（凝聚态物理专业论文）隧道结和颗粒膜结构与性质研究.pdf

中文摘要 磁隧道结和颗粒膜结构与性质研究 作者：陈建勇( 2 0 0 0 2 1 4 ) 指导老师：刘存业( 教授) 研究专业：凝聚态物理 研究方向：磁性薄膜材料 摘要 。 本文首先介绍了磁电阻材料研究概况，分析了巨磁电阻效应的常见的几种理论 模型。实验制各了f e a 1 2 0 3 f e 隧道结、c o a 1 2 0 9 f e n i 隧道结取if e 。c u ( i - x ) 系列颗粒膜等 多种磁性薄膜样品。详细介绍了样品的制备和颗粒膜的加热退火处理过程。用扫描电子 显微镜( s t m ) 观察颗粒膜样品的表面形貌；用x 一射线衍射仪( x r d ) 对颗粒髌样品 进行物相分析；用振动样品磁强讣( v s m ) 对c o a 1 2 0 3 f e n i 隧道结的磁滞回线作了研 究；用微电阻测试系统对样品电阻、电导、电流、电压相关特性进行详细的研究。最后 用韭曼圣i 墨磐里i 盒对f e x c u ( 1 - x ) 颗粒膜的异常p 一，特性做了定性的解释一 f1 ) 样品制备工艺研究 用离子束溅射仪制备了f e a 1 2 0 3 f e 隧道结和c o a h 0 3 f e n i 隧道结。用高真空 镀膜机制备了f e ，【c q h ) 系列颗粒膜，并对部分膜傲了加热退火处理，样品被加热到3 4 0 9 c 2 ) 样品观测与分析 通过x r d 、s t i v l 研究f e x c u | ( 系列颗粒膜形态结构发现： ( 1 ) 样品表面由大量颗粒团聚雨成，f e c u 。，( 1 0 ( n m 、来退火) 瓢粒膜粒径约 9 5 7 n m 。 ( 2 ) 颞粒膜随膜厚的增加，成分含量的增多，诙成分的结晶度提商。退火后，样 中文摘要 品结晶度也有所提高但样品也出现部分氧化现象。 3 ) 结构特性研究 在样品性质研究方面的主要结果： ( 1 ) c o aj 。0 。f e n i 隧道结磁滞回线是一典型的隧道结双h c 曲线。 ( 2 ) c o a 1 2 0 ，f e n i 隧道结电导随结电压变化曲线，在低电压下近似一水平直线， 高电压下，是一二次曲线。 ( 3 ) c o a i 。0 ，f e n i 隧道结v i 特性，结电流在l o m a 以内时，满足欧姆定律，随 着电流继续增加，明显偏离欧姆定律。当结电流增至2 0 m a 以后，随电流的增加，结 电压减小，出现负阻现象。研究表明这是f m n m f m 结构特有的可恢复击穿特性。 ( 4 ) f e c u 颗粒膜p 一，特性研究发现，极小电流下电阻测量具有不确定性：f ，。c u 。： ( 5 0 0 n m ) 颗粒膜已与普通金属薄膜一样，具有正的温度系数：f e ，c u l 。颗粒膜在一定条 件下存在负阻现象，并且随颗粒膜厚度、铁铜原予比、退火条件、温度的改变分别存在 负阻特性的减弱或向正阻特性的转变。 4 ) 理论探索 利用s i m m o n s 电子隧穿理论研究了f m n m f m 隧道结的电输运特性。通过公式拟合， 得到结势垒有效高度约为2 5e v ，有效宽度为i 8 n m 。 根据非晶z i m a n 理论，当2 k r = k 时，出现负的温度系数。利用z i m a n 理论对f e x c w l “) 颗粒膜的异常p j 特性做了比较符台的定性的解释。y 、- 7v 、一 关键词：磁电阻：隧道结：颗粒膜 2 a b s t r a c t s t h e s t u d y o fs t r u c t u r ea n dc h a r a c t e ro f f e r r o m a g n e t i c t u n n e l j u n c t i o na n d g r a n u l a r f i l m s a u t h o r ：j i a n - y o n gc h e n ( 2 0 0 0 2 1 4 ) a d v i s o r ：c u n - y e l i up r o f e s s o r m a j o r ： c o n d e n s ep h y s i c s d i r e c t i o n ：m a g n e t i c f d m a b s t r a c t s i nt h i st h e s i s w e b r i e f l y i n t r o d u c e st h e s t u d y o fm a g n c t o r e s i s t a n c e 瑾国t 【e r t k e f e a 1 2 0 3 f em a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n ( m t j ) 、c o a 1 2 0 f e n im t ja n daf e x c i - x ) g r a n u l e f i l mh a v eb e e nf a b r i c a t e d w ei n t r o d u c et h ef a b r i c a t i o no f a l ls a m p l e sa n da n n e a lo f f e z c u o x ) g r a n u l a rf i l mi nd e t a i l t h ec o n f i g u r a t i o n o f g r a n u l ef d m i si n v e s t i g a t e db y s c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p e ( s t m ) t h em a t t e rp h a s ei sa n a l y z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h eh y s t e r e s i s l o o p o f c o a 1 2 0 3 f e n im a g n e t i c t u n n e l j u g l c t i o n i ss t u d i e d b y v i b r a t i n gs a m p l e m a g n e t o m e t e r ( v s m l w e t l s em i c r o r e s i s t a n c et e s ts y s t e m ( m t s ) t o i n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r o f r e s i s t a n c e 、c o n d u c t a n c e 、v o l t a g ea n dc u r r e n t l a s t l y 。w eu s e z i m a n t h e o r yt oe x p l a i n t h e n o v e ld e p e n d e n c eo f t h er e s i s t i v i t yo nt h ei n j e c t i o nc u r r e n t t h ea c h i e v e m e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) s t u d yo n t h ef a b r i c a t i n gm e t h o d t h ef a a l 2 0 f f f em t ja n dc o a 1 2 0 3 f e n im t ja r ep r e p a r e db yi o n - b e a ms p u t t e r i n g s y s t e m s t h ef e x c u o x 1g r a n u l ef i l m sw e r ee v a p o r a t e dd i r e c t l yu s i n gah i g hv a c m i b i i ie l e c t r o n b e a m e v a p o r a t i o n s o m es a m p l e so f g r a n u l e f i l m sa r ea n n e a l e da t3 4 0 0 c 2 s t r u c t u r et o k e n t h e x r d ，s t m a r ee m p l o y e dt of m d ： ( 1 ) p l e n t y o f g r a i n sa r ca s s e m b l e d a tt h es u r f a c e t h ca v e r a g ed i a m e t e ro ft h eg r a m si s a b o u t9 5 7 r i m a b s t r a c t s ( 2 ) t h et h i c k e ro ff i l m ，t h eh i g h e ro fc r y s t a ld e g r e e i ft h ee l e m e n ti sm o r et h a nt h e o t h e r i ti se a s i e rt oh ec r y s t a l l i z e d a n n e a lm a k 6f i l me a s yt oh ec r y s t a l l i z e dt o o a tt h e s a m et i m ea p a r to f e l e m e n ti so x i d a t e d 3 1 c h a r a c t e r i s t i ci n v e s t i g a t i o n w eu s ev s ma n dm t st os t u d yt h em a i nr e s u l ta sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh y s t e r e s i sl o o po f c o a 1 2 0 9 f e n im t j i sa t y p i c a lt w oh cl o o p ( 2 ) w ei n v e s t i g a t et h ed e p e n d e n c eo ft h ec o n d u c t a n c e o i lv o l t a g e w ef i n dt h a tt h ec u r v e i sa p p r o x i m a t e l yh o r i z o n t a lb e e l i n ea tl o w v o l t a g e ，b u tc o n i c a th i g h v o l t a g e ( 3 ) t h e v ic h a r a c t e ro f c o a 1 2 0 3 f e n im t ja c c o r d 埘1 ho h m i cl a ww h e nt h ec u r r e n ti s u n d e r10 m a i ti sn o to h m i cw h e nc t t r r e n ti sr a i s e d c o n t i n u o u s l yt h ej u n c t i o nv o l t a g e d e c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s eo fc u r r e n ta b o v el o m a t h e r ei sa ne f f e c to ft h e n e g a t i v e r e s i s t a n c e t of i tt h ev ic u r ew i t hs i m m o n s f o r m u l a ；w 。g e tt h a tt h ee f f e c t i v eh e i g h to ft h e j u n c t i o nb a r r i e r i s2 5e va n dt h ee f f e c t i v eb r e a d t hi s1 8n m ( 4 ) t h ep - i c h a r a c t e r i s t i co f f e x c u ( i x ) g r a n u l ef i l mi ss t u d i e d t h er e s i s t a n c et e s ta t m i c r oc u r r e n tc a l lb en o tm a k es u r e t h es a m ew i t hn o r m a lm e t a lf i l m ，f e 03 c u 0 7 ( 5 0 0 n m ) g r a n u l a rf i l mh a v ep o s i t i v ec o e f f i c i e n to ft e m p e r a t u r e t h en e g a t i v er e s i s t a n c ei so b s e r v e di n f e x c u o - x ) g r a n u l a rf i l mu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n t h i sc h a r a c t e r i s t i co fn e g a t i v er e s i s t a n c e i s w e a k e n e do rc h a n g e dt op o s i t i v ew i t l lt h ec h a n g eo ft h i c k n e s so ff i l m r a t i oo ff ea t o mt oc u a t o m ，a n n e a l ，t e s tt e m p e r a t u r e 4 1 t h e o r yd i s c u s s a c c o r d i n g t oz i m a n t h e o r y ，w h e n2 k f i se q u a lt ok p n o n - c r y s t a lm e t a lh a v en e g a t i v e c o e f f i c i e n to ft e m p e r a t u r e t h e nt h e p ic h a r a c t e r i s t i co ff e x c u 1 x lg r a n u l a rf i l mc a nb e e x p l a i n e dq u a l i t a t i v e l y k e yw o r d s ：m a g n e t o r e s i s t a n c e ；m a g n e t i c t u n n e l j u n c t i o n ；g r a n u l ef i l m 4 第一章绪论 第一章绪论 凝聚态物质的物理性能主要受制于电子的行为。电子既是电荷的载体，也是自旋的 载体。人们通过电场并利用电子的正负荷电性来控制电子的输运过程，而以研究和利用 半导体中数目不等的电子和空穴的输运特性为主要内容的固体微电子学构成了当今信息 产业的基础。近十多年，对于利用电子的自旋来控制和操纵其输运过程的研究正在深入 开展，主要是研究电子在磁性材料中的输运过程，由此产生了一门新兴的交叉学科一一 磁电子学。而材料巨磁电阻效应，因其在理论和应用方面的优势，成为了研究的热点。 1 1 磁电阻效应及其分类 磁电阻( m a g n e t o r e s i s t a n c e m r ) 效应是指材料的电阻随外加磁场的改变而引起的 变化。 为了标出磁场下电阻率的变化，引入无量纲数儡醢电阻比率： mra_ppp ( m ) - p ( o ) x1 0 0 pp ( o ) 其中p ( h ) 和p ( 0 ) 分别表示材料在磁场h 中和磁场为零时的电阻率。 衡量磁电阻材料的两个基本参数是：( 1 ) 在一定温度下能得到的最大磁电阻值。从 应用的角度出发，材料应该在室温时仍然具有较大的磁电阻值。( 2 ) 获得最大磁电阻值 时所加饱和磁场的强度。通常情况下达到最大腿的饱和磁场强度越小，材料的电输运 特性对磁场变化越敏感，越利于实际应用。我们将磁电阻大小和饱和磁场强度之间的比 值，称之为磁场灵敏度( s v ) ，即改变一个单位磁场所引起的磁电阻效应。 磁电阻效应可由磁电阻值大小和机理的不同分为：正常磁电阻、各向异性磁电阻、 巨磁电阻和庞磁电阻。 1 1 1 正常磁电阻效应 正常磁电阻( o r d i n a r ym a g n e t o r e s i s t a n c e ，0 腿) 效应普遍存在于所有的金属及半 导体材料。一般材料o m r 很小，例如l o o e 时c u0 m r = 4 1 0 一，但一些半导体材 料的o m r 也较大，如0 3 t 时i n s b ，n i s b 共晶材料o h r = 200 普遍认为o m r 来源于 磁场对电子的洛伦兹力。洛伦兹力导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动，从而使电 第一章绪论 阻升高。 1 1 2 各向异性磁电阻 各向异性磁电阻效应( a 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 腿) 在居里点以下，铁 磁金属的电阻率随电流与磁化强度的相对取向而异。如：室温n i 。o c o 。在1 0o e时a m r = 6 5 a m r 来自于磁晶的各向异性散射。 1 1 3 巨磁电阻效应 1 9 8 8 年，m n b a i b i c h 等人首先在f e c r 金属多层膜中发现比玻莫合金 ( p e r m a l l o y ) 大一个数量级以上的磁电阻效应【i 】。通过利用分子束外延( m b e ) 方法， 在( 0 0 1 ) g a a s 上生长的f e c r 多层膜，在4 2k 温度下磁电阻效应最大可达到8 4 。 因其磁电阻效应很大，所以命名为巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g 腿) 。 这一发现引发了全世界研究g m r 效应的热潮。1 9 9 0 年，p a r k i n 等人发现用比较简单磁控 溅射制作的f e c r 金属多层膜同样具有g m r 效应。【2 1 13 1 这使巨磁电阻的研究在全世界得 到普及。多年研究发现，在非均匀磁系统，如磁性金属多层膜自旋阀，磁性颗粒膜， 磁性开关，磁性隧道结( m t j ) 中普遍存在巨磁电阻效应。 1 2 磁性金属多层膜 如图所示，铁磁层和( f m ) 和非铁磁层( n m ) 交替生长，形成磁性金属多层膜。最 为突出的是多晶( c o c u ) 多层膜，在4 2 k 和室温下在1 0k o e 饱和磁场下， g m r 分别 为1 3 0 和7 0 。【4 l 虽然磁性金属多层膜可以表现出较大的g 崃效应，但是磁层的平行和反平行排列是 通过铁磁层之间强烈的反铁磁耦合来实现的，因而其需要的饱和磁场很大，如( f e5 n m c r 0 9 n m ) 。多层膜的饱和磁场高达2 0 k o e 。通常为1 0k o e 量级这样大的饱和磁场显 然不能满足实际应用中2 0o e 磁场的要求。显然，材料的磁场灵敏度也较低。因此降低 磁性金属多层膜的饱和磁场，并提高其磁场灵敏度，是其实用化的关键。 1 3 磁自旋阀 为了达到实用材料对磁场灵敏度的要求1 9 9 1 年bd i e n y 提出了自旋阀( s p i n v a l v e s ，s v ) 结构并在自旋阀( n i f e c u n i f e f e m n ) 中发现了低饱和场巨磁电阻效应【s l ， g m r = 4 1 磁场灵敏度s v = 1 o e 。白旋阀结构示意图如图1 1 所示。自旋阀与 6 第一章绪论 p i n z _ s p i nv a i u e s i o o c q r f r e e n f e ) m p e d o n c e i _ l o n h 图1 1 自旋阀结构示意图 磁性金属多层膜不同的是，在自旋阀结构中两铁磁层间不存在或者只存在微弱的耦合作 用。由工作原理的不同自旋阀可以分为两种： ( 1 ) 不同矫顽力型自旋阀结构。 它由软铁磁层f m l 非磁金属层n m 硬 铁磁层刚2 组成。如图! ：2 ( 2 所示。 由于铁磁层矫顽力的不同，在外加磁场 的作用下软铁磁层的磁化方向首先翻 转而硬铁磁层后翻转，在两铁磁层磁 化方向由反平行到平行排列的过程中， 图1 2 白旋阀两种基本结梅示意图 电阻发生变化，产生巨磁电阻效应。 ( 2 ) 偏置型自旋阀结构。它由铁 磁层( 自由层) f m l 隔离层( 非磁层) n m 硬铁磁层f m 2 反铁磁层a m 组成，垫国! ：2i 盟 所示，通过反铁磁层( 如f e m n 、n i o 等) 与铁磁层的强交换耦合作用使铁磁层的磁矩产 生钉扎。由外磁场的作用使未被钉扎的铁磁层的磁化方向改变而被钉扎的铁磁层的磁 化方向不变。从而使两铁磁层的磁化方向由反平行到平行排列，电阻发生变化产生巨 磁电阻效应。 7 第一章绪论 1 4 磁隧道结 早在本世纪7 0 年代pmt e d r o w 和r m e s e r v e y 6 】为了证明铁磁金属的自旋极化现 象，设计了b c s 超导体绝缘体铁磁金属隧道结并测量了其在一定磁场和不同电压 下的电流。此后不久，1 9 7 5 年s l o n c z e w s k i | 71 提出将隧道结的超导体用另一铁磁金属 代替从而形成了磁性金属非磁性金属磁性金属( f m n m f m ) 隧道结这种f m n m f m 类型的三明治结构被称为磁性隧道结( m t j ) ，m t j 的示意图如图1 3 所示。理论研究发 现隧道电导与铁磁层自旋极化方向相关，此现象被命名为磁隧道阀效应，对应的磁电阻 叫隧道磁电阻( t u n n e l i n g 阻g n e t o r e s i s t a n c e ，t m r ) 同年，j u l l i e r e 【8 确实发现 f e g e c o 隧道结电导与磁化方向有关，变化大小a g t g a 在4 2 k 时约为1 4 。但室温时 变化很小，直到1 9 9 5 年，m o o d e r a 等人9 1 0 】【1 l 】在c o f e a 12 0 , c o ( n i f e ) 隧道结中发现室 温磁电阻值高达2 2 。 与自旋阀相似，目前研究的m t j 可以 分为两种基本类型，一是硬一软结构的 m t j ，另一种是钉扎结构的m t j 对于前者， 由于两个铁磁层具有不同的开关场，在不 同的磁场下，两个铁磁层的磁化强度可以 被设置为平行或反平行状态。在钉扎m t j 中，一个磁层的磁化强度被相邻的反铁磁 层钉扎。另一磁层则在磁场作用下改变磁 化方向。 1 5 磁性颗粒膜 t u n n e l , , , ，u n c t i o n 图】3 隧道结结柯示意图 磁性颗粒膜( g r a n u l a rf i l r i l s ) 是指铁磁颗粒弥散与非铁磁薄膜中所构成的复合薄膜。 目前主要有两大类【。21 ： ( 1 ) 非铁磁材料为金属。例如f e ，c o 微颗粒镶嵌在a g ，c u 薄膜中而构成 f e - a g ，c o - a g ，c o - c u 等颗粒膜。这类颗粒膜与多层膜相似二者都是属于二相或多相复 合的非均匀体系，所不同的是纳米微粒在颗粒膜中呈混乱分布，而在多层膜中相分离具 有人工周期结构。同样颗粒膜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 h a n g a r a j i 3l 等采用分子束外制备的f e a g ，c o a g 颗粒膜在室温下最大磁电阻达到 2 0 。 第一章绪论 ( 2 ) 非铁磁材料为绝缘体。这类颗粒膜与隧道结相似，其巨磁电阻效应主要来源 于磁性颗粒间的自旋相关隧穿。如c 0 3 5 ( s i 0 2 ) 酤颗粒膜室温下m r = 4 。0 3 1 ( a ) 平行捧列时呈低阻态 ( b ) 反平行捧利时呈高阻惑 圈1 4i o t t - 漉俦模型示意图 1 6 磁电阻效应的解释 1 6 1m o t t 的二流体模型( 如图1 4 ) 对于铁磁过渡金属，由于3 d 电子的交换作用，自旋取向不同的3 d 电子具有不同的 能量，3 d 能带分裂为两个子带，自旋向上的子带和自旋向下的子带发生相对位移，这便 是交换劈裂，由于交换劈裂自旋向上的子带( 多数自旋) 将全部或绝大多数被电子 占据，而自旋向下的子带( 少数自旋) 仅部分被电子占据，两子带的占据电子数之差正 好等于它的磁矩。由于交换劈裂，费米面处自旋向上和自旋向下的3 d 电子的态密度相差 很大所以尽管在费米面处还有少数受交换劈裂影响较小的s 电子和p 电子，传到电流 仍是自旋极化的。【。4 1 自旋极化率p = ( 自旋向上的电子数一自旋向下的电子数) 总电子数 对于过渡元素中三种强磁金属铁、钻、镍，它们的p 值分别为4 0 ，3 4 ，1 1 在金属磁性多层膜和自旋阀中出现的巨磁电阻效应，被认为是传导电子的自旋相关 散射所引起可以由m o t t 的二流体模型【1 5 】解释，该模型的示意图如图1 4 所示。 9 第一章绪论 由于铁磁金属中电子自旋极化的存在，传导电流可以分为两个相互独立的具有不同 自旋方向的电流。又由于自旋相关散射，多数自旋电流受到散射小对应小电阻r t ， 少数自旋电流受到散射大对应大电阻r 。在多层膜或自旋阎中，当相邻铁磁层的磁 矩反平行时，某一铁磁层中的多数自旋电流在穿过中间层达到相邻的另一铁磁层时则变 为少数电流而受到强烈的散射，相反，少数自旋电 流达到相邻铁磁层则变为多数电流而受到较小的 散射。从整体上看，两种自旋电流均要受到较强的 ，f 散射，总电阻较大。当外磁场作用下两相邻铁磁层 平行排列时多数自旋电流通过两个铁磁层都没受 到强的散射，虽然少数电流通过两个铁磁层都会受 到强的散射，但总的电阻较小，从而产生巨磁电阻 i l 效应。 1 6 2 隧道结磁电阻效应理论 1 ) j u l l i e r e 理论 在图1 5 中，如图1 5 ( a ) 所示 和b 两个铁 磁层中磁化强度平行排列时，零结电压下的结电导 为 圈1 5 铁奄隧道结中两十铁碱层 的能费结构 ：；鏊篷费痿差孽荐罂列 g 竹= a c a a + ( 1 一m ) ( 1 一m ) ( 1 1 ) 其中a 为常系数，m 和踟分别为磁化强度平行和反平行排列时铁磁层a 和b 中自 旋向上的隧穿电子所占的百分数。假定其中一个铁磁层磁化强度反转比如图1 4 ( b ) 中b 的磁化强度反转，则多数电子和少数电子交换自旋取向，零结电压下的结电导为 g t l = 口 函( 1 一m ) + m ( 1 一函) 】 ( 1 2 ) 则 g = g ”g t 山= 鹋p 。( 1 3 ) 其中n 和n 为两个铁磁层中参与隧穿的电子的自旋极化率可表示为 = 2 函一l( 1 4 ) p 8 = 2 m 一1( 1 5 ) 零结电压下的结电导的相对交化为 o 书令令令 第一章绪论 g gt t = 2 p p | 、+ p p t 1 ，6 ) 进一步分析可以导出，零结电压下的磁电阻为 a r r t 仁挲：业掣：2 p d ，o ( 1 一鹏) ( 1 7 ) 只竹g t t “ 。 2 ) s l o n c z e w s k i 理论 s l o n c z e w s k i “1 提出了另一种铁磁层绝缘层铁磁层( n l i f m ) 三明治结构的隧 穿理论，分析了电荷和自旋穿过一矩形势垒时的透过率，并对两个铁磁层进行了自由电 子近似，假设电导正比于电子隧穿矩形势垒的透过率，利用h a r r i s o n 表达式，电导可以 表示为 g = g a b s ( 1 + p , n p n b c o s 0 1 ( 1 8 ) 其中函”为平均表面电导，口为铁磁层a 和b 的磁化强度之间的夹角，n 和p m 为 铁磁金属一势垒结构的有效自旋极化率，表示为： n 。! ! ! 二! 竖。苎：二! ! 生! ! ：p a g a b( 1 9 ) n 6 = 一_ ：一= 1 j ， 七t 一k 一k + 七t 七j p s b ：主! ! 二主坐。兰：= 生! 生竺：n ( 1 1 0 ) 2 百而。7 磊丽2 帕乩鼬 1 其中，七t 和 分别是多数和少数电子的f e r m i 波矢：r 2 2 = u o ( x o ) 一西= 珐 u o ( x o ) 为晶体势能，西为f e r m i 能，为势垒大小进一步，电导变化和磁电阻非别 为 猷r 1 1 - - 等= 西2 p a b 蕊p s 6 b p s b = 畿c , 4 。c e b p eg “什l n1 一n ( 1 1 2 ) j u l l i e r e 的理论分析简单明了，抓住了磁隧道效应的主要特征和基本物理内涵，揭 示了自旋极化率是决定隧道结磁电阻的基本参量。但是根据他的结果，只能得到磁隧道 结电阻的最大理论值( 考虑的是磁化强度从反平行导平行的极限情况) ，而不能说明磁电 阻隧磁性层的磁化强度之间的夹角的变化规律，s l o n c z e w s k i 的理论结果虽然形式上复 杂些，但它明确表达了磁电阻和磁化强度之间夹角的变化关系，即为余弦规律。此外， 更有意义的是，由( 1 1 ) 式可以看出势垒高度严重影响穿过f 炉i 界面的电子的自旋极化 率，这一理论结果与以前实验观察到的m t j 的低磁电阻现象相一致【1 5 】【1 6 j 【7 1 这是 第一章绪论 j u l li e r e 理论所不能解释的。 1 7 研究铁磁性隧道结和颗粒膜的目的和意义 和已经实用的自旋阔磁电阻材料相比，铁磁隧道结在室温下仍具有较高的磁电阻， 以及相似的翻转电场，因而有更大的磁场灵敏度，且有高结电阻，低功率消耗，输出电 压高等特点。虽然制备工艺较为复杂，但易与半导体平面工艺兼容，故极有可能在磁随 机存储器( m r a m ) 磁电阻读出磁头磁传感器等方面获得成功应用。因此，磁性隧道结 具有很好的应用前景。颗粒膜具有接近铁磁多层膜的巨磁电阻值，但制备却十分方便价 廉，有可能在磁阻式的传感器上首先获得应用。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。所以不论是基础理论研究还是应用研究颗粒膜都 是值得重视的新型人造功能材料。 1 2 第二章实验内容和方法 第二章实验内容和方法 2 1 样品制备仪器简介 2 1 1 真空蒸发镀膜机 我们采用的是h 4 4 7 0 0 型高真空镀膜机。由电子束加热蒸发样品，在基底上沉积成 膜。 本系统采用i l 1 0 0 石英晶振动膜厚仪控制样品膜厚。一套石英晶准器安装在系统 内其中石英晶片安装在样品托架附近。生长时蒸发物质在样品表面沉积的同时也在晶 准器的石英晶片上沉积下来，增加了石英晶片的质量使之振动频率发生改变。频率的 变化正比于增加的质量，因此测出石英晶片振动频率的变化量，在根据生长物质的密度 则可以得到薄膜厚度。 2 1 3 离子柬溅射仪 1 ) 仪器真空室俯视简图 i 辅助溅射清洁枪2 与步进电机相连的靶3 真空腔4 溅射枪5 基扳座 6 溅射和清洁枪快门7 溅射枪快门8 基底座快f - j9 观察孔 图2 1 离子束溅射系统真空室的俯视简图 第二章实验内容和方法 我们采用l j 一3 型多靶离子束溅射系统制各样品。该系统配有分子泵真空组极限 真空可达到8 1 0 1p a 。如图2 1 所示，真空室装备有( 1 ) 水冷旋转靶架，有四个靶 面组成，靶面积1 0 0 x 1 0 0r 姗2 ，由步进电机更换靶面或调整角度，可手控或电控；( 2 ) 旋转基片台( 样品架) ，配有电阻加热和测温装星，可进行水冷或加热升温控制。前端 装有直径8 0m m 的电解铜平板用以固定基片，可同时放置多片基片，并可加任意形状的 平面掩模版以控制薄膜的形状；( 3 ) 两套改进型k a u f r a a n 离子源，一套用于溅射镀膜， 另一套用于辅助溅射和清洗基片。在两套离子源和基片台前端装有手动快门，用来控制 这三个部件的工作状态。 2 ) 简单介绍 离子束溅射技术是利用具有一定能量的正离子或中性粒子束轰击靶材，使其表面的 原子从母体中溅射出来沉积在基片上成膜。一般入射离子的能量达到某以特定值时，靶 表面的原子才会溅射出来，该值称为能量阈值。如金属的能量闽值约为l o 一3 0 e v 。 2 2 制各样品 2 2 1 基片和靶 基片是制备薄膜样品必备的衬底材料通常根据制备工艺和后续测量的需要选择合 适的基片，并兼顾其机械强度，化学稳定性，热稳定性和表面粗糙度等物化特性。玻璃 是一种具有平滑表面且稳定性比较好的非晶材料，可在小于5 0 0 的温度下使用。玻璃 基板要进行严格的清洗： a 用去离子水清洗。 用。 b 用双氧水、氨水、盐酸和氢氟酸配制清洗 液。将基板置于清洗液中煮沸1 0 分钟。 c 将基板用去离子水清洗后，再用超声清洗 1 0 一1 5 分钟。 在无尘环境中烘干基板，保存在干燥器中待 图2 2 隧道结结构示意图 2 2 2 隧道结的制各 实验上，制各隧道结的技术关键是：首先要求氧化物势垒层均匀致密，无针孔和“橘 皮”等缺陷，而且足够薄( 电子的自由程量级) ，使电子能够隧穿。其次，是避免磁性金 第二章实验内容和方法 属层的表面污染和氧化。隧道结的特性所反映的应该使磁性金属层内在的性质而非表面 层的性质。这两个问题只能通过严格控制制备条件来解决。f e a i ：o 。f e 隧道结样品制各 实验过程利用上述离子束溅射装置制备实现。采用玻璃做基板，利用高纯度的铝板，铁 板做靶材料。基板和靶材都要傲严格的清沈。 样品基板安装在旋转样品架上，溅射前真空室的背景真空为8 1 0 一p a ，然后用高 纯度的a r 作为溅射气体，溅射压强为2 x1 0 p a ，如图2 2 所示，溅射第一层f e 膜厚度 为l o o n m 此时衬底温度为5 2 3 k 。然后溅射7 n m 的a 1 膜。将样品置于空气中( 室温) 自 然氧化。在铝薄膜氧化成氧化铝后，再在上述同一条件下，溅射一层厚度为l o o n m 的f e 膜。通过掩模技术控制三层膜的形状。在空气中通过自然氧化a l 金属层而制备的中间绝 缘层不具备很好的质量。a l 金属层在氧化时首先会次形成较为致密的一薄层氧化层，而 这一氧化层会组止a 1 层的迸一步氧化，从丽使内部没有充分氧化或只是形成不连续的氧 化层。 同样条件下制作c o a 1 ：o ，f e n i 隧道结，在基板上先溅射一层l o o n m 的c o ，再溅射 7 n m 的a 1 ，然后采用离子束原位氧 化制作a 1 ：0 ；隔离层。具体是往真空 腔中注入l o p a 的氧气，在l o o m a 的束流下氧化2 分钟，从而形成 致密连续的氧化层。然后再溅射一 层l o o n m 的n i f e 台金。 2 2 3 颗粒膜的制备 我f 1 n 用h 4 4 7 0 0 型高真空 镀膜机制备f e 。c uc m 颗粒膜。所用 铁粉和铜粉的纯度均为9 9 9 9 。用 清洗后的抛光玻璃板做基板。工作 真空3 1 0 一p a ，基片温度为1 5 0 。c ， 蒸发速率为1 n m s 。取j 分别为0 8 ， 雷2 3 通火装置示意图 铁涟 样品 电炉 0 3 时，做膜厚为l o o n m 和5 0 0 n m 的一系列颗粒膜。 2 。2 4f e , c u 。，颗粒膜的加热退火处理 在样品加热过程中，随温度的升高，分子热运动加强，则分子可能会克服势垒，发 i5 第二二章实验内容和方法 生热扩散，从而改变样品结构。 样品的加热退火在自制的退火装置中进行。如图所示，将样品和电炉均置于真空室 中。真空室与机械泵和氩气储气罐相连。e u 一2 热电偶捌温仪可铡出样品加热温度。退 火温度为3 4 0 。c 。 实验时，先将铁板置于电炉上，再放样品，用- 4 , 铁罐将样品罩住，以保证对样品 加热均匀。用机械泵抽粗真空，然后充入氩气，再抽真空反复多次。尽量减少氧含量， 防止样品在退火过程中氧化。在氩气保护下对制备好的f e ，c u 。颗粒膜进行加热退火 处理。2 个小时后断开电炉电源，待样品冷却后再取出。 2 3 主要样品测量方法简介 2 3 1 振动样品磁强仪 样品的主要磁学性质，如饱和磁矩、 娇顽力、剩磁比、磁各向异性，以及层问耦 合，相邻磁层的排列情况等，都可以通过磁 滞回线的测量。我们利用美国l a k e s h o r e 公 司制造的振动样品磁强仪( v i b r a t i n g s a m p l em a g n e t o m e t e r ，简称v s y ) ( 如图2 4 所示) 测量样品磁滞回线。v s m 直接测量样品 的总磁矩，如图所示，磁性样品随样品杆以 一定频率在磁场垂直方向上做正弦往复运 动，并在安置于样品两侧的感应线圈中感生 曰 冒2 4 震动样品磁疆许结构示意函 l 疆动拽? 样品杆3 曙应始圈 4 样品5 戡椒 5 出一个交流信号。这个信号正比于样品的总磁矩。测量这个信号就可以得到样品的总磁 矩。 2 3 2 x 射线衍射仪 d m a x 一3 c 型x r a y 衍射仪是日本理学电机生产的大型精密测量仪器。该仪器可对 多相结晶物质进行定性、定量分析。测量物质的晶系结构及晶格常数，测定物质的结晶 度等特性。配备必要的附件还可以浏定固体材料的应力、织构、晶粒大小及粒度分析。 本实验使用铁靶测试，其单色x 一射线波长丑= 0 1 9 3 6 册l 。x 一射线晶体衍射满足 靠拉格定律：2 d h * s i n 良f = ，其中h 、k 、1 是样品材料的晶面指数，d 啪是晶面间距， 1 6 第二章实验内容和方法 6 1 w 是布拉格角，由实验测出。 2 3 3 扫描隧道显微镜 s t mi p c 一2 0 5 b 扫描隧道显微镜是由蘑庆大学开发的新型表面分析仪器其分辨率 为：横向0 i n m ，纵向0 o l n m 扫描范围：2 0 0 0 x 2 0 0 0n m 2 。该仪器测试原理逻辑图如 图2 5 所示。 图2 。5s t xi p c - 2 0 6 b 逻轻框图 仪器工作原理：设备开始运行时，z 向步进 电机驱动压电陶瓷上底探针逐渐逼近样品，一旦 进入隧穿状态，探针与样品之间随即产生隧道电 流，。ce x p ( - 船) ，也即隧道电流与探针和样品 之间的距离z 成指数关系。隧道电流经过误差放 大器后形成误差信号，促使步进电机停车，xy 方向的扫描电压驱动压电陶瓷做二维平面扫描， 如选用恒流模式。则当探针扫描时，随着工作表 面的起伏，为保持恒流，探针必需上下穆动从 而获得表面三维形貌图象。 2 3 4 微电阻测试系统 圈2 6 徽电胡测试原理 如图2 6 所示，由p i , 2 6 6 计算机，利用i e e e - 4 8 8 卡联接2 4 0 0 电流电压源表和2 1 8 2 第二章实验内容和方法 伏特表构成了微电阻测试系统。2 4 0 0 电流电压源表和2 1 8 2 伏特表均由美国k e i t h e l e y 公司制造。其电流和电压测试精度分别可以达到i n v 和5 0 p a ，l 掣v 。由软件t e s t i n t 实现仪器的控制数据的采集和分析。 对于薄膜样品，测电阻时通常采用常见的四探针法i l 引，如图2 6 所示，四个探针 在一条直线上，相互间距均为s 在1 、4 两个探针间通入恒定电流i ，测出2 、3 两探针 间电压v ，则可得到薄膜电阻r - - c v i ，c 是修正因子，与样品尺寸和探针间距s 有关。 图2 7 低温测试系统示意圈 图2 8 雕道结电阻测试示意图 利用自制的简易低温装置，结合上述微电阻测试系统，可以完成样品在低温下的电 阻的测量。如图2 7 所示杜瓦瓶中盛有液氮，可以使样品保持在液氮温度( 1 0 0 k ) 。测试 时，将样品放入薄铝筒。过半个小时，系统热平衡，样品温度降至液氮温度时，开始测 量。为了得到样品电阻率，我们将薄膜样品切割成窄条形，以期达到样品中流过得电流 密度是均匀的。测出的电阻减去弓l 出接线的电阻，便褥到样品电阻。再测出窄条宽度和 长度，已知膜厚，就可算出电阻率。 对于磁隧道结样品为了测量其电流垂直膜面电阻我们采用自制电极方法。磁隧 道结样品c p p 测量示意图如图2 8 所示。 第三章形态结构与组分分析 第三章形态结构与组分分析 3 1x 射线衍射观测f e ，c u 。，- i ) 颗粒膜 9 第三章形态结构与组分分析 = 45 o 40 一 x c c m ” ” ， 言乱三， 第三章形态结构与组分分析 2e ( d e g ) 圈3 1f e 。c u h 颗粒膜x 一射线衍射谱 ( a ) f e os c u o2 ( 1 0 0 n m ) 朱退火