（凝聚态物理专业论文）纳米微晶fecunbsib多层膜晶化、磁矩重取向及巨磁阻抗效应研究.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：拙： 日期：趔丝：递 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名；彦i 墟习导师签名；鬲坨协 日期：立! 兰：2 一 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 4 年) 摘要 摘要 本文采用射频磁控溅射的方法制备了f e c u s i b 薄膜，研究了 f e c m 妯s i b 薄膜的晶化过程以及在晶化过程中导致的磁矩空间重取向的变化， 对其多层膜巨磁阻抗效应做了较为详细的研究，主要结果如下： 1 用x 射线衍射谱( t d ) 研究f e c u n b s i b 薄膜的晶化过程，发现 f e c u n b s i b 薄膜样品在4 0 0 退火温度下，开始成核晶化，在5 1 0 退火温度下开始出现b c c 的( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 衍射峰。退火温度在5 1 0 b 5 7 0 之间，纳米晶粒的平均尺寸约为1 0 2 0 n m 。 2 利用m 6 s s b a u e r 谱研究了在不同退火温度下薄膜样品磁矩的空间取向， 发现磁矩随着退火的升高首先是以面向分布为主，接着转变为以垂直面 向分布为主，然后又以面向分布为主，最后趋于无序状态。4 5 0 5 7 0 c 退火温度下纳米晶所占的体积百分数分别为6 7 、7 7 、8 2 、8 9 。 3 f e c u n b s i b 薄膜巨磁阻抗效应( g m i ) 与磁矩的空间取向密切相关， 在3 0 0 退火温度下，磁矩分布以面向分布为主，f s i o e c u s i 0 2 f 多 层膜磁阻抗效应的比值约为5 0 ；在4 0 0 退火温度下，磁矩分布以垂 直面向分布为主，f s i 0 2 c u s i 0 2 f 多层膜的磁阻抗比值为5 ；纳米 晶态下f s i 0 2 c u s i 0 2 f 多层膜的磁阻抗比值为4 5 。 关键词：f i n e 匝t 合金；巨磁阻抗效应；t d 谱；m 6 s s b a u e r 谱；磁矩取 向 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 4 年) 摘要 a b s t r a c t t h ef e c u n b s i bf i l m sa r ep r e p a r e db yr fm a g n e t o - s p u t t e r e de q u i p m e n ti n t h i s p a p e r t h ei n v e s t i g a t i o no ft h en a n o c r y s t a l l i z a t i o n ，m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dt h eg i a n t m a g n e t i ci m p e d a n c ee f f e c to ff e c u n b s i bf i l m si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i n r e s u l t sa r el i s t e da sb e l o w ： 1 t h ex r dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i l m sb e g i nt o c r y s t a l l i z ea t4 0 0 c a f t e r a n n e a l i n ga l5 1 0 c ，ab e ep b a s ew i t hf i n eg r a i n so f n a m o m e t e rs i z ew 船o b s e r v e d 。 b y t h es c h e m e rf o r m u l a ，i tc a l lb ee s t i m a t e dt h en a n os i z ed i a m e t e ri sf r o m1 0n n l t o2 0n ma tt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r e5 1 0 5 7 0 c 2 t h en a n o c r y s t a l l i n ev o l u m ef r a c t i o no ft h es a m p l e sa n dt h eo r i e n t a t i o no ft h e m a g n e t i cm o m e n t sc o u l db eo b t a i n e db yt h em t s s b a u e rs p e c t r u m t h ev o l u m e f r a c t i o no f n a n o c r y s t a l l i n ep h a s ei nt h es a m p l e sa n n e a l e da t4 5 0 c ，5 1 0 ( 2 ，5 4 04 c a n d5 7 0 ca r e6 7 ，7 7 ，8 2 a n d8 9 ，r e s p e c t i v e l y f r o ma s d e p o s i t e ds t a t et o t h es a m p l ea r m e a l e da t5 7 0 。t h em a g n e t i cm o m e n t so f t h ef i l m sw e r eo r i e n t a t e d f r o mt h ei n i t i a ld i r e c t i o np a r a l l e lt ot h ef i l mp l a n et ot h ed i r e c t i o np e r p e n d i c u l a rt o i t ，a n dl a t e rb a c k e v e n t u a l l y , m o m e n t so r i e n t a t i o n so ft h ef i l ms a m p l e sw e r e r a n d o m 3 t h eg m ir a t i oo ft h em u l t i l a y e r e df i l m sv a r i e sw i t hc h a n g i n go r i e n t a t i o no f m a g n e t i cm o m e n t s w h e nt h eo r i e n t a t i o no fm o m e n t sw a sp e r p e n d i c u l a rt ot h e f i l mp l a n e ，t h eg m ir a t i od e c r e a s e dd r a m a t i c a l l y k e yw o r d s ：f i n e m e t x r a yd i f f r a c t i o n ；m 6 s s b a u e rs p e c t r u m ；m a g n e t i cm o m e n t s g m ie 髓c t i i 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年1第一章绪论 1 1 1 引言 第一章绪论 1 1 巨磁阻抗效应 巨磁阻抗( g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c e 即g m i ) 效应是指磁性材料的交 流阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应。g m i 效应由日本科学 家m o h r i 1 】在c o f e s i b 非晶丝中首先发现，室温时拉应力退火的丝的阻抗变 化比为9 0 以上，灵敏度达1 0 ，0 e 。 与多层膜的巨磁电阻( g m r ) 效应相比，g 加效应的磁场灵敏度可以高 出- - n 几个数量级，而且饱和磁场低。f e c r 系统在4 k 温度下的磁电阻比为 1 5 0 【2 】。室温下，c o c u 系统多层膜g m r 效应比值为6 5 。以上两种材料 的磁电阻饱和场分别为2 1 0 4 和1 0 4 0 e ，这样高的饱和磁场无法用于低场传感 器件。最具有应用价值的低饱和场g m r 多层膜是自旋阀系统。结构为 n i f e c u n i f e f e l 、l _ _ r l 的多层膜，它的磁电阻随磁场变化的灵敏度可达2 o e 。 而软磁合金的g m i 随磁场变化的灵敏度，在细丝中可高达1 7 0 0 o e 3 ，薄 带高达6 0 o e 4 ，单层膜达到8 o e ，多层膜达到4 9 0 e 5 。它们的饱 和磁场只有几十个o e 。g m i 效应除了具有高灵敏度、低饱和场和响应快等特点， 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 还具有无磁滞、稳定性好等优点。利用g 效应做成的探测头，具有高灵敏度、 无磁滞、快响应、非接触等优点，比磁阻磁头具有更大的优越性。 最初对这一效应研究的最多的是具有零或负磁致伸缩系数的c o 基非晶软磁 合金细丝，特别是长度只有几毫米的小尺寸细丝 1 ，6 ，7 】，而后扩大到c o 基非晶 软磁条带 8 ，9 】。然后研究了f e 基纳米微晶材料( 丝或条带) 1 0 - 1 3 1 , 口薄膜 1 4 - 1 6 】 的g 效应。这些都是电性能均匀的材料。 最近对巨磁阻抗效应的研究更多地集中于多层复合结构材料。这种复合结构 材料指的是两种或两种以上电性能性质不同的材料构成的复合材料。它主要包括 复合结构丝 1 7 1 8 和复合结构多层膜【1 9 】等形式。复合结构丝有玻璃包裹软磁 非晶丝、b e c u 丝外电镀n i f e 、c o p 和f e c o n i 软磁镀层等形式。复合结构多 层膜包括有三明治薄膜和多层膜等形式。其中三明治薄膜形式为高电导率的导电 层( c u 、a g ) 外面包裹着高磁导率的铁磁层( 主要有c o s i b 、f e c u n b s i b 、 n i f e 等) ，有时还在导电层和铁磁层之间引入s i 0 2 绝缘层。发现这些复合结构 的材料也能获得很大的g m i 效应，出现最大阻抗变化比率的频率降低。 1 1 2g m i 理论概述 自从非晶丝中发现g m i 效应以来，人们一直尝试从理论上对其进行解释， 已有的g m i 理论一般在特定的范围内对试验结果给出近似的解释。对于电性能 均匀的材料( 如丝，条带，薄膜等) 和电性能不均匀的多层复合结构材料，巨磁 阻抗效应的机理有所不同。 一、单质结构样品的g m i 效应 尽管细丝、薄带和薄膜在结构和磁特性上有许多差异，但产生磁阻抗效应的 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年1 第一章绪论 机理有一定的公性，可用相似的机制来解释。 从经典电磁理论出发即可解释非晶态细丝的g m i 效应。对于丝、条带和薄 膜等电性能均匀材料，针对材料的交流磁化过程并考虑趋肤效应后，m o h r i 等 人对其巨磁阻抗效应做出解释 2 0 。 对于圆行截面或薄膜样品，如果交变电流对材料的磁化是均匀的，假设流入 铁磁体的交变电流为恒定振幅如，1 = l oe x p ( 一耐) ，频率为，根据电动力 学理论进行分析，可以得到电场和磁场在导体中的分布，可以推导出丝的阻抗表 达式为 2 1 】 z = r + 弘= 吃等嚣等 c ， 而对于薄带和薄膜样品的阻抗表达式为 z = 吃i c a c o t h ( i k a ) ( 1 2 ) 其中a 为绊径或者黼薄带样品的半肫拈警，瓯= 为 趋肤深度，心= 为直流电阻，如和山分别为零阶和一阶b e s s e l 函数。 ；r g a 。o 二、复合结构样品的g m i 效应 ( 一) 三明治薄膜的巨磁阻抗效应 图1 一1 1 为典型的三明治薄膜结构。内部为高电导率的材料构成的导电层 ( c ) ，外部包裹着高磁导率的材料构成的磁性层( f ) ，即f c f 。驱动电流 流经导电层。图1 1 2 为三明治薄膜的横截面示意图和薄膜平面内的磁化示意 图。 压 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年1 第一章绪论 导电层 壤磁层 图1 一l 一1 三明治薄膜结构示意图 f i g 1 - 1 1s t r u c t r u r eo fa s a n d w i c h e df i l m x 占 b d 2f ( 0 2 ，) 2 d ， m ( a ，炉1 ) l d 2f ( a 2 ，u t ) 卜x b ，。鼍( a ) 盥。z ， 图亚 图1 1 - 2 三明治薄膜的截面示意图( a ) 横截面( b ) 俯视图 f i g 1 - 1 2 s c h e m a t i cd r a w i n go f as a n d w i c h e df i l m ( a ) c r o s s s e c t i o n a lv i e w , ( b ) t o pv i e w 4 流 = 殛 电 l | 圜一三 3 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 考虑圆频率为的交变电流i = i o e x p ( 一r i o t ) 通过三明治薄膜的纵向。设导 电层电导率为田，厚度为2 西。铁磁层电导率为，厚度为兄。三明治薄膜总 厚厦为d 2 d ，+ d 2 ，= 明治浑膜的宽度为b 。l v p a n i n a 等人对三明治浮膜的阻 抗做了计算【2 2 ，2 3 】。 当三明治薄膜的宽度b 2 2 ，其中( 采用高斯制) a = ( d , d d a t 2 ) 1 7 2 ( 1 3 ) 胁为横向磁导率，则由驱动电流感生的穿过导电层的漏磁通可以忽略，这时三明 治薄膜的阻抗写为( 采用高斯制单位) z = 一 l ，+ z i 互：彤( 葺，屯) ( f 五+ 而) ( 1 - 4 ) f ( x l ，x 2 ，= 熹噤瑶， 五= ( ，一1 ) 4 2 4 ，x 2 = ( _ ，一1 ) d 2 2 4 ， 弘警，点22 面c 2 ，8 2 2 _ - - 丽c 2 o 、己死a 、己兀o 、u 。 其中l ，是外电感，z f 为三明治薄膜的特性阻抗，r 为直流电阻。 ( - - ) 多层膜的巨磁阻抗效应 b e l o z o r o vd p 等人研究了c o c u 多层膜在很高频率下( 3 0 1 4 0 g h z ) 的 磁阻抗效应 2 4 。r l s o m m e r 等人则用磁控溅射的方法制备了坡莫合金 p e r m a l l o y a g 多层膜，坡莫合金靶的的名义组分为n i s l f e l 9 。在p e r m a l l o y a g 为1 0 0 层，p e r m a l l o y 的厚度为1 0 7 a ，a g 的厚度为2 5 a ，驱动频率为2 5 m h z 时，观察到g v i i 效应达到2 5 2 5 。 上面讨论了f m f 型的三明治薄膜，m o r i k a w a 等人又在铁磁层( f ) 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 与导电层( c ) 之间加入绝缘层s i 0 2 后发现巨磁阻抗效应有更大的提高。他们 发现c o s i b s i 0 2 c u s i 0 2 c o s i b 五层膜在2 0 m h z 时磁阻抗比率高达7 0 0 ，比c o s i b c u c o s i b 三明治薄膜高很多，如图1 - i 一3 1 2 6 1 。a a n t o n o v 等 人又研究了加绝缘层的f s i 0 2 t u c u t i ( 10 n m ) s i 0 2 ( 8 0 n m ) f ( 8 0 0 n m ) 七层 膜的巨磁阻抗效应，在5 0 0 m h z 以上观察到了显著的巨磁阻抗效应 2 7 】。萧淑 琴等研究了制备态的f s i 0 2 a g s i 0 2 f 五层膜的g m i 效应( f 为 f e c u n b s i b ) ，在13 z 时观察到最大阻抗比率为5 7 【2 8 。a a n t o n o v 等人 2 7 】认为加入绝缘层的作用有如下三点：1 排除了两个铁磁层之间的耦合相 互作用；2 阻止了电流在层与层之间的扩散，使得电流只在c u 层中通过：3 降 低了铁磁层内的铁磁损耗。 鸯 暑 耋 塞 f r e q u e n c y ( m l - i z ) 图i 1 3c o s i b s i 0 2 c u s i 0 2 c o s i b 多层膜的g m i 效应 f i g 1 - 1 3f r e q u e n c yd e p e n d e n c eo f m i r a t i oo f c o s i b s i o z c u s i 0 2 c o s i bm u l t i l a y e r s 6 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 1 2 薄膜样品中的磁各向异性 各向异性是磁性薄膜材料最重要的物性之一，在不同的应用场合，对不同磁 性薄膜材料的各向异性分布、大小的要求有不同的要求。利用巨磁阻抗效应 ( g m i ) 在传感器等方面的应用，一般要求具有平面磁各向异性，否则其性能 会下降；而对于垂直磁记录、磁存储、光磁存储等的垂直磁化膜则要求存储介质 的磁化易轴取向垂直于膜面。 在磁性薄膜中，有效各向异性能k ( 单位体积) 可以唯象地表示为体各向异 性能凰和界面各向异性能愿贡献之和 2 9 1 ： k = k v + 2 k s d( 1 5 ) 其中是d 磁性层的厚度，鼠的来源包括磁晶各向异性、形状各向异性、磁弹性 各向异性和生长感应的各向异性等。界面各向异性能k 是由薄膜低对称性产生 的对称破缺引起。d e nb r o e d e r 3 0 等人推导出了多层膜出现垂直磁化的磁性层 的临界厚度为： d 。= 2 g 驴7 7 够( 1 6 ) 其中g 为切变模量，b 为点阵错配引起的位错的柏氏矢量，e 为磁性层的弹性 模量，叩为点阵错配度。当膜层的厚度为几个纳米时，界面各向异性能才能够其 主要作用。 一般来说，自旋一轨道相互作用和磁偶极相互作用是影响薄膜磁体各向异性 的两个主要来源。前者与薄膜晶体结构的对称性相关，即磁晶各向异性。后者的 长程特性通过样品的形状产生了形状各向异性 3 l 】。 一、面向各向异性： 下面讨论样品在面向各向异性下的两种典型( m i 模式。 巨磁阻抗效应除了与驱动电流有关之外，还与材料本身的宏观磁性能有关 系。各种磁性能参量中，磁各向异性对巨磁阻抗效应的影响最为明显。在阻抗的 7 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 表达式中与磁性能有关的磁导率一般来说是一个张量p ，它本身反映了材料的 磁各向异性【1 8 】。下面是两种比较典型的巨磁阻抗效应模式，反映了材料的磁各 向异性对巨磁阻抗效应的影响( 图1 1 4 ) 。 1 我们考虑一个简单情况下，圆周磁导率是一标量，我们设想一样品具有垂 直横向磁结构( 对丝来说是环向磁畴结构，即圆周磁各向异性：对膜来说是横 j 2 图l - 1 - 4 两种典型的g m i 模式 f i g t - 1 4t w ot y p i c a lm o d e l so f g m i 臻； 向面内磁畴结构，即横向各向异性) 。当月矗，沿着纵向方向增加时( 即难轴方向) 每一磁畴中磁化矢量都向长轴方向转动，这样增加了圆周磁导率，从而使z 增加。 磁导率的最大值出现在一恒定外磁场与横向各向异性场j 磊平衡时，该点处阻抗 有一个最大值【2 0 】。继续增加月0 ，圆周磁化过程将被磁矩转动所占据，这样使 f， 四 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 得磁导率降低，在一个很低值达到恒定而饱和。阻抗z 和磁导率也有同样的变 化行为。这样，如果外加磁场从一月矗，到+ 月0 变化( 沿纵轴方向) ，阻抗关于外 磁场的曲线显示两个峰( 9 2 峰g n 行为) 。 2 另一方面，如果样品沿纵轴方向具有易轴( 纵向各向异性) ，横向磁化过 程总是被磁矩旋转过程占主导地位。由于易磁化轴在样品的纵轴方向，其横向磁 导率敲低，相应的阻抗较小，而且因为月玉同月；平行，月矗的作用始终是阻止 磁化过程的进行，于是使“，进一步减小，从而引起阻抗的下降，阻抗表现出一个 单调递减趋势。从爿玉= o 开始，为单峰结构。 在以上两种g m i 模式中，具有圆周或横向各向异性的材料的灵敏度比较高， 在传感器应用上受到很大重视。可以通过磁场退火、应力退火等手段来感生圆周 或者横向各向异性。 二、垂直各向异性 由于垂直磁记录、磁存储、光磁存储等方面具有重要的应用，产生垂直磁各 向异性主要有以下几种情况：( 1 ) 生长诱导磁各向异性：如使晶粒生长为柱状晶 而引起的形状磁各向异性，当柱轴方向与磁各向异性轴一致，则可获得垂直各向 异性。主要由生长诱导的垂直各向异性薄膜，如c o - c r 合金( c o c r 、c o c r r n 、 c o c r t a 、c o c r p c 等溅射膜) 、c o - 、w 等) 合金、f e 合金( f e c r 、f e t i 、 f e t b g d 、f e c o b 等) ，r e t m 非晶薄膜，磁性石一石外延生长等。 3 2 ，3 3 ( 2 ) 界面( 表面) 磁各向异性：由于膜界面的晶格失配，对称性降低等产生垂 直各向异性，如纳米多层膜c o p t 、c o p d 、f e p t a g 等多层膜 3 2 ，3 4 。( 3 ) 其它：如纳米线阵列膜、磁性非磁性多层膜、铁磁反铁磁多层膜等 3 5 ，3 6 。 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 1 3f i n e m e t 合金 在现有的巨磁阻抗材料中，主要以c o 基和f e 基非晶合金为主。c o 基非晶 合金的巨磁阻抗效应通常大于f e 基非晶合金，因为c o 基非晶合金的磁导率大 于f e 基非晶合金。但是经过纳米晶化处理的特殊成分的f e 基非晶合金( 即 f i n e m e t 合金) 的g m i 效应好于c o 基非晶合金。 1 9 8 8 年，y o s h i z a w a 等人发现在f e s i b 非晶合金中添加c u 、n b ( 或 m o 、w 、t a ) 等元素，形成一种复杂的非晶合金( 典型组分为 f e n 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 ) ，并在晶化温度以上进行退火处理，可以发生纳米晶化 并获得很好的软磁性能，这种纳米晶合金被命名为f i n e m 匣t 。进一步研究表 n 3 7 ，3 8 ，退火态的f i n e m e t 合金由约为8 0 的纳米晶( 尺寸1 0 - 1 5 r i m 左 右) 和剩余的非晶相构成。上述组织结构的形成在于c u 和n b 的同时作用。因 为c u 和f e 之间的交换作用能常数为正，所以它们互不相溶。这样在f 孙m m 旧t 合金中便存在很多“富c u 区域”，这些区域便是晶化时的形核区域。在“富c u 区域”的周围n b 含量较高，因为n b 元素可以提高非晶相的稳定性，所以阻碍 了晶核的长大。正是因为c u 元素的促进成核作用和n b 元素阻碍长大作用才导 致了纳米晶化的效果 3 8 1 。f i n e m e t 合金的优越的软磁性能来源于以下两个 因素：( 1 ) 纳米晶的存在使磁滞伸缩系数显著降低 3 7 ，3 9 ：( 2 ) 细小的纳米晶 颗粒通过磁畴细化使局域磁各向异性相互抵消 4 0 ，4 1 。 已有许多文献报导f e c u n b s i b 合金( f i n e m e t ) 在非晶和晶态下性能 3 9 ，4 2 4 4 】。f e c u n b s i b 合金在纳米态下有极好的软磁性能。经过适当的热处 理，f i n e m e t 合金从非晶母体中析出纳米晶。纳米f e s i 粒子( 1 0 2 0 n m ) 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 分布于f e 、n b 、b 组成的剩余的非晶相母体中 4 3 1 。合金中f e - s i 粒子的数量 和组分强烈的依赖于热处理的条件。不溶性的c u 在合金是用来加速f e - s i 微晶 成核和降低晶化温度，少量的n b 是用来阻止纳米微晶的长大 4 5 1 。纳米尺寸的 f e s i 粒子与非晶母体的f e n b b 之间满足铁磁交换耦合。由于纳米粒子的直 径小于铁磁交换耦合作用的距离( 3 5 r i m ) ，纳米相中的磁晶各向异性平均为零。 因此f i n e m e t 合金表现为高的饱和磁化强度和磁导率，很低的矫顽力和高频 损耗【4 6 5 0 1 。由于f i n e m e t 合金优异的软磁性能，是研究巨磁阻抗效应上佳 材料，因此对于f e c u n b s i b 合金条带 7 ，1 2 1 4 1 、丝【1 0 ，1 5 ，1 6 】的巨磁阻抗效 应已有详细的研究，在纳米晶态下，阻抗效应有显著的增大。然而对于 f i n e m 匣t 合金薄膜磁性能的研究较少，主要集中在研究薄膜随不同退火温度 下的矫顽力、磁导率和磁滞伸缩系数变化 5 1 5 3 1 ，对于薄膜的阻抗效应一般都 是在较低的退火温度非晶态下的研究 2 7 ，2 8 ，5 4 1 。 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第一章绪论 1 4 本论文的研究目的和内容 由以上可知，巨磁阻抗效应与材料的性能密切相关。f i n e n m t 合金是一种 优良的软磁合金，主要表现为高的饱和磁化强度和磁导率，很低的矫顽力和高频 损耗，是作为g 传感器的优良材料。对于f 仆m n 忸t 合金的g m i 效应研 究在条带和丝都有了详细的研究，而对于薄膜样品的研究相对较少。但是丝和薄 带在实用化方面遇到了不少问题，例如，丝的焊接、安装问题，薄带易碎的问题， 还有重复性等问题，这些不利因素制约了它们在磁敏传感器领域的应用。从工艺 角度来看，采用磁性薄膜制备工艺和超大规模集成电路，可实现微型磁性元件的 批量生产。这是一种全新的工艺设计，它从材料、工艺、布线等方面综合考虑， 能够实现传感器的薄膜化、微型化和平面化。 对于薄膜在阻抗效应方面的研究一般是在较低的退火温度下进行，而对于纳 米微晶方面的研究较少，本论文选择具有较大磁滞伸缩系数的 f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 薄膜作为研究对象，主要内容如下： 1 经过不同退火温度处理f e 7 35 c u l y b 3 s i l 3 5 8 9 薄膜，研究薄膜样品的晶化过 程。 2 研究了f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 35 8 9 薄膜样品在晶化过程中的磁矩空间重取向以及 与其相关的磁性能的变化。 3 研究了f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 多层膜样品的g m i 效应与退火温度的关系， 即与磁矩空间重取向的关系；讨论了纳米微晶态和非晶态下的磁阻抗效应与 直流磁场和外加驱动电流频率的关系。 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年1 第2 - 章薄膜样品的制备、性能测量设备及方法 第二章薄膜样品的制各、性能测量设备及 方法 本章将讨论薄膜制备工艺，薄膜性能测量设备，及有关的巨磁阻抗效应测试 的设备、方法等问题。 2 1 薄膜样品的制备 2 1 1 磁控溅射设备 磁控溅射制备薄膜的技术是近2 0 年来发展起来的较新的技术。磁控溅射的 特点是：低温和高速，利用它制备的薄膜具有均匀、致密、表面光滑等优点，因 此被广泛用于成膜工艺中。 本文所有制备的薄膜样品均在沈阳市超高真空应用技术研究所的c k 一 4 b 一5 7 0 型射频、直流多靶磁控溅射系统上进行。 2 1 2 基片的清洗 如果薄膜与基片的热膨胀系数失配很大，那么所制备的薄膜会存在很大的应 力，这对薄膜的巨磁阻抗效应是不利的，因此在选择基片时，必须要考虑到基片 与薄膜材料的热膨胀系数的匹配问题。在被选择的基片材料的热膨胀系数为薄膜 材料热膨胀系数的三分之一时，基片材料与薄膜材料之间的应力最小。金属或者 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第二章薄膜样品的制各、性能测量设备及方法 合金材料的热膨胀系数大致在1 1 x i 0 - 6 d e g 一1 和1 5 x 1 0 6d e g 1 之间，s i 单 晶片和玻璃基片的热膨胀系数分别为3 5 x l o - 6 d e g 叫和4 5 x 1 0 咱d e g 叫之间， 所以它们是比较合适的薄膜的衬底。 基片如果存在污染物( 如油污和灰尘等) ，将会严重影响薄膜的附着力、均 匀性等，从而影响到薄膜的巨磁阻抗效应。因此必须对基片进行彻底的清洗。玻 璃基片的清洗的步骤如下： i 将玻璃基片放入丙酮浴液的超声波浴中清洗3 0 分钟： i i 用去离子水对基片漂洗后，放入乙醇的超声波浴中清洗3 0 分钟； 用去离子水对基片漂洗后，放入烘箱中烘干。 2 1 3 溅射条件 溅射使用的靶材：f e 基合金的组分为f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 ；s i 0 2 ；纯c u 。 薄膜制备时，采用清洗后的玻璃基片。溅射参数为： 本底真空度为1 0 1 0 p a 溅射功率：f e c u n b s i b 层为1 2 0 w ；c u 层为2 5 0 w ，s i 0 2 层为7 0 w 溅射氩气压强：f e c u n b s i b 层为1 2 p a ；c u 层为6 0 p a ，s i 0 2 层为2 5 p a 薄膜的厚度由溅射时间控制。 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第二章薄膜样品的制各、性能测量设备及方法 2 2 薄膜样品的测量及退火设备 1 磁滞回线( b h ) 仪 振动样品磁强计 2 薄膜厚度的测量 用b c t 5 1 膜层台阶测试仪测量镀层的厚度。 3 薄膜的退火 样品在氮气氛围下不同温度退火，退火时间为3 0 分钟，在退火炉自然冷却 到室温。 4 穆斯堡尔谱( m 6 s s b e a u r ) 的测量 仪器采用德国w i s s e l 公司生产的等加速穆斯堡尔谱仪。 5 x 射线衍射( x i 国) 谱 用d m a x2 5 5 0 型衍射仪( x r d ) 分析薄膜样品的晶体结构。 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年) 第二章薄膜样品的制备、性能测量设各及方法 2 3 薄膜样品的图形化 薄膜样品图形化的方法有光刻法和金属掩膜法。在本文中采用金属掩膜法制 备薄膜样品。就是将带有图形的金属掩膜片直接贴在基片上，然后将薄膜溅射在 基片上，取下掩膜片后即可获得所要求的薄膜图形。掩膜材料为不易变形的不锈 钢，采用电火花加工出不同图案的掩膜。 为了减少溅射原子进入掩膜片后面和获得清晰的薄膜图形，掩膜片要紧贴在 基片上。 图2 - 1 1 为多层膜的掩膜片图形示意图左为薄膜的f e c m 妯s i b 和s i 0 2 掩膜示意图，右为c u 层的掩膜示意图。 ( 1 ) 铁基层和s i 0 2 的掩膜如左图，1 5 r m 3 m m ( 2 ) 铜层的掩膜如右图，上下两层都是3 m m x 2 m m ，中间的细长条是 1 7 m m x l m m 图2 1 一lf e c u n b s i b 、s i 0 2 ( 左) 和c u ( 右) 薄膜的金属掩膜示意图 f i g 2 - 1 1i l l u s t r a t i o no f m e t a lm a s k i n gf o rf e c u n b s i b 、s i 0 2 ( 1 e f t ) a n d c u ( r i g h t ) f i l m s 华东师范大学硕士学位论文( 2 0 0 4 年1第二章薄膜样品的制备、性能测量设备及方法 2 4 巨磁阻抗的测量系统 巨磁阻抗效应的强弱是衡量磁性薄膜材料性能的一个重要参数。测量阻抗的 分析仪主要有以下几种：h p 阻抗分析仪系列、网络分析仪、波谱分析仪，或者 是利用信号器产生的交流电压加在样品两端，再利用阻抗分析仪测量出阻抗值。 测量方式中最常用的是两端法和四端法。 本实验用的是h p 4 9 1 4 a 型阻抗分析仪，其可测的频率范围是从4 0 h z - - 1 1 ，【z 。同时利用亥姆霍兹线圈给样品加上磁场。为了减小地磁场的影响， 外加磁场的方向与地磁场的方向垂直。测量巨磁阻抗效应过程中，采用两点法。 在测量过程中，驱动电流沿样品纵向，驱动电流的大小为1 0 m a ，外加磁场有 两种情况： ( 1 ) 外加直流磁场与驱动场垂直( 外加纵向磁场) ，即纵向巨磁阻抗效应 ( l o n g i t u d i n a lg 缸e f f e c t ) ( 2 ) 外加直流磁场与驱动场平行( 外加横向磁场) ，即横向巨磁阻抗效应 ( t r a n s v e r s eg e f f e c t ) 目前对巨磁阻抗效应强弱的定义有两种：一是外加磁场h 为零的阻抗作为 参考点，另外是以最大测量磁场下日一的阻抗值为参考点。在本文中，我们一 般采用第二种定义。阻抗变化比值定义为： a z z ( 日) 一z 日。 z z 日。 其中z ( 功是磁场为日时的薄膜样品的阻抗，2 0 加。是指最大磁场时的阻抗。 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 4 年)第三章f e c u n b s i b 薄膜纳米晶化及磁矩的空间重取向 第三章f e c u n b s i b 薄膜纳米晶化及磁矩 的空间重取向 3 1 不同退火温度薄膜的x 射线衍射分析 x 射线是一种波长很短( o 0 0 1 - 1 0 n m ) 的电磁波，当它与被测材料作用时 会产生衍射现象。通常可以用x 射线衍射进行单晶定向、晶体缺陷研究、物相的 定性和定量分析、晶格常数以及测定晶粒的大小及应变等方面的工作。本实验主 要是用x 射线衍射法分析薄膜的相组成及结构变化情况，测定晶粒的大小。实验 仪器采用日本砒g a k u 公司的d m a x 2 5 5 0 v 全自动x 射线衍射仪，衍射源为铜 靶( c uk a ，兄= 1 5 4a ) 。把制得的f 0 7 35 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 薄膜样品放入外壳为不 锈钢做成的退火炉中，在氮气保护下由热电偶采样的自动控温仪控制温度，进行 不同温度退火处理。退火温度分别为3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、5 1 0 、5 4 0 c 和 5 7 0 ，退火时间均为3 0 分钟。退火后样品成分和结构的变化通过x 射线衍射谱 分析获得。图3 - 1 1 显示了不同退火温度下样品的x 射线衍射图。 图3 一1 i 为f e c u n b s i b 单层膜样品的制备态和不同退火温度下x 射线衍 射图，退火时间3 0 分钟。t d 谱表明，制备态薄膜样品为非晶态。在退火温 度低于3 5 0 情况下薄膜样品仍为非晶状态。在退火温度为4 0 0 时样品的衍射 峰强度略有增大，样品开始晶化成核。在4 5 0 ，样品的衍射峰的强度继续变大； 从5 1 0 开始，衍射谱开始出现对应于体心立方的( 2 0 0 ) ( 2 2 1 ) 两个晶向的衍 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 4 年) 第三章f e c u n b s i b 薄膜纳米晶化及磁矩的空间重取向 、 山 o 、 h = o o u 口 2 0 ( d e g ) 图3 1 1f e c 心地s m 单层膜样品的制备态和不同退火温度下x 射线图，退火 时间3 0 分钟 f i g 3 1 1t h ex r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so f t h es i n g l ef i l mi na s d e p o s i t e d c o n d i t i o na n da n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef o r3 0m i n u t e s 射峰，样品基本晶化，以纳米微晶为主，由谢乐公式 d = 0 8 9 a ( b m - b s ) c o s y ，计算晶粒平均尺寸其中a = 1 5 4 a 为c u k a 的波长，b m 为实测宽度，b s 为仪器宽化，y 为衍射角；5 1 0 退火样品的晶 粒大小约为1 0 n m ；到5 7 0 c 衍射谱没有发生明显的变化，只是峰的强度增大， 晶粒略微增大，约为2 0 n m ，没有出现新的晶相。 1 9 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 4 年) 第三章f e c u n b s i b 薄膜纳米晶化及磁矩的空间重取向 3 2 薄膜样品的m o s s b a u e r 谱及其磁矩空间重 取向 目前，穆斯堡尔( m o s s b a u e r ) 效应己成为自然科学中非常有效的实验手段方 法之一，它的实质和特点就是无反冲y 射线发射和共振吸收的过程。穆斯堡尔谱 所给出的参数能为我们提供重要的信息，具体如表3 2 1 所示。本实验的 m s s s b a u e r 谱均在室温条件下进行测量，仪器采用德国w i s s e l 公司生产的穆斯 堡尔谱仪，放射源为5 5 5 x 1 0 8 b q 的5 7 c o ( p d ) ，速度由2 5 h m 厚的。卜f e 标准谱标 定。 m o s s b a u e r i l 音参数提供的重要信息 同质异能移( i s ) 可以了解原予核外电子密度的变化情况 四极分裂( q s ) 可以获得原子核所在处电荷分布偏离球形的程度、原子核周 围电子云分布非球对称性和关于配位极化等方面的信息 磁超精细场( h u t ) 可以获得磁性粒子与周围配位体及磁性粒子之间相互作用 的信息 谱线面积( a ) 可以对不同状态的吸收原子核作定量的分析 表3 - 2 - l ，不同m 6 s s b a u e r 谱参数及其所能提供的相应信息 表3 2 2 ( t a b l e3 - 2 2 ) 和图3 2 1 分别给出t f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 薄膜在 不同退火温度下的穆斯堡尔谱超精细参数和谱线图。 2 0 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 4 年)第三章f e c u n b s i b 薄膜纳米晶化及磁矩的空间重取向 卜p h a s e t y p eo f f es i t e i s ( m m s ) r ao f a m o r p h o u s 岛加旁 d 十a s + a 7氏a sa 4d + a s + a ，a 6a 5a 4 ( ) 石i 4 5 0 亡3 1 8 12 8 0 8 32 3 l _ 31 8 0 8 80 1 10 1 70 1 5o 1 43 3 5 1 0 3 1 8 2 52 8 9 5 12 4 0 4 51 8 2 0 10 1 6o 1 403 20 1 52 3 5 4 0 3 1 5 9 92 8 3 3 62 4 5 1 21 8 6 8 90 1 l0 1 4o 3 2o 2 21 8 5 7 0 3 1 8 12 8 4 5 42 4 2 5 91 8 6 7 30 0 80 1 40 2 40 2 71 l 表3 2 _ 2 f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 35 8 9 薄膜样品在不同退火温度下的c t - f e ( s i ) 相的 超精细场参数。h 是超精细场，i s 是同质异能移，r a 是剩余非晶相的面积。 t a b l e3 - 2 2 m s s s b a u e rh y p e r f m ep a r a m e t e r so ft h ec r y s t a l l i z a t i o n p r o d u c to t - f e ( s i ) a l l o yo b t a i n e da f t e ra n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s o ft h ef e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9f i l m s hi st h eh y p e r f i n ef i e l d ；i si si s o m e r s h i r ；r ai sr e l a t i v ea r e ao f r e s i d u a la m o r