（光学专业论文）巨磁电阻自旋阀钉扎层的研究.pdf

摘要 l j 于! 坚! 星堡墼丝型具有大的交换偏置，比较高的b l o c k i n g 温度和较好的 热稳定性，在自旋阀结构中p t m n 已经在实际应用上用来钉扎铁磁层。但利用磁 控溅射法在无基底加热的条件下制备出的p t m n 薄堕需要在磁场中进行较高温度 的沉积后退火处理才能得到交换偏置场日。也就是说，为了使其从非磁f c c 相 转变为具有强反铁磁的f c t 相结构，需要大约2 6 0 的高温退火j 能实现。但长 时间的高温退火处理将会造成自旋阀其它各层之问的界面扩散，影响其性能。因 此，降低退火温度，缩短退火时l b j 是一个急待解决的问题。 在我们的课题研究中，我们着重对钉扎层进行了研究，工艺上采用了p t m n 多层膜而不是传统的共溅射的方法。我们希望通过这种方式能够发现一条降低临 界退火温度的途径，并且能够缩短退火时间。通过x 光衍射和振动样品磁强计测 量我们发现2 6 0 大体上仍然是形成反铁磁相的临界温度。我们还发现随着单层 厚度的增加钉扎现象逐渐消失，而且先沉积n i f e 层，后沉积p t m n 多层膜的情 形更容易获得反铁磁结构。这可能是缩短退火时间的一种好方法。 a b s t a c t p t m nh a sp r a c t i c a l l yb e e nu s e da sa n t i f e r r o m a g n e t i cl a y e rt op i n f e r r o m a g n e t i cl a y e r sb e c a u s eo fi t sl a r g ee x c h a n g eb i a s ，h i g hb l o c k i n g t e m p e r a t u r ea n de x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d ，p t m n f i l m sd e p o s i t e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n gw i t h o u ts u b s t r a t eh e a t i n gr e q u i r e ar e l a t i v e l yh i g ht e m p e r a t u r ep o s t - d e p o s i t i o na n n e a l i n gi nm a g n e t i cf i e l d t oi n d u c eau n i d i r e c t i o n a le x c h a n g ef i e l d 如t h a ti st os a y , i no r d e rt o a c h i e v et r a n s f o r m a t i o nf r o mn o n m a g n e t i c f c cp h a s es t r u c t u r et of c ts t a t e w i t hs t r o n ga n t i - f e r r o m a g n e t i s m ，ah i g hp o s t - d e p o s i t i o nt e m p e r a t u r e f a b o u t2 6 0 ) a n n e a lm u s tb ep e r f o r m e d b u tl o n gt i m ea n n e a lw i l lc a u s e t h e r m a ld e g r a d a t i o nt h ew h o l es p i n v a l v eb e c a u s eo fi n t e r l a y e rd i f f u s i o n s ot os h o r t e na n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ei sav i t a li s s u e i nt h i s s t u d yw ef o c u s e do nt h ep i n n i n gs t r u c t u r e ，a n dp r e p a r e d p t m n nm u l t i l a y e rb yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e mi n s t e a do fu s i n g c o - s p u t t e r i n g ，b yw h i c hw ew i s ht of i n d aw a yt or e d u c et h ec r i t i c a l a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n ds h o r t e nt h ea n n e a l i n gt i m e b yu s i n gx - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dv 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 ( v s m ) w ef i n d a b o u t2 6 0 ci st h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r et oc o m p l e t et h et r a n s f o r m a t i o no f o r d e r e da n t i f e r r o m a g n e t i c 如tp h a s e w ea l s o f i n dt h a tt h ep i n n i n g p h e n o m e n o ng r a d u a l l yd i s a p p e a rw i t ht h i c k e rs i n g l el a y e ro ft h ef p t m n 。 f i l m s ，a n df i r m l yp r e p a r e dp e r m a l l o yb e f o r et h ed e p o s k i o no f 【p t m n 。 m u l t i p l a y e rm o r ee a s i l yf o r ma n t i - f e r r o m a g n e t i cs t r u c t u r et h a na n o t h e r c a s e 。m a y b et h i si sag o o dw a yt os h o r t e nt h ea n n e a l i n gt i m e i i 第一章引言 第一章引言 磁性金属多层膜的物理构思源于6 0 年代l e s a k i 和t s u 对半导体超t 粘格t r 两种不同施主材料的电子密度的调制，是一种由层厚均在纳米量级的4 i 问盒心 组成的多层薄膜系统，在垂直膜面方向上具有人工设计的周期结构。随着科学技 术的不断进步，制备人工结构材料的技术和设备不断改进，使得我们能够制备m 更为复杂、更为精细的人工结构。在这些人工结构中，出现了一些不j f 0 统的 合会或化合物的新颖的磁学性质及新的效应，在这些新效应中，巨磁电阻( g m r ) 效应无疑是最为突出的。 1 1 磁电阻的来源【2 1 早在十九世纪四十年代人们就已经发现了磁电阻效应。特别是自1 9 8 8 年 m n b a i b i c h 等人首次在f e c r 会属多层膜中发现了g m r 效应【3 i 以来，由于它在 传感器、信息存储等方面的巨大应用价值引起了广泛的关注，推动了其理论和应 用研究的迅猛发展。 所谓磁电阻( m a g i l e t o r e s i s t a r l c e m r ) 是指外磁场的作用使磁性材料的电阻值 发生变化的现象，可以用p = 鳓一p 。表示，p h 和p 。分别表示磁场为h 和0 时 的电阻率。如果磁电阻随外磁场的增加而增加( 减少) ，则称之为正( 负) 磁电阻。 可以说，所有的金属都存在磁电阻，只是大小及来源有所不同。 具有g m r 效应的多层膜通常由铁磁金属层( f m ) 及非铁磁金属层( n m ) 交替 组成。原则上，多层膜中的磁电阻应包括下述一些来源： ( 1 ) 非磁层的磁电阻，为正常磁电阻( o m r ) 。 ( 2 ) 铁磁层( f m ) 的磁电阻，其中至少有三个来源： ( a ) 与技术磁化相联系的各向异性磁电阻( a m r ) 。 ( b ) 与铁磁体顺行过程相联系的顺行磁电阻( p m r ) 陋l 。 ( c ) 铁磁体的正常磁电i j n ( o m r ) 。 ( 3 ) f m n m 多层膜中的新效应( g m r ，t m r 等) 。 第一章引言 下面对磁性材料中存在的一些磁电阻现象做一个简单介绍 a 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 , o m r ) o m r 为普遍存在于所有会属和合会中的磁电阻效应鸭它米源0 ：磁场埘传 导电子的洛伦兹力作用。该力导致载流子运动轨迹发生偏转或产 1 - 螺旋运动，从 而使平均自由程减小，导致电阻值升高。其特点是： ( 1 ) m r 为正值，m r ；m r ：p ( h ) - p o o p o ( 2 ) 具有各向异性，但p 岛 0 ( 3 ) 磁场不高时，m r b 2 。 在磁场b o 的作用下，电子回旋运动频率为国。= 圭b 。若电子散射驰豫时 间为1 ，则产生大的m r 的条件为f 一1 ，即垒b 。 l 。式中零场电导率 甜。 n e c r 0 = n e 万- t ，n 、e 和m + 分别为电子的密度、电荷和有效质量。 以c u 为例，n = 8 5 x 1 0 2 8 m - ，c r o = 7 8 x 1 0 7 q 脚，。f = 4 7 1 0 一b o 故彩。r 1 就要求b o 2 0 0 t 。实验上发现当b 0 = 3 0 t 时，o m r - - - 4 0 。若按m r b 0 2 估计，在b o = 1 0 。t 时( 即1 0 0 e ) t ，c u 的m r 仅为4 x 1 0 8 ，十分微弱。 会属b i 有较高的o m r 。b i 薄膜在1 2 t 的磁场下，m r 大约7 2 2 ，b i 单晶在低温下可达1 0 2 1 0 3 。半导体也有较大o m r ，并已丌发成商品化的磁 电阻传感器。如l n s b - - n i s b 共晶材料，当b o = o 3 t 时，室温m r 2 0 0 。 在居旱点以下的铁磁会属中，与自发磁化强度m s 相应的内场为u 。胁。例 如f e 的内场高达2 1 t ，故铁磁金属的零场电阻率中己包括了内场引起的o m r 。 第一章引言 。b 各向异性磁阻( 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 m r ) 各向异性磁电阻是指磁性材料的电阻率随其磁化强度的方向与电流方向的 柑对取向而改变的现象i 副，它是在铁磁余属和合余中出于自旋轨道耦合电子受到 磁性原予( 离子) 的散射而产生的，可由一个普遍的电场矢量的表达式求得： e = p 。j + ( i ，) ( p 。一所) + p 片卢( 1 1 ) p h 是h a l l 电阻率，p 为单畴样品的磁化强度方向，p ，和p a _ 分别是平行、垂直于p 的电阻率，j 为电流密度。对单畴样品，如果m 与j 的央角为0 ， 那么出上式可以推出： p ( 曰) = p ls i n2 口+ p c o s 2 口= p 1 + a p c o s 2 口( 1 2 ) a p = p ，一n 。上式给出了单畴的各向异性磁电阻。当磁化强度从0 = 9 0 0 转 到0 = 0 0 时，电阻率出p 变为p f ，改变了a p 。饱和a m r 与技术磁化相应，即与 从退磁状念到趋于磁性饱和的过程相应的电阻的相对变化。 对于多畴材料，在退磁状念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p ，= 1 3 ( p 。+ 2 p ) 。多数材料 办 p ( o ) ，故 a p _ l ：塑二些! 0 p r p a y 丝：二壁业 p t ，p 时，自旋混合破坏了双通道的短路效应，( 1 6 ) 式趋于： p = ( 肼+ p 。) 4 ( 1 7 ) 3 自旋相关散射的来源 过渡铁磁金属和合会中的s 带和d 带电子均参与导电，并有几种电子散射过 程，如杂质、缺陷、表面、界面、声子和磁振子等。上述关系式中的自旋相关电 阻率p t p 。源于能带中电子的浓度n 、有效质量胧+ 。、散射的弛豫时问f 、与其 6 第一章引言 相关的平均自由程入以及费米面能态密度n ( e f ) ，而上述物理量均因自旋念盯不 同而异。自旋相关电阻率可表示为： 岛= m + 。一，p 2 0 ( 1 8 ) 盯表示自旋态f 或 。对于某种自旋散射势，其矩阵元为： o - i l 乃l u l 2 虬( e ，) ( 1 9 ) 自旋相关散射的来源可分为两类，其一为内禀或本征性来源，铁磁会属电子 能带的交换劈裂引起的与自旋相关的n 。、m 。，以及。( e ，) 均属之。其中 ，( e ) 尤为重要，它j 下比于电子散射的终念。图1 4 为f e 、c o 、n i 电子能带的 态密度示意图，s 带为宽带，d 带为窄带，其中d 带的交换劈裂引起自发磁化的 主要来源，并使t ，( b ) 与m ，( b ) 有很大差别，是引起自旋相关散射的主要 来源。由于d 带很窄，具有大的有效质量，而s 带则相反，故通常假设导电主要 是s 电子的贡献。以图1 4 中c o 与n i 为例，大的交换劈裂使山带完全处于费米 面之下，故t ( 昧) 仅来自s 电子，而d i 带与费米面相交， r l ( b ) 来自s t + d i 带 的总和。显然，t ( e ) l ( e ，) ，故c o 及n i 基合会具有p t 1 0 。f e 的交换劈裂未能使山完 全处于费米面之下，故f e 基合金中自旋相关电阻的不对称倾向常低于c o ，n i 。 幽i 2f e 、c o 、n i 能态密度示意幽 另类自旋相关散射的来源是非本征的，这就是某种杂质或缺陷的自旋相关 势吃。例如当c r 溶于n i 时，作为杂质的c r 的磁矩与基质n i 的磁化方向相反， 第章引言 呈反铁磁耦合，故自旋向上，与n i 的磁化同向的传导电子受到c r 杂质较大的排 斥与散射。而自旋向下的电子则相反，与上述n i 、c o 的本征性能不同， 口= p o p o t 1 。因此，f e 、c o 、n i 中溶有不同的杂质余属元素时，杂质散射 的自旋相关剩余电阻的不对称因子口= p o i p o t 可以大于或小于l 。 4 自旋阀巨磁电阻的原理和结构 一些具有强反铁磁耦合的多层膜的巨磁电阻可达到很高的数值，如c o c u 多层膜室温下m r 第一峰值可达6 0 8 0 z l ，但强反铁磁耦合使饱和场h s 增高， ad 降低了磁场传感灵敏度( s = 三芸- s ) 。为了进一步降低耦合强度，提高灵敏度 k 人们提出了非耦合央层结构，简称自旋阀( s p i nv a l v e ，s v ) 。在众多的巨磁电阻 效应的应用研究中，自旋阀结构g m r 就是以其灵敏度离、工作磁场小、信噪比 高、而且磁电阻变化率( a r m ) 对外场的响应呈线性关系。频率特性好等优点率 先进入了应用领域，得到广泛的研究。 发展自旋阀结构的基本思想是：通过降低多层膜层问交换耦合来实现低场下 铁磁层磁化方向的相对变化，以提高g m r 效应的灵敏度。自旋阀的这种设计构想 来源于电子的自旋相关散射效应。在固体中，电子自旋主要是通过交换耦合与磁 性原子附近的其它电子相互作用，一般不受其它力的影响。因此，即使电子经历 多次散射，在相当长的路径上它的自旋空间取向仍可保持不变，或者说电子可以 “记住”它的自旋态。当传导电子与磁性原予作用时电予自旋磁矩和磁性原子磁 矩的取向有相互平行和反平行两种方式。两者取向相互平行时，出于泡利不相容 原理的制约，传导电子与磁性原子的其它电子相距较远，它们之间的库仑相互作 用较弱，此时传导电子受磁性原子散射较弱，会属显示电阻较低。另一方面， 当两者耿向相互反平行时，传导电子与磁性原子的其它电子的库仑相互作用可能 很强，此时传导电子将受到强烈的散射，金属呈现出高阻状念。因此，无论电子 自旋取向是向上还是向下，只要相邻的两层铁磁薄膜中原子磁矩为反平行取向， 金属多层膜系统宏观上都会呈高电阻状态。当对上述多层膜系统施加磁场时，各 层铁磁薄膜中的原子磁矩将尽可能地转向外加磁场方向。此时，其自旋磁矩与铁 磁薄膜中原子磁矩取向相互平行那部分传导电子将几乎不受磁性原子的散射，形 第一章引言 成一条低电阻通道，旁路短接了其它高电阻通道，使整多层膜系统呈低电阻状态。 从以上分析可见，在外加磁场作用下，多层膜系统中的铁磁膜只允许某种自旋磁 矩取向的电子通过。也就是说铁磁膜起着电子自旋取向( 极化) 过滤器或阀门的 作用。 自旋阀大体上分为两类： ( 1 ) 反铁磁性材料所钉扎的偏置型自旋阀( s v ) 典型结构：f 1 n f 2 a f ，两铁磁层f 1 和f 2 被较厚的非铁磁层n 隔丌，几 乎没有层阳j 交换耦合。f 2 的m s 则被相邻反铁磁层a f 的交换耦合引起的单向偏 置场所钉扎，在微弱的外场下不会改变方向，称之为钉扎层( p i n n e dl a y e r ) ；f 1 为软磁层，它的m s 可以在很微弱的磁场下就相对于f 2 改变方向。从而极大地 提高了磁场灵敏度，获得较大的g m r ，我们称之为自由层( f r e el a y e r ) 。图1 3 ( a ) 就是一种典型的自旋阀结构。 ( 2 ) 非耦合型自旋阀 非耦台型三明治和多层结构中，具有不同矫顽力( 通常是一软一硬) 的上下 两层磁性材料( f 1 、f 2 ) 在适当的磁场下，可是相邻铁磁层的m s 从接近反平行 状念变为平行状态，从而得到g m r 效应【h l 。这种非耦合型自旋阀具有高得磁场 灵敏度，因而具有重要的应用价值。 自旋阀中出现巨磁电阻应必须满足下列条件”1 ： ( 1 ) 传导电子在铁磁非铁磁( f n f ) 界面上的散射必须是自旋相关的。 ( 2 ) 传导电子可以来回穿过两铁磁层并能记住自己的身份( 自旋取向) ，即 自旋自由程、平均自由程与隔离层厚度相当。 ( 3 ) 相邻磁层磁矩的相对取向能够在外场的作用下发生改变。这就要求自由 层矫顽力比较小，能够灵敏地对外场作出反应( 随外场转向) ，而钉扎场比较大 ( 保证钉扎层不会被外场磁化) 。 图1 3 ( b ) 为自旋阀的磁滞回线，图1 3 ( c ) 为磁电阻随磁场变化而改变的曲线。 未加磁场时，由于在制备自旋阀时，基片上外加一偏置磁场，使两磁性层磁矩平 行排列，这时自旋阀电阻小。在外加反向磁场的作用下，自出层首先发生磁化反 转，两磁性层磁矩就变成反平行排列，自旋阀电阻大。自旋阀电阻大小取决于两 铁磁层磁矩( 自旋) 的相对取向。自由层反转磁场由其交换耦合偏置场和通过非 9 第一章引言 磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场( h e l 【) 和零漂移场( h f ) 决定。这里零漂移场指由 ： 兰一 戡_ 逊 ( a ) 图1 3自旋阀结构和原理示意图 钉扎层和反铁磁层引起自由层磁滞回线的漂移。当外磁场超过由反铁磁层交换耦 合引起的偏置场时，钉扎层发生磁化反转，自旋阀电阻变小。为了满足应用要求， 需要研制低饱和场、稳定性好、g m r 效应大的自旋阀。目前自旋阀面临的最大 问题是抗腐蚀和热稳定性问题。要解决这些问题，需要对各层材料提出一定的要 求。希望反铁磁层具有高电阻、耐腐蚀而且热稳定性好。 目前，自由层一般采用矫顽力较小的的材料，如c o ，f e ，c o f e ，n i f e ，n i f e c o ， c o f e b ，c o m n b ，co _ n b z r 等，钉扎层则选择自旋相关散射大的材料，例如c o ，f e ， n i f e ，c o f e n i f e c o ，c o f e b 等。 从结构上分，自旋阀的类型如图1 4 所示。在图1 4 中，s u b 为基底，h m 为硬磁层，s m 为软磁层，其它符号的意义同前。 4 目前对于自旋阀钉扎层的研究现状 目前，人们对顶自旋阀 图1 4 ( 1 3 ) 和底自旋阀 图1 4 ( b ) 的研究是最为广 泛的。通常首先在基片上溅射一层缓冲层，按照需要来控制生长过程并且在自 旋阀上面覆盖一保护层，以增强抗腐蚀能力。为了降低饱和磁场和提高巨磁电阻 效应，两铁磁层往往选取不同的材料。自由层选取矫顽力小的软铁磁性材料，而 钉扎层选取自旋相关散射大的材料，如图1 4 ( c ) 所示。为了减小坡莫合金与非 磁性隔离层的扩散，提高巨磁电阻效应，在其界面插入一个c o 薄层，如图1 4 ( d ) 所示。然而，它也引起矫顽力的增加，一种办法是只在钉扎层与非磁性隔离层的 界面上插入c o 薄层。为了进一步提高磁电阻效应，引入两个钉扎层，构成对称 型自旋阀如图1 4 ( e ) 所示。适当调整各层厚度，允许传导电子通过四个界面层， 从而可以增加巨磁电阻效应。一种典型的对称自旋阀为基片n i o ( 5 0 0 第一章引言 n m ) c o ( 2 5 n m ) c u ( 1 8 n r n ) c o ( 4 啪) c u ( 1 8 n m ) c o ( 2 5 n m ) n i o ( 5 0 n m ) ，其磁电阻达 到2 3 4 。种可能的解释是；当电子在自旋阀顶部和底部，由于氧化层势垒较 高，发生镜像反射，且各磁性层磁矩处在平行排列状态时，电子的1 均自由程被 延长，相当于调制多层膜结构。 幽1 4 白旋阀的种类 ( a ) 顶白旋阀；( b ) 底白旋润；( c ) 不同铁磁层的白旋阀：( d ) 界面l ：稃白旋阀 ( b ) ( e ) 对称性白旋阀：( f ) 不同矫顽力的白旋阀 另种类型的自旋阀是用硬铁磁层( 如p t c o ) 代替反铁磁层和钉扎层。基本 结构为基片软磁层( s m ) 非磁隔离层( n m ) 硬磁层( h m ) ，如图1 4 ( f ) 所示。它的 优点是结构简单，且可选择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料，克服了自旋阀的不 耐腐蚀和稳定性差的缺点。但也有不足之处，它的硬磁层与自出层之间存在耦合 作用，自由层的矫顽力增大，因而降低了自旋阀的灵敏度。 从前面对于自旋阀的介绍可以看出，对于偏置型自旋阀来说，钉扎层在自旋 阀中起着至关重要的作用。为了获得大的交换偏置场( 垃，) ，必须要有良好的反铁 磁层和铁磁层之间发生强的f m a f m 交换耦合作用。交换偏置现象是指当样品 在一个大的正向磁场中冷却后( 冷却自u 温度高于a f 层的奈尔( n c e 1 ) 温度) 。它的 磁滞回线中心从原来的h - - o 移到个偏置场 ) 。此外，为了应用的需要，反 铁磁层还必须具有较高的b l o c k i n g 温度f i b ) 以及好的热和化学稳定性等等。因 此，反铁磁层在自旋阀结构中起到至关重要的作用。 第一章引言 为此，人们对各种各样的反铁磁材料进行了研究：主要有氧化型( n i o ，c o o ， f e 2 0 3 等等) 、y m n 型( f e m n ，i r m n ，f e m n r h 等) 和有序型( n i m n ，p t m n ，p t p d m n ) 1 2 - 1 4 j 。氧化型具有良好的抗腐蚀性，但如小，t b 也比较低。早期的自旋阀 般采用f e m n 反铁磁层，但它易腐蚀，热稳定性差，这使其在自旋阀g m r 传感 器中作为e b 层受到限制。现在f 研究用各种不同的反铁磁材料来替代f e m n 作 为钉扎层，并取得很大进展。其中p t m n 基自旋阀( s v ) 具有大的巩。、高t b 和良 好的抗腐蚀性，因而具有更大的应用前景。本文就是以p t m n 反铁磁材料重点对 钉扎层进行了深入的研究。 1 3 自旋阀巨磁电阻的应用 自旋阀巨磁电阻之所以在全世界受到重视，是和它重要的技术应用前景分不 开的【1 7 j 。基于这种效应制作的磁盘存储器的读出磁头，大大提高计算机硬磁盘 的存储容量：此外，基于这种效应的计算机随机存储器，具有断电后信息不会丢 失、读写速度快和结构简单可靠的优点；利用g m r 效应的磁电阻传感器灵敏度 可靠性高，在运动传感领域有广泛用途，在汽车工业有很强的竞争力。 传统上用于从计算机硬盘上读写信息是绕线式感应磁头，如图1 5 ( a ) 所示， 这种磁头是利用电磁感应原理设计的，因此要测量微弱磁场就必须使磁盘保持旋 转，这就限制了磁盘每位信息的磁单元尺寸的缩小和磁盘容量的增加，而且磁头 尺寸缩小就会造成绕线电阻的大大增加，因此很难满足高密度存储的需要。 图1 5 计算机便盘读山头示意幽 其中( a ) 和( b ) 分别代表绕线式和ig m r 磁头 为此人们利用各向异性磁电阻( 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 m r ) 效应设计制 造了a m r 磁头，它读出信号不受记录媒质运动速度的影响，大大提高了硬盘的 第一章引言 存储密度和灵敏度，但其弱小的a m r 磁电阻率和a m r 磁头固有的巴克豪森噪 音，是a m r 磁头的重要不足。丽基于g m r 效应的读出磁头( 如图1 5 ( b ) 所示) 很好地弥补了这些缺陷。当它接近磁盘上的磁单元时，由于g m r 效应磁头中将 产生一个大的电阻变化，再把它转变成电压，就读出了这个磁单元所载的信息， 它测量的是磁通量。丽非微弱磁场变化量。因此，g m r 读出磁头同样也不要求 磁盘高速旋转，这样就大大提高了磁头的分辨率，并且g m r 磁头以其较大的磁 电阻变化率，并克服了巴克豪森噪音，大大提高了磁头的灵敏度、可靠性和信噪 比，使高密度磁盘技术取得突破。1 9 9 4 年木美国i b m 公司首先宣斫埔0 成了4j 。 膜的g m r 读出磁头，在巨额商业利益的激励下，目前美国、欧洲和闩本的各大 电气公司激烈竞争。g m r 效应从1 9 8 8 年在实验室发现到1 9 9 4 年i b m 公司宣 布g m r 读出磁头实用化，从基础研究成果转化为实用化商品仅用了6 年时问， 它是科学研究快速转化为高技术生产力的个范例。在过去的几年罩，g m r 的 应用研究迅速发展，磁存储密度以每年6 0 的速度递增。在存储密度增加的同时， 磁头的尺寸也越来越小。见表1 1 。 表11 g m r 磁头研究进展和趋势”i i 年份1 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 82 0 0 02 0 0 22 0 0 42 0 0 5 j 3 重( g b i n 2 ) 0 5 7 80 9 2 31 4 5 03 1 2 05 7 0 0l o2 0 4 0 8 0 1 9 9 5 年美国物理学会出版的( 1 9 9 4 年物理新闻把g m r 效应列在凝聚态 物理学的5 个热点之首，许多科学家把g m r 效应与已发现的高温超导电性和量 子霍尔效应相提并论。1 9 9 6 年月，我国香山科学会议举行了第5 6 次学术座谈会。 这次会议选定的主题为巨磁电阻效应的现状与未来。它既反映子我国科技界 对g m r 效应的重视，同时大大推动我国对g m r 效应的研究和开发应用。 翌二兰呈! 妻 参考文献 【l 】l e s a k i & t s ur ，i b mr e a s e a r c hn o t er c2 4 1 8 1 9 6 9 【2 】翟宏如，鹿牧，赵宏武，夏钶，物理学进展 【3 1m n b a i b s 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 g b i n a s c he ta 1 p 矗”r b 3 9 ( 1 9 8 9 ) 4 8 2 8 【4 】a b p i p p e d ，m a g n e t o r e s i s t a n c ei nm e t a l s ( c a m b r i d g eu n i v e r s i t yp r e s s ， c a m b r i d g e ，19 8 9 ) 【5 】t r m c g u i r ea n dr i p o t t e r , i e e et r a n sm a g n 1 1 ( 1 9 7 5 ) 1 0 1 8 【6 】s vv o n s o v s k i i ，m a g n e t i s m ，h e i s t e dp r e s s ，1 9 7 1 【7 】s s p p a r k i ne ta 1 ，p h y s r e v l e r 6 4 ( 1 9 9 1 ) 2 3 0 4 【8 】s s p p a r k i ne ta 1 ，a p p l p h y s l c t t 5 8 ( 1 9 9 1 ) 1 4 7 3 【9 】j c tx i a o ，j s j i a n ga n dc l c h i e n ，p h y s r e v l e t t 6 8 ( 19 9 2 ) 3 7 4 9 【1o 】a e ，b e r k o w i t g , e t a l ，p h y s r e v l e u 鹋( 1 9 9 2 ) 3 7 4 5 【1 1 t m i y a z a k i a n d n t e z u k a , 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 【1 2 r c o nh e l m o l te ta 1 ，p h y s r e v l e t t 7 1 ( 1 9 9 3 ) 2 3 3 1 ( 1 3 】j m d c o e y , i n a s p e c t so f m o d e mm a g n e t i s m e d b yec p u ， y j w a n g ，c h s h a n g ( w o r l ds c i e n t i f i c ，t 9 9 6 ) ，p 2 【1 4 】a c h a i k e ne ta 1 ，a p p l p h y s 7 0 ( 1 9 9 1 ) 6 8 6 4 【l5 】d d i e n y , j m b r o t o ，n i k k e ie l e c t r o n i c s ，5 ( 19 9 6 ) ，5 8 【1 6 】m a t h o nj c o n t e m p v h y s ，1 9 9 2 ，3 2 ：1 4 3 【1 7 s i m o n d sjl p h y s t o d a y , 1 9 9 5 ，2 6 【1 8 】f o n t a n ar e j rm a c d o n a l dsa ，s a n t i n ih a a ，e ta 1 ar e v i e w j i e e et r a n s m a g n ，1 9 9 9 ，3 5 ( 2 ) ：8 0 6 - 8 1 1 【1 9 】n em o t t ，a d v p h y s 1 3 ( 1 9 6 4 ) 3 2 5 1 4 第二章薄膜样赫的制蠡和分析测试原理 第二章薄膜样品的制备和分析测试原理 我们对薄膜结构及其磁性的了解是建立在对它们的各种测试分析的基础上 的。近年来，由于先进的样品制备手段的不断完善和发展，以及多种精良、复杂 的物性分析技术的改进与发明。使各项研究工作得以不断深入并取得了许多重要 成果。本章将简单介绍一下我们所用到的一些基本实验方法和分析测试的原理。 2 1 多层膜样品的制备 薄膜的制备主要有三种方法，主要包括：物理气相沉积( p v d ) i l j ，化学气 相沉积( c v d ) 和电化学沉积1 2 1 。在这些方法中，电沉积是最古老的，同时也是最 容易应用的技术，但现在已不被重视。目前，在各种多层膜( 或超晶格) 的制备 中广泛使用最广泛的是p v d 方法，它包含分子束外延( m b e ) ，电子束加热，直 流或射频溅射，激光感应瞬时加热和离子束加热等。其中，溅射制膜又因其过程 简单、工艺多样而更为被广泛采用。 本课题研究中所采用的是磁控溅射制膜技术，由于这种方法工艺流程简单， 成分容易控制，制各结构多样，溅射速率快，成膜质量好等优点在薄膜实验研究 中得到广泛采用1 3 o l 。下面将简单介绍一下它的工作原理及特点。 2 1 1 磁控溅射现象及原理 用带有几十电子伏以上的动能的粒子或粒子束照射固体表面，靠近固体表面 的原子会获得入射粒子所带能量的一部分进而在真空中放出，这种现象称为溅 射。溅射现象本身涉及极复杂的碰撞和散射过程：首先，入射粒子与样品原子发 生弹性碰撞，入射粒子的一部分动能会传给样品原予，当后者的动能超过出其周 围存在的其它原子所形成的势垒( 对于会属是5 - 1 0 e v ) 时，这种原子会从晶格点 阵中被碰出，产生离位原子，并进一步和附近的样品原子依次反复碰撞，产生所 谓的碰撞级联。当这种碰撞级联到达样品表面时，如果靠近样品表面的原子的动 能远远超过表面结合能( 对于会属是1 - 6 e v ) ，这些原子就会从样品表面放出并进 第二章薄膜样品的制备和分析测试原理 入真空中。 溅射镀膜指的是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒予在基 片上沉积的技术。通常，利用低压惰性气体辉光放电来产生入射离子。阴极靶由 镀膜材料制成，基片作为阳极，真空室中通入1 0 一1 0 p a 的或其它惰性其它氩气， 在阴极( 靶) 卜3 k v 直流负高压或1 3 5 6 h z 的射频电压作用下产生辉光放电。 电离出的氩离子轰击靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。目前 溅射方法很多，主要有二缴溅射、三级或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频 溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。 由于被溅射原子是与具有数十电子伏特能量的正离子交换动量后飞溅出来 的，所以，溅射出的原子能量较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高 沉积组织的致密程度，使制出的薄膜与基片具有很强的附着力。 直流磁控溅射是从7 0 年代发展起来的一神新型溅射镀膜法，它有效地克服 了阴极溅射速率低和电子使基片温度升高的弱点，因而获得了迅速的发展和广泛 的应用。基本结构如图2 1 所示。 幽2 i 磁控溅射不葸幽 其原理是：在磁控溅射中，由于运动电子受到的磁场作用( 洛仑兹力) ，而使 运动轨迹发生弯曲乃至形成螺旋运动，导致电子运动路径的加长，因而增加了与 工作气体分子的碰撞次数，使等离子体密度加大，因而磁控溅射速率得到很大的 提高，而且可以在较低的溅射电压和气压下工作，这样就降低了薄膜污染的倾向， 另一方面也将提高入射到衬底表面原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄膜 的质量。同时，经多次碰撞而丧失能量的电子进入离阴极靶面较远的弱电场区最 后到达阳极时，已是能量消耗殆尽的低能电子，也就不再会使基片过热，因此可 第一二章薄膜样黼的制备莆1 分析测试原理 以大大降低基片的温度。因此磁控溅射法具有“低温”、“高速”的优点。 直流磁控溅射由于其高速、低温的特点和装置性能稳定，工艺容易控制， 在沉积多元合金薄膜时化学成分容易控制。同时易于保证所制备薄膜的化学成分 于靶材基本一致。因此在科研中得到了广泛的应用。但其缺点是不能制备绝缘体 膜，而且磁控电极中采用的不均匀磁场会使靶产生显著的不均匀刻蚀，靶材的利 用率较低，一般仅为2 0 3 0 。 2 1 2 多层膜样品的制备 羹片 图2 2 制膜过程示意图 该课题研究所采用的是沈阳科学仪器厂研制 的g p 5 6 0 8 型多功能磁控溅射设备。图2 2 给出了 制膜设备的靶、基片和档板在真空室中的相对位置 示意图。该设备具有以下几个特点： - ( 1 ) 真空度较高。采用涡轮分子泵与机械泵 级联，抽气速率快。一般本底真空很快能进入 1 0 。5 p a ，极限真空可高达8 6 1 0 。6 p a 。 ( 2 ) 采用计算机控制整个溅射制膜过程，精度高。由计算机通过步进电机控 制基片底盘的转动和在各靶位的停留时间，实现制备不同结构的多层膜样品，保 证精确控制各单层厚度。 ( 3 ) 多靶位系统。该设备配有一个射频靶、四个直流磁控靶( 其中两个为永 磁式磁控靶，两个为电磁式磁控靶) ，五靶可同时起辉，适合制备具有复杂结构 的多层膜样品。 ( 4 ) 多基片系统。可旋转的底盘上可安置1 6 个基片，有利于对一个体系的 系统研究。制膜过程中基板用循环水冷却，保证基片温度不会太高。 ( 5 ) 良好的稳流系统。保证制膜过程中基本不受外部电压的干扰，样品制备 稳定，重复性好。 具体的溅射镀膜程序包括： ( 1 ) 将真空室抽至3 0 x l o p a ，充入高纯a r 气( 9 9 9 9 ) ，氩气流量及溅射气 压由自动流量计监控。每次正式镀膜前，先预溅约3 0 分钟，去掉靶表面的沾污 物和靶表面的氧化物。 第二章薄膜样品的制备和分析溯试原理 ( 2 ) 制膜。调节好溅射气压及溅射功率等参数，启动计算机控制程序，输入 设定的基片停留方式、时间，即可正式制备多层膜样品。膜厚是根据所测得的溅 射速率，利用溅射时扫j 加以控制。 2 2 样品的结构表征与物性测量 2 2 1x 射线衍射分析 x 射线衍射分析是研究层状膜结构的有力手段之一，可用来测定多层膜的周 期调制结构和微结构。 对多层膜结构的分折可以从两方面进行；化学成分的均匀性( 化学有序) 和 结构有序性。化学有序主要描述多层膜结构中每层膜的化学成分是否均匀，界面 是否清晰等。结构有序主要描述在平行膜面的二维结构有序；垂直膜面方向( 生 长方向) 的一维结构有序，表现在该方向可以划出一个周期单元( 周期为d ) ， 多层膜由此周期单元重复n 次组成。x 射线衍射分析是获取样品垂直膜面方向结 构信息的强有力的工具。 在x 射线实验中，通常采用0 2 0 扫描方式。在这种方式中，散射矢量垂直 于膜面，所给出的信息仅限于垂直膜面方向的结构信息。对于在垂直予膜面方向 具有周期为d 的周期性结构，在x 射线衍射中可以观察到布拉格衍射加强蜂，即 b r a g g 定律： 2 ds i n 0 k 锄j n = 1 2 5 ( 2 1 ) 其中e 。为入射角，九为x 射线波长，( 对于c u 靶k a 线为l = i 5 4 0 5 a ) ，n 为正整数。 在由具有不同晶体结构的a 、b 两种材料交替组成的多层膜结构中，存在三 种周期：多层膜的调制周期d 以及a 、b 两种材料各自的晶格周期d a 和d b 。多层 膜周期的调制周期d 等于a 、b 两单层厚度之和；d a 和d b 分别对应组成a 层和b 层原子平面的晶面间距。s e g m u l l e r 等人f “1 的动力学模型计算表明，这种多层结 构的衍射图谱由一系列衍射峰组成，峰位仍然满足b r a g g 定律： 2 【) s i i 目忭甜m = l ，2 ，3 ( 2 2 ) 此外在对应d a 和d b 的附近也观察到一系列出周期d 决定的对称分布的衍射峰。 峰宽仍与相干长度成反比。由于d 通常为几纳米，对应的布拉格衍射角2 0 只有 第一二章薄膜样品的制冬和分析测试原理 几度，这种小角度范围的衍射通常称为小角衍射。在实际的多层膜中，小角衍射 的强度与多层膜样品周期的