的存在。图2 卜1 是b a i b i c h 等人 3 用m b e 方法制备的f e c r 多层膜中看到的磁滞回线的变化。随c r 层变薄，膜面 h ，吨 彦 三勿 i 5 h - 8 i p 一1 图2 卜1 几个( 0 0 1 ) f e ( 0 0 1 ) c r 多层膜的磁滞回线，温度4 2 k 复日，大学硕士学位论文 磁化越趋困难，证明反铁磁耦合强度随c r 层厚度变薄越加强烈，并首次发现了 巨磁电阻效应。 同时，一些研究小组 4 在稀土超晶格( 如g d y ，d y y 和g d d y ) 中发现了铁 磁耦合和反铁磁耦合的交替出现。对g d y 的理论解释是由y a f e t 5 引入的，计 算的结果是层间交换作用常数j 随y 原子层数呈现出铁磁与反铁磁耦合交替的振 荡，并且随非磁层数的增加而很快的衰减。这之后，振荡的层间耦合还在其它由 铁磁非磁过渡族元素组成的多层膜结构中被大量发现，如f e c r ，c o c u ，c o r u ， f e c u ，f e k l 等 6 8 ，而且不仅仅限于b l b e 生长的样品，在溅射方法制备的样 品中也同样得到了类似的结果。 形成层间交换作用的机制由几种，一是层与层之间穿孔( p i nh o l e ) ，两种成 分互相渗透，形成直接交换耦合；二是静磁偶极耦合，它是磁偶极在较长距离上 的相互作用，可导致膜层磁化强度的反平行排列；三是r k k y 式的间接交换耦合。 从机理上看，r k k y 式的间接交换耦台实际上是磁性层通过对非磁层传导电子的相 互作用及极化来实现耦合作用的。随着制备工艺的提高，在现在的超薄膜中，早 先的直接交换作用已经可以避免，r k k y 式的交换耦合已经称为层间耦合最基本的 来源 让我们来考虑一个最简单的层间耦合( i e c ) 单元一三明治结构的铁磁( f m 非 磁( n m ) 铁磁( 踟) 单元( 如图2 卜2 ) 。由于膜面的线度一般都远大于厚度，故可以 将膜面视为无穷大平面。为简单起见，假定两f m 都是单磁畴的，即磁化强度m l 和m 2 都是均匀的，它们的夹角为p 。 f 艇 f m n m 多7 f m ： 图2 卜2 铁磁非磁铁磁单元示意图 因为f m 和n m 都是金属，存在大量传导电子，它们处于整个系统内的运动状 7 复旦大学硕士学位论文 态中。若无外加电场( 电压) ，则上述运动形成驻波：反之，则形成宏观电流。以 i l l 表示某个传导电子的自旋磁矩。当它位于蹦，时，就会受到由h 1 ，形成的分子场 h = 口。m ，的作用，作用能为一m h 】，此处口，为分子场系数( 注意，此o f 】及后面 的口：是针对传导电子的，与针对局域电子的w e i s s 分子场系数不同) 。从能量最 小原理出发，可知当m 处于f m 。时，其平均方向 。平行于h ，从而平行于m ，。 当它经由n m ( 其中分子场为零) 运动到f m 。中，则到达时 。方向不变，但大小 将会变化，设其变为 。：a 这 。又会与f m 2 中的分子场h ：= a ：m ：发生作用， 作用能为一 】2 h 2o cc o s e 。同样，当电子从f m 2 运动到f m l 时，也会产生作用 能一 ：，如。cc o s e 。所有这样的作用能之和与膜面面积之比，便称为层间交 换耦合能，记为e ( 口) 。由上面的分析可知，e ( o ) 可近似的写为 e ( 目) = 一j ic o s ( e ) e ( e ) 是决定磁构型( 即m ，与m 2 的相对取向) 的能量项。当j 1 o 时，8 = 0 使 e ( o ) 达到最小，故磁构型为 ，与m 2 平行，即铁磁构型，这是称i e c 使铁磁( f ) 的。 当j ， 0 庆 ( 2 ) 备向异憾，但肚 励0 9 复旦大学硕士学位论文 ( 3 ) 磁场不高时，m r 。c b 。 往磁场懿的律篇下，亳予回旋遥动频率为。= 去玩。潜电子散射驰豫时间 为f ，鲻产生大m r 瀚条释为f 土，静c r 。b o l 。裁中零弱电导率：t , f f e z t 。 胛e 。 r r l 其中n ，e ，稳瓣分裂必电子懿密度、龟莓霹有效震量。 以c u 为例，珂= 8 5 x 1 0 2 8 m ，c r 0 = 7 8 x 1 0 7 q 。1 m _ 。，。f = 4 7 x 1 0 - 3 b o ，故 国。f 1 就要求b o 2 0 0 t e s l a 。实验上发现当b d = 3 0 t 时，0 m r z4 0 。若按 m r 岛2 估计，在臻= l o 寸t e s t a ( p t o o e ) 下，c u 黪k l r 蛙j 4 x 1 0 8 ，+ 分徽弱。 袅属b i 有较高的0 m r 。b i 薄膜在1 2 t e s l a - f ，m r “7 - - 2 0 。b i 单晶在低温下 哥这l _ 2 - 1 0 4 。睾导薅氇露较大豹o 鼹，势已经并发成裔菇纯鹩磁魄疆传惑器。 如i n s b n i s b 拭晶材料，当b 庐o 3 t e s l a 时，室温m r 2 0 0 。 程藩量煮以下的铁磁金瓣中，其督与自发磁化强发材，相应韵肉场鳓肠，。例 如f e 的内场离达2 1 t e s i a ，敬铁磁金属的零终场电隧搴中已经包含了惠场弓l 越瓣 0 m 2 备向异憔磁电阻 强向异性磁电阻怒指磁性材料的电阻率随磁化强度的方向与电流方向的棚对 取商变纯焉敬变秘现象 。w 由一个管遍豹嘏场矢煮的表达筑求得： 营= p r + a ( a 取成一p d + p h a x 了 砌是h a l l 电阻率，口为单畴样品的磁化强度方向，砌和岛分别是平行、 垂壹予g 豹惫疆率( 燕圈2 2 - 2 ) 。 复旦大学硕士学位论文 h 弼 图2 2 - 2 铁磁金属的各向异性磁电阻 对单畴样品，如果m 与j 的夹角为目，那么由上式可推出： p ( 目) = p rs i n 2 0 + p c o s 2 0 = p r + a p c o s 2 0 a p = 所一所。上式给出了单畴的各向异性磁电阻。当磁场使磁化强度从 口= 9 0 0 ，转到口= 0 0 时，电阻率由p ，变为p ，改变了a p 。a m r 与技术磁化相应， 即与从退磁状态到趋于磁性饱和的过程相应的电子的相对变化。 对于多畴材料，若退磁状态下磁畴为各向同性分布，略去畴壁散射的变化对 磁电阻的少量贡献，则p ( o ) 为其平均值凡= 1 3 ( p ，+ 2 n ) 。多数材料 p l l p ( o ) ，故 垃： o p 。p 。 纽： o p ”p 。 如果样品的岛p 。，说明其退磁状态下有磁畴织构。 外加磁场使铁磁金属饱和磁化强度发生少量变化，处于顺行过程时，相应还 会产生数值很小的顺行磁电阻( p m r ) 。故原则上，铁磁金属的磁电阻应为： m r = a m r + p m r + o m r 复旦大学硕士学位论文 铁磁金属的a m r 一般较小，例如n i c o 合金的a m r 在室温下为3 5 。 3 氧化物中的庞磁电阻( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) 1 9 9 3 年h e l m o l t 等人在类钙钛矿结构的l a 2 n b a l 3 m n o z 铁磁薄膜中发现了室温 下5 0 k o e 的外磁场的磁电阻效应r r 。达1 5 0 1 0 ，从而引起了m n 系磁性氧 化物输运特性的研究高潮。我们知道过渡金属阳离子大多具有未满的d 壳层，因 而具有磁矩。在金属氧化物中，尽管这些阳离子被氧离子所隔离，它们的磁矩之 间没有直接的交换作用，但在有的情况下，阳离子的磁矩之间可以通过氧离子的 激发电子态发生超交换作用 1 l 一1 3 ，形成磁有序结构。在这里所有的电子都是 局域的，因而这类磁有序的氧化物通常都有很高的电阻率。庞磁电阻主要涉及到 超交换作用，双交换作用，j o h n t e l l e r 效应，顺磁性反铁磁性向铁磁性的转变 及半导体的导电性向金属性的转变等概念。这方面的综述参见文献 1 4 。 4 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 ，g m r ) 在多层膜中，当相邻磁性层的磁矩呈反平行排列时，如果施加一个外场使它 们的磁矩成为平行排列，就会产生较大的磁电阻。与多层膜中的铁磁层本身的磁 电阻相比，其数值可扩大几十倍甚至上百倍。例如f e c r 多层膜的磁电阻室温下 可达1 1 3 ，4 2 k 时达4 2 7 ，c o c u 多层膜室温下m r 可达6 0 - - 8 0 ，远比a m r 大，故称为巨磁电阻g m r ，这种巨磁电阻的特点为： ( 1 ) 数值远比n c i r 的大。、 ( 2 ) 一般为负值，m r ：旦生二 0 。 岛 ( 3 ) 基本为各向同性。 复旦大学硕士学位论文 掌 、 ： 邑 ： 。蝴1 一 。 佃l 、 。 i ：= ：一j 。；毛：； f 湖d ( k o e ) u 图2 2 - 3f e c r 多层膜( a ) 磁滞回线( b ) 磁电阻曲线 图2 2 - 3 为f e c r 多层膜的磁滞回线与磁电阻曲线 1 5 。退磁状态下相邻 铁磁层的磁化方向为反平行排列，来源于层闻的反铁磁耦含。磁滞回线十分倾斜， i r o 并且有高的饱和场，这些都是反铁磁耦合的典型表现。中子衍射也直接证 实了这种反铁磁排列 1 6 。 g m r 效应常被归因于和自旋相关的电子的散射。g m i 通常通过施加一个外场 使相邻铁磁层的反平行排列变成平行排列而得到( 实际上，反铁磁耦合并不是要 得到g m r 的必然条件，只要相邻铁磁层的磁矩夹角在外加磁场的作用下发生变化， 就可以导致g m r 鲍出现。当然，理想的反铁磁耦合对于得到更大的g m r 值非常有 帮助) 。反铁磁耦合排列一般可以通过层间耦合效应得到，选择适当的中间层厚 度，就可以使以非磁层为中间层的相邻铁磁层的磁矩达到反铁磁耦合。当然，反 平行排列也可以通过其它的方法得到。例如，使磁性多层膜中相邻铁磁层具有不 同的矫顽力 1 7 ，这样在某个磁场范围内，相邻铁磁层的磁矩将会呈反铁磁排列。 或者是通过界面的反铁磁钉扎 1 8 ，这样的多层膜一般结构略为复杂。g m r 效应 不仅存在于层状结构中，在c u c o 等合金膜中也同样观察到巨磁电阻效应 19 。 复旦大学硕士学位论文 5 隧道结磁电阻( t u n n e li n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ) 磁性隧道结的基本结构为f m i f m ，其中i 为绝缘层。在垂直于膜面、纵穿 绝缘层的电压作用下可产生隧道电流，其电流和电阻依赖于f ，及f ：中m 。的角度。 在沿膜面方向的磁场作用下使f 。及f ：中m s 相对取向改变时可以观察到巨大的磁 电阻变化，称之为隧道结磁电阻。例如f e ( 1 0 0 n m ) a 1 2 0 3 f 5 5 n m ) f e ( 1 0 0 n m ) 的结 构，在室温和2 0o e 的磁场下磁电阻可达1 5 6 2 0 。 磁性隧道结中的磁电阻效应最早是1 9 7 5 年由j u l l i e r 开始的，他在低温4 2 k 下观察到c o o e c o 结有一个1 4 的电阻变化 2 1 。随后，1 9 8 2 年m a e k a w a 和g a f v e r 对n i n i o n i 、n i n i o c o 和n i n i o f e 等一系列磁隧道结的输运性质进行了研 究，也发现了数值不大的磁电阻效应 2 2 。随后对隧道结的研究开始有段时间 的停滞，直到1 9 9 5 年m i y a z a k i 和m o o d e r a 分别报道在f e a 1 2 0 3 f e 2 0 和 c o f e a i ：0 。c o 2 3 隧道结中发现室温磁电阻高达1 5 6 和1 1 8 之后，对隧道结 磁电阻的研究热潮又重新开始。最近几年已经取得相当的进展。 2 3 巨磁电阻的理论模型 电子在金属导体中运动时会与其他的电子或离子发生碰撞，从而导致电子的 散射，这宏观上就表现为导体的电阻。如果考虑电子的自旋，即导体中存在两种 电子，一种电子自旋向上( + 1 2 ) ，一种电子自旋向下( - 1 2 ) ，由于原子或电子磁矩 和电子的自旋之间存在相互作用，这时候电子的散射 铳与电子的自旋相关，而两 种自旋电子在导体中的散射几率将不再相同，这也就意味着不同自旋的电子在导 体中所受到的阻力也不相同，我们可以简单的把导体的电阻看作是由两个不同通 道的电阻并联所构成，其中一个通道是自旋向上电子的通道，而另一个通道则是 自旋向下电子的通道，这就是所谓巨磁电阻的双电流等效电阻模型。 考虑三明治结构的铁磁层( f m ) 非磁层( n m ) 铁磁层- ( f m ) 薄膜( f m n m 。多层 膜也可以化为这种结构) ，其中两f m 层的材料和厚度均相同。假设两f m 层中的 磁化都是均匀的，若无外磁场时，两铁磁层的磁矩成反平行状态，当施加一个外 1 4 复旦大学硕士学位论文 磁场使之磁饱和后，两铁磁层的磁矩将达到平行状态。假设多层膜中自旋向上的 电子数目与自旋向下的电子的数目相等，便可得到下面的物理图象。 当未加磁场时，两铁磁层中的磁矩方向反平行，无论是自旋向上或是自旋向 下的电子，它们都将受到与其自旋方向相同和相反的磁矩作用，从而产生散射， 导致电阻，此时可知两电流通道的电阻大小相同，记为r 。，整个薄膜的电阻即为 r ，、2 。 h 舡。 如 fn 球 s z = + l 2s 产- 1 2 n s 产+ l 2s 产一1 2 图2 b - 1 夹层膜中自旋相关散射示意图 当施加外磁场时，两铁磁层中的磁矩方向平行。此时，自旋不相同的电子将 受到不同的散射。如图2 3 - 1 ，自旋向上的电子由于受到的散射较小，因此对应 一个较小的电阻r ；而自旋向下的电子由于受到的散射较大，因此对应一个较大 的电阻r 。两个电阻相并联盾，将得到个比r 更小的电阻( r + r ) 2 。 这两种状态下的电阻r o 2 和( r + r ) 2 是不相等的，一般来说，前者的阻值要 r r 一 一 f_抖“。1r。，jf 、 乍长 ml，。，1 f年ii寸 ll，j，qll 审妇 复旦大学硕士学位论文 比后者大。因此可见在有外磁场的作用下，多层膜的电阻将会发生改变，这就是 巨磁毫隧效应豹来源蠡旋据关豹电子数瓣。惫隘变讫镶与朔殆滚态未翻磁 场时的电阻德之比便称为磁电阻比( m f ) ，标志着巨磁电阻效应的大小。 m r ：鱼_ 二丛：( 业) ：；( 盟) z p a fp k p 、 q 1 碰= p 。 p t 进一步的运算可农： - ( 三一1 ) ： 4 ( 言十等扣+ )a t fa t 。上 度。 上式谖餮磁窀澈魄不饺猿鞍子不对豫敬篱雩霆予群，焉麓还藏羧予各爱的j 萃 摄早的g m r 的理论模型怒由c a m l e y 和b a r n a s 2 4 2 5 给出的，它是一个墩经 典模溅，将电子的输运性质翔b o l t z m a n n 方程来描述，并将界面散射考虑为边界 条件，最后邋过复杂的求解霹褥至4 沿电场方囱的总电1 漩，从i 嚣褥型随捐邻磁性层 磁矩的相对取向变化的电阻值。 虽然上述熬准经蕻理论麓攀嚣壹鼹，豢羧诲多癸羧者矮寒羧舍实验缝采，毽 从严格意义上来说，这一理论存在许多固有缺陷。其中，经典的自由稷概念在薄 膜霉波援受氕十甚至凡令埃煞傍瑟下怒否还裔意义是个魄较天静阀题。为诧， l e v y 簿 2 6 提出了以线性响威为基础的量子理论。 考虑一磁性多层濮，谊貘簿平行予x y 磷而其难积方向沿z 轴，则系统农外 电场e 的作用下产生的电流密度在动擞窆闻中可表示先 ，( g ) = l a ( q ，q ) e ( q 。) d 3g i 鬣串玎 譬，q ) ， 是动擞空间中的两点电导张量。引入丁虚时g r e e n 函数( 松原嫡数) ，绘定依赖于 鸯旋的杂覆势，利焉k u d o 公斌计算g r e e n 两数，最街可求襻电导张鬣，从而求 得g m r 。 1 6 复旦大学硕士学位论文 2 4 巨磁电阻的应用 巨磁电阻材料是对磁场高度灵敏的材料，所以它的应用非常广泛，在这里 要介绍三个已经处于实用化的方面。 ( 1 ) 磁记录读出磁头 读出磁头属于磁场传感器中最为突出的应用。计算机，多媒体及信息高速公 路的发展都要求高密度大容量及小型化的外存系统。一方面，超高密度磁盘的发 展使每一个记录单元的尺寸减小到亚微米，因而其产生的待测散磁场很微弱，为 m t 量级：另一方面，磁盘的小型化使其线速度降低，以至于传统的感应式磁头无 法得到足够的信噪比，因此，巨磁电阻读出磁头就成为实现新型超高密度磁记录 的关键技术。九十年代以来，利用g m r 多层膜实现l o g b i n 2 的读出头已经实现， 欧，美，日产业集团在最近几年内，已经生产出容量高达l o o g b 以上的大容量存 储磁盘，使多媒体及信息高速公路技术进一步发展。 ( 2 ) 巨磁电阻随机存储器腿脚 最近，在巨磁电阻用于计算机内存的主要组成部分一一随机存储器r a m 方面 取得了较大进展。五、六十年代的r a m 由微型铁氧体磁芯组成，七十年代后被半 导体取代。目前的r a m 大多采用s i 集成电路组成的动态及静态随机存储器( d r a m 和s r a m ) 。d r a m 的存储量大，价格低，为r a m 的主流，但速度稍慢，约为1 0 zr l s 量级as r a m 速度可达纳秒量级，但存储密度稍低且价格较高。两者均为易丢失性。 近几年来，不丢失性的巨磁电阻随机存储器在迅速发展。9 5 年报道了开关速度可 达亚纳秒的自旋阀型恹a m 记忆单元，最近高于1 6 m b 的m r a m 芯片已经投入计算 机市场。此外，铁磁隧道结型m r a m 的也已投入生产。 ( 3 ) 传感器 巨磁电阻传感器可以传感磁场，特别是对微弱磁场的传感，如用于伪钞识别 器。更广泛的应用是各类运动传感器，如对位置、速度、加速度、角度、转速等 的传感，这在机电自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的应用。 复旦大学硕士学位论文 除了以上三方面的主要应用外，巨磁电阻在磁电子学中还有更广泛的应用， 如各种无接触磁控元件，以及自旋晶体管等，正在研究中，其最终带来的结果必 然是革命性的。 复旦大学硕士学位论文 参考文献 1 b j t h a l e r ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 4 1 ( 5 ) ，3 3 6 ( 1 9 7 8 ) 2 p g r u n b e r g ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 5 7 ( 1 9 ) ，2 4 4 2 ( 1 9 8 6 ) 3 m n b a i b i c h ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 6 1 ，2 4 7 2 ( 1 9 8 8 ) 4 c f m a j k r z a k ，e ta 1 ，p h y s r e v + l e t t 5 6 ( 2 5 ) ，2 7 0 0 ( 1 9 8 6 ) 5 y y a f e t ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 6 1 ( 8 ) ，4 0 5 8 ( 1 9 8 7 ) 6 c c a r b o n e ，e ta 1 ，p h y s r e v b3 6 ( 4 ) ，2 4 3 3 ( 1 9 8 7 ) 7 a c e b o l l a d a ，e ta l ，p h y s r e v b3 9 ( 1 3 ) ，9 7 2 6 ( 1 9 8 9 ) 8 y y h u a n g ，e ta 1 ，j m a g n m a g n w a t e r 9 9 ，l 3 1 ( 1 9 9 1 ) 9 r r m c g u i r e ，e ta 1 ， i e e et r a n s m a g n 儿( 1 9 7 5 ) 2 3 3 i 1 0 r v o nh e l m o l t ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 7 1 ( 1 9 9 3 ) 2 3 3 1 1 1 h a k r a m e r s ，p h y s i c ai( 1 9 3 8 ) 1 8 2 。 1 2 p w a n d e r s o n p h y s r e v 7 9 ( 1 9 5 0 ) 3 5 0 ， 1 3 b g o o d e n o u g h ， e t a 1 ，p h y s r e v 9 8 ( 1 9 5 5 ) 3 9 1 1 4 蔡建旺等磁电子学中的若干问题物理学进展v 0 1 1 7n o 2 ( 1 9 9 7 ) 1 9 1 1 5 s s p p a r k i n 刃t r a t m n 疗m 1 6 s s p p a r k i n ， e ta 1 ， a p p l p h y s l e t t 5 8 ( 1 9 9 1 ) 1 4 7 3 1 7 c d u p a s ， e ta 1 ， j a p p l p h y s 6 8 ，5 6 8 0 ( 1 9 9 0 ) 1 8 b d i e n y ， e ta 1 ，p h y s r e v b 4 3 ，1 2 9 7 ( 1 9 9 1 ) 1 9 a e b e r k o w i t z ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 6 8 ，3 7 4 5 ( 1 9 9 2 ) 2 0 t m i y a z a k i ， e t a 1 ，j m a g n m a g n m a