（凝聚态物理专业论文）磁性多层膜中交换偏置和巨磁电阻效应的研究.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成 果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢 意。 作者签名：盟德邀日期：趔丕盈 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：越酸。 导师签名：删 日期：2 皇皿纽 摘要 摘要 近二十年来，由于自旋阀巨磁电阻( g m r ) 在商业化存储器和传感器中的广泛 的应用，所以人们对巨磁电阻现象进行了大量的研究，并逐渐形成了自旋电子学 这门新兴学科。本论文主要围绕亚铁磁体系中交换偏置和巨磁电阻效应进行讨 论，内容包括以下几个方面： 第一，我们系统的研究了在不同g d f e 厚度下g d f e n i c o o 和g d f e f e m n 双层 膜中的交换偏置效应。随着冷却场的增加，交换偏置场从负到正逐渐变化，并在 交换偏置场为零时，矫顽力达到最大。正、负交换偏置的出现本质上来源于g d f e 层和反铁磁层的界面耦合能与冷却场和反铁磁的塞曼能之间的竞争。研究还表面 在g d f e f e m n 体系下，正、负交换偏置中的矫顽力和交换偏置场随角度的变化关 系基本相同，并可以通过一致转动模型来描述。我们的工作有助于进一步加深人 们对亚铁磁正交换偏置体系的理解，同时这也是首次在亚铁磁反铁磁双层膜中 观测到正交换偏置现象。 第二，我们采用延迟溅射工艺制备了s i t a c o c u c o f e m n ( n i o ) 自旋阀。 其g m r 的比值与采用传统溅射工艺相比提高了2 0 一3 0 。x 射线衍射和高分辨电 镜的结果表明，延迟溅射工艺能导致c o 层和c u 层的一致生长，并具有很强的 ( 1 1 1 ) 取向。这意味着c o 层和c u 层的一致生长和( 1 1 1 ) 取向有利于自旋相关散 射效应的增强。 第三，我们在自旋阀g l a s s t a n i o f e c u g d c o 中研究了在不同温度和g d c o 成分下其界面散射和体散射对g m r 的贡献。研究表明，g d c o 的体散射与g d c o 的 成分密切相关。当c o 含量高( 低) 时，其体散射为正( 负) 。体散射不对称因子 随g d c o 成分变化来源于在不同g d c o 成分下其自旋极化率或磁构型不同。而g d c o 的界面散射在不同的c o g d 成分下均为正值。研究同时表明g d c o 体系的巨磁电阻 比值随温度变化本质上是g d c o 体散射和界面散射随温度变化竞争的结果。 关键词：铁磁，反铁磁，亚铁磁，交换偏置，巨磁电阻，c o c u c o 复旦大学 博士毕业论文 a b s t r a c t ab s t r a c t d u r i n gt h ep a s tt w od e c a d e s ，e x t e n s i v ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n s h a v eb e e np e r f o r m e do ng i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) b e c a u s ei ns p i n - v a l v ei th a s v e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nc o m m e r c i a lm a g n e t i cs t o r a g ea n ds o n s o rd e v i c e sa n da n e w d i s c i p l i n e s p i n t r o n i e sw a sb o r n t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h ee x c h a n g e b i a sw h i c hi sav e r yi m p o r t a n tp a r ti ns p i n - v a l v ea n ds p i n - d e p e n d e n ts c a t t e r i n g p h e n o m e n o n t h em a i nc o n t e n ma r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i nt h ef u r s tp a r t , e x c h a n g eb i a s i n gi no d f e n i c o oa n dg d f e f e m nb i l a y e r sh a s b e e ni n v e s t i g a t e da n dt h ep o s i t i v ee x c h a n g eb i a sp h e n o m e n o nh a sb e e no b s e r v e d f i r s t l yi nf o r i m a g n e t a n t i f c r r o m a g n e ts y s t e m t h ee x c h a n g ef i e l dc h a n g e sf r o m n e g a t i v ev a l u e st op o s i t i v ev a l u e sw i t hi n c r e a s i n gc o o l i n gf i e l da n dc o e r c i v i t y a c q u i r e sam a x i m u mn e a rt h e c r o s s o v e ro fe x c h a n g ef i e l d t h e s er e s u l t sc a nb e a s c r i b e dt oac o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ef m - a f me x c h a n g ei n t e r a c t i o na n da ne x t e r n a l f i e l d a f ms u r f a c em a g n e t i cc o u p l i n gi n t e r a c t i o n t h ea n g u l a rd e p e n d e n c eo f e x c h a n g ef i e l da n dc o e r c i v i t yh a sb e e ni n v e s t i g a t e df o rb o t hn e g a t i v ea n dp o s i t i v e e x c h a n g eb i a si ng d f e f e m ns y s t e m i ti sf o u n dt h en e g a t i v ee x c h a n g eb i a sa n dt h e p o s i t i v e o n eh a v es i m i l a r a n g u l a rd e p e n d e n c et h a tc a nb e d e s c r i b e d b y a m a g n e t i z a t i o nc o h e r e n tr o t a t i o nm o d e l i nt h es e c o n dp a r t ，s m c o c “c o ，f e m n ( n i o ) s p i nv a l v e sw e r ep r e p a r e db ya d e l a y e ds p u t t e r i n gp r o c e d u r e t h es p i nv a l v e s a r ef o u n dt oh a v es t r o n g e r ( 1 11 ) p m f e r r e do r i e n t a t i o ni nc oa n dc ul a y e r s ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lc o n t i n u o u s m e t h o d a tt h es f l _ t n et i m e ，t h eg m rr a t i oa n ds p i n - d e p e n d e n ts c a t t e r i n ga r ee n h a n c e d b yaf a c t o ro f2 0 - 3 0 t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o h e r e n tg r o w t ha n dt h e ( 1id p r e f e r r e do r i e n t a t i o nc a ne n h a n c et h es p i n - d e p e n d e n ts c a t t g r i n go fs p i nv a l v e s t o o p t i m i z et h es p a c e rc ut h i c k n e s s t h eo m rr a t i o i s7 7 a n d1 2 1 a tr o o m t e m p e r a t u r e i nt h et h i r dp a r t , f o rf e c u c o o ds p i n - v a l v e s g m rh a sb e e nm e a s u r e da sa f u n c t i o no fd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dc o m p o s i t i o no fc o o dl a y e r sa n dt e m p e r a t u r e t h e g m rh a sb e e na t t r i b u t e dt oc o n t r i b u t i o n so fs p i n - d e p e n d e n ts c a t t e r i n ga ti n t e r f a c e s a n di nb u l k t h eb u l kc o n t r i b u t i o ni sd e p e n d e n to nt h ec o m p o s i t i o no fg d c oa l l o y t h eb u l kc o n t r i b u t i o ni sp o s i t i v e ( n e g a t i v e ) w i t ht h ec oc o n t e n ti sh i 曲( 1 0 w ) m v a r i a t i o no ft h eb u l ka s y m m e t r i cf a c t o ri nt h eg d c ol a y e rw i t ht h ea l l o yc o m p o s i t i o n c a nb ce x p l a i n e di nt e r m so ft h ev a r i a t i o no fe i t h e rt h es p i na l i g n m e n to fc oa n dg d 复旦大学 2 博士毕业论文 a t o m so rt h es p i np o l a r i z a t i o no fg d c ol a y e r h o w e v e r , t h ei n t e r r a c i a lc o n t r i b u t i o n p r o d u c e sp o s i t i v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c er a t i of o rv a r i o u sc o m p o s i t i o n so fg d c o a l l o y s t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fg m r r a t i oc o u l da l s ob ec o n s i d e r e dt h e c o m p e t i t i o nb e t w e e nt h ei n t e r f a c es c a t t e r i n ga n db u l ks c a t t e r i n g k e y r o r d s ：f e r r o m a g n e t ，a n t i f e r r o m a g n e t ，f e r r i m a g n e t ，e x c h a n g eb i a s ， g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，c o c u c o 复旦大学 3博士毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 前言 自旋电子学( s p i n t r o n i c s ) 1 1 - 3 1 是一门将电子的自旋与传统电子器件相结合 的新兴学科。最初自旋电子学研究的主要方向是关于电子自旋输运以及在此基础 上发展起来的磁性传感器和存储器。随着研究的进一步发展和目前半导体传统电 子工业所面临的危机，自旋电子学迅速扩展到以传统半导体电子器件为基础的自 旋注入，传输，调控，和探测等一系列研究领域。与传统电子器件相比，自旋电 子器件具有更高速，无挥发，低能耗，高集成度等潜在优点。它的兴起给未来的 电子工业的发展带来了极大的希望，具有十分重要的应用前景。 1 1 自旋电子学的发展历程 早在1 9 3 6 年，m o r t 为了解释铁磁金属的电阻行为，提出了目前被广为接受的 双电流模型【4 “。m o r t 认为当温度足够低时，如果磁子散射可以忽略不计，那么 铁磁体中的多子和少子( 即自旋向上和向下的电子) 在铁磁体散射中互不干扰。 在铁磁体的输运过程中，多子和少子可以被认为沿着各自的通道独立进行，互相 并不关联。磁阻的计算同时也可以看成是这两种不同自旋投影的电子所产生的电 阻的并联。随后c a m p b e l l 进一步扩展了双电流模型f 6 j 。双电流模型的提出引起 了人们对在输运过程中电子自旋这个新的自由度的极大重视，因此对自旋极化电 子输运的研究也应运而生。自旋极化的电子输运的早期研究方法主要集中在对电 子隧穿i - v 曲线的测量。k a s u y a 等小组通过在对n f n 多层膜的研究中发现i - v 曲线可以通过改变外界磁场来调制1 7 】，其中n 是非磁性层，f 是e u - 基的铁磁半 导体层。从目前来看，这些实验可以被看成是早期自旋过滤的雏形。随后人们在 通过对铁磁层绝缘层超导层结构的研究中进一步证实，当电流通过铁磁体时， 电流会被极化，所产生的极化电流即使脱离铁磁体也仍然存在。这个发现为以后 自旋电流的探测和自旋注入提供了强有力的实验证明。于是在1 9 7 0 年t e d r o w 利 用超导态准粒子在外磁场的塞曼分裂的特性，成功测量了铁磁体中传导电子的自 旋极化率嘲。而j u l l i e r e 也通过测量铁磁层绝缘层铁磁层( 其中绝缘层为非晶 g e ) ，提出了著名的j u l l i e r e 模型即通过改变两个铁磁层磁矩构型( 平行或 者反平行) 可以引起磁阻的变化( 如图1 1 所示) p l o 这种铁磁层绝缘层铁 磁层的三明治结构被称为磁性隧道结，相应的磁电阻被称为隧道结磁电阻( t 撇) 。 复旦大学 4 博士毕业论文 第一章绪论 脚( b ) 一一 ，圆固 十彩鲁 ，国l ( e )t 图1 1 铁磁绝缘层铁磁隧道结中的电子隧穿简图( a ) 平行( b ) 反平行 隧道结磁电阻的发现表明一方面可以通过改变外磁场的大小和方向来调控样品 磁阻的大小。另一方面意味着通过变化磁阻能够探测外界磁场的大小和方向。 尽管由于当时工艺和技术的限制，t m r 没有得到广泛的应用，但是j u l l i e r e 的模型预言了自旋阀效应的到来，即器件的磁阻的大小可以通过调节相邻两个铁 磁层的取向来改变。终于在8 0 年代末期，b a i b i c h 小组通过分子束外延技术成 功制备了f e c r 多层膜f l o l 。研究表明随着相邻f e 的磁性层的取向改变时，磁阻 也随之发生改变。f e c r 多层膜的电阻随外加磁场发生变化的大小较传统的磁各 向异性磁电阻( a m r ) 大一个数量级以上，因此被称为巨磁电阻( g m r ) 效应。多层 膜巨磁电阻的发现，使得自旋电予学的发展向前迈出了实质性的一步。虽然它仍 然存在着饱和场大，灵敏度低等一些缺陷，但其巨大的应用前景引起了人们极大 的兴趣。随后p a r k i n 小组利用磁控溅射技术在c o c u 多层膜的多晶薄膜上也观 复旦大学 图1 2 三明治自旋阀结构示意图 5博士毕业论文 第一章绪论 测到了巨磁电阻效应，并发现随着中间层c u 层的厚度的变化，巨磁电阻的阻值 和层间耦合的强度呈周期振荡变化【i 。由于巨磁电阻的变化直接取决于相邻铁磁 层的磁构型，d i e n y 设计了一种简单自由层中间层钉扎层的三明治结构，解决 了多层膜饱和场大，灵敏度低的缺点( 如图1 2 所示) 【1 2 j 。其中自由层采用对磁 场相对灵敏的软磁层。丽钉扎层为铁磁层反铁磁层双层膜耦合结构。由于反铁 磁的作用，这种结构具有较大的交换偏置场，使得铁磁层磁矩在外场下保持不变。 这种三明治结构被人们称为自旋阀，它与多层膜相比具有高灵敏度和低饱和磁化 强度，制作工艺简单等优点，因此具有很强的应用价值。自旋阀的发现使得g m r 技术迅速向商业化推进，各大公司纷纷推出自己的g m r 产品。1 9 9 5 年，美国n 、r e 公司开始制造和销售g m r 电桥组件，1 9 9 7 年就推出了做在半导体芯片上的数字 式g m r 传感器。1 9 9 8 年，德国西门子公司开发的旋转检测c , m r 传感器上市。同 年i b m 公司开发成功自旋阀g m r 磁头并正式上市，使h d d 的面记录密度提高到 2 0 g b p i 。2 0 0 0 年，富士通公司开发出记录密度达5 6 3 g b p i 的g m r 磁头。据统计， 目前g m r 磁头已占领磁记录磁头市场几乎1 0 0 的份额。 在1 9 9 5 年，为了商业和国防的双重需要，美国国防部国防高级研究计划局 ( d a r p a ) 拟订了一个庞大的研究计划，重点开发非易失性高速磁随机存储器和微 型超高灵敏度磁传感器。同时，该项目也涉及研发相关的混合集成电子器件，如 自旋晶体管、自旋场效应管、自旋发光二极管、自旋共振隧道效应器件及自旋量 子化磁盘等等。起初这项研究计划命名为磁性材料和器件，但由于后来的发展远 远超出了人们当初的预期，这个名字已经不能够包括这个研究方向的所有领域。 于是为了适应现在发展的需要，这个研究项目正式更名为自旋电子器件 ( s p i n t r o n i c s ) ，它实际上是s p i nt r a n s p o r te l e c t r o n i c s 的缩写。 1 2 自旋电子学的研究现状 由于自旋电子学存在巨大的研究前景和应用价值，目前对自旋电子器件的 研究已经在全世界掀起了一股热潮。当前自旋电子学主要包含在传统磁性材料 ( 磁电子学) 的自旋输运【1 3 】和以半导体电子工业为基础的新兴材料【h l 的自旋研究 两个方面。对于磁电子学，本章主要介绍目前g 凇和t g r 在磁性传感器( 磁读头) 和非挥发性磁存储器上的应用。而对于半导体电子工业为基础的自旋电子学则主 要介绍稀磁半导体的相关进展。 i 2 1g m r 磁读头 复旦大学 6博士毕业论文 第一章绪论 g m r 磁读头已经在磁盘的磁读头中占据统治地位【1 3 , 1 5 】。它主要通过感应磁盘 上相邻存储信号位之间的杂散场来获取信号( 如图1 3 所示) 。在计算机硬盘中 图1 3 磁记录信息示意图 每个记录位为一个磁畴。对于纵向磁记录来说，在两个相邻磁畴的交界处，会出 现垂直于磁盘面的杂散场。通过g m r 磁头来探测杂散场引起磁头电阻的变化，就 可以将磁盘上的信息读出，实现由磁信号到电信号的高灵敏度转换。至于磁场引 起g m r 磁阻变化的机理将在后面几章中讲述。尽管目前g m r 磁头的构型仍然在被 改进，但是几乎所有商用的g m r 磁头仍然采用1 9 9 4 年i 踟提出的自旋阀磁读头 原型。但随着人工合成反铁磁的发现和纳米氧化层的应用，自旋阀的磁阻变化率 从早期的5 提高到目前的1 5 _ 2 0 ，大大提高了自旋阀磁读头的灵敏度。目前关 于磁头的研究主要集中在自旋阀和磁隧道结多层膜上，但仍没有特别重要的产品 闯世，因此开发新产品既成为一种迫切的要求，也成为这个方向发展的一个机遇。 1 2 2 磁性随机存储器 磁性随机存储器的原理简单的来说就是通过改变磁记录单元磁矩的方向来 存储数据，通过读取磁记录单元磁阻大小来获取数据【3 ，阍。目前的磁性随机存储器 复旦大学 图1 4 串联的g l d r 和t m r 元件构成的m r a m 示意图 7 博士毕业论文 第一章绪论 主要分为两种( 如图1 4 所示) 。第一种为伽r 的磁性存储器，它通过感线上的 g m r 单元来进行数据的读取和存储。第二种为t m r 的磁存储器，它采用独立磁性 隧道结作为存储单元进行数据读取和存储。g m r 存储器和t m r 存储器之所以不同 是因为隧道结构的高阻抗特性，使得它无法像g m r 那样做成感线，通过电阻的大 小来进行判断。于是i b m 公司分别采用g m r 感线和t m r 点阵排列来进行数据存储 ( 如图i 5 所示) 。这两种类型的内存的读取和存储过程原理大体相同，只是在读 图1 5t m r 的m r a m 读写模式 取时，g m r 存储器是通过获得感线上所有g m r 电阻总和来判断，而t m r 由于采用 点阵结构，所以可以通过直接读取每个节点上的电阻来判断。我们以t m r 内存为 例子来说明m r a m 的存储和读取。m r a m 的读取和存储过程由互相垂直的位线和字 线辅助完成。通常情况下位线和字线所产生的磁场只能使自旋阀中的软磁层或硬 磁层转动9 0 度( 取决于磁记录层的选取) ，但并不能实现磁层的完全翻转。只有 当位线和字线共同作用时，叠加的磁场才能使磁层的翻转完全实现。存储信息时， 必须在记录节点处给字线和位线同时通上电流，才可以让记录层实现翻转。电流 的正负决定了存储单元磁矩的方向。读取信息时则可以在位线( 或字线) 中通入 适当的小电流来检验隧道结磁电阻，通过的磁阻大小来判断存储单元磁矩的方 向。尽管商业化的大密度m r a m 还没有问世，但m r a m 与其它存储器相比，具有很 多潜在的优点。第一 a r a b 属于非挥发性存储器。由于它依靠存储单元中磁矩的 方向来存储数据，所以其具有断电信号保存功能。第二m r a m 具有很快的读写速 度。它的读写速度比传统的e e p r o m 和f l a s h 快了1 0 0 0 倍。第三m r a m 具有低能 耗的特性。具体数据见表格1 1 【2 1 。随着自旋翻转( s p i nt r a n s f e r ) 技术与躲枷 的结合以及最近在室温下m g o 隧道结具有4 1 0 的t m r 值的发现【l6 j ，使得m r a m 可 复旦大学 8博士毕业论文 第一章绪论 以克服了它记录密度低，信噪比低和写入电流过高等致命缺陷，引起了人们对 m r a m 极大的重视，m r a m 的应用前景也被一直看好。估计不久这种新型的m r a m 即 将成为以后磁存储的主流。尽管如此，m r a m 昂贵的造价将是使它迈向商业化的主 要障碍，而且它最终仍然面l 临的所有存储器的传统宿命即记录密度和稳定性的冲 突。 囊氍埘t m d p a ms 2 e a m s l t 鼻h 冀 h s nf l 蟮强 蜀h t - m r a m 毋口皿i r0 0 帆，( 9 0 - 埘尹褂硼p0 0 皿 t ( 靠蜘妒f 把h m r 喇t oo 0 2 5k 1 3 让1 2 也眦o ，m 汩始m 枷蛳糯扣- 糟细，n 晒b5 控埔胁2 5 例口5 翻汹 j l _ 一d h 坶翻i o il - l -l i r a1 0 - - j 砷1 0 - j 0 ml - ， 堰，_ _ i 嘲一5 - 2 0 一 l o _ 1 1 i l l协地t l l 艚_ f - 瑚i sl 矗 p h f f n l r n - _ ，秽 i 却一 5 5 一一 枞d坤u 0 0 2 一 h 确“h j _ l 酽o i l 妒l 降1 1 ，f a d 1 0 。置- d i ) 博雌 1 1 州培 m 矿_ 商k 砌w 声 口_ 声垆芦 t d 目日锚- 呦，f q o 一碲k h 批 1 h 竹恤喊_ l 蠕t 湘d f h - 甜_ t 棚_ 羽r 嗥 表1 1m r a m 主要性能参数比较 1 ，2 3 稀磁半导体 为了在传统的半导体器件中加入自旋的这个自由度并提取自旋的信息，人们 需要在半导体器件中先产生自旋，然后再对它进行传输，操纵和调控，最后再对 它进行探测。在这些环节中，如何在半导体中产生净自旋是所有环节的前提，也 是将半导体和自旋结合的关键。众所周知，在许多如半导体材料中都存在着大量 相等的向上和向下自旋电子。但由于净自旋为零，这些自旋电子没有办法单独应 用子目前的自旋电子器件上。为了产生净自旋，人们提出了如自旋的电流注入， 自旋的光调制等多种方法。由于本论文重点不在半导体器件的自旋电子学上，这 里只介绍一种简单的方法。即在半导体内部掺k - 些铁磁性的杂质来获取自旋。 这种掺杂铁磁性杂质的半导体也被称为稀磁半导体。早在上世纪8 0 年代，人们 就已开始对掺入过渡金属的半导体开展研究。当时则主要集中在i i v i 族半导 体，如( c d m n ) t e 和( z n m n ) s e 。但是在i i - v i 半导体中，人们很难通过掺杂控制 其电导，因此i i - v i 族化合物半导体用作电子材料中遇到了重大障碍。而随着 研究的深入，低温下外延的i i i - v 族铁磁性半导体( i n ，m n ) a s 和( g a ，m n ) a s 引起 了人们极大的兴趣。因为( g a ，t 劬a s 可以在g a a s 衬底上外延，而且与 g a a s ( a l ，g a ) a s 量子结构可以兼容，使得它们就成为研究半导体自旋电子学的 一个不可缺少的材料。但由于目前报道的i i - v 族铁磁性半导体居里温度t c 在 复旦大学 9博士毕业论文 第一章绪论 室温以下，使得它的应用前景目前仍然不容乐观( 如图1 6 所示) 。如何找到t c 温 度高于室温的稀磁半导体成为研究的新一轮热潮，目前报道的新的稀磁半导体高 于室温的主要集中在( c d ，m n ) g e p 2 ，c o 一掺杂到t i 0 2 ，z n c o o ，( g a ，m n ) n ， 一 一 戤 铂l 掰p 。| a羞l 。鼬n，潮 ： o 曩pl g 搬i 蕊霉bi 嘲争罐 蛾i 3 y 翩口 。l 触l 办孙i o1 o i 翻釉栩私嘲蝴诤 图1 6 不同的稀磁半导体材料的居里温度 ( g a ，c r ) n ，( z n ，c r ) t e 等。尽管在这些体系在室温下已经发现磁性，但把它们和 传统半导体工业结合仍然比较困难。目前关于稀磁半导体的发展仍然不是很明 确，有关它的商业应用仍然任重而道远。 1 3 本论文的选题和研究内容 由于自旋电子学是一门范围极为广泛的新的交叉学科，新的研究领域在不断 地涌现。因此本论文的研究工作主要根据自旋电子学的现状，结合我们以前的研 究基础来进行探讨。在研究内容上，主要根据我们实验室以前的基础，选择交换 偏置和巨磁电阻作为本论文的主要研究内容。在选材方面，我们主要选用了具有 丰富磁结构的亚铁磁材料来进行研究。正是由于亚铁磁的丰富的磁构型，我们在 交换偏置和巨磁电阻上都得到了许多传统铁磁材料无法获得的反常现象，具体内 容详见后面几章。 参考文献 ( 1 i z u t i c ，j f a b i a n ，s d s a r m a ，r e v m o d p h y s 7 6 ，3 2 3 ( 2 0 0 4 ) 复旦大学 l o 博士毕业论文 第一章绪论 2 s a w o l f 1 0 1 ( 2 0 0 6 ) 3 s a w o l f ， 1 4 8 8 ( 1 9 8 8 ) a y c h t c h e l k a n o v ae ta 1 ，i b mj r e s d e v 5 0 ， d d a w s c h a l o m ，r a 6 u h r m a ne ta 1 ，s c i e n c e2 9 4 ， 4 n f m o t t p r o c r s o c l o n d o n ，s e r a1 5 3 ，6 9 9 ( 1 9 3 6 ) 5 n f m o t t p r o c r s o c l o n d o n 。s e r a1 5 6 ，3 6 8 ( 1 9 3 6 ) 6 i a c a m p b e l l ，a f e r t ，a r p o m e r o y ，p h i l o s m a g 1 5 ，9 7 7 ( 1 9 6 7 ) 7 t k a s u y aa n da y a n a s e ，r e v m 0 d p h y s 4 0 ，6 8 4 ( 1 9 6 8 ) 8 p m t e d r o w ，r m e s e r v e y ，a n dp f u l d e ，p h y s r e v l e t t 2 5 ， 1 2 7 0 ( 1 9 2 0 ) ， 9 m j u l l i e r e ，p h y s l e t t a5 4 ，2 2 5 ( 1 9 7 5 ) 1 0 m n b a i b i c h ，j m b r o t o ，a n da f e r te ta t ，p h y s r e v l e t t 6 1 ， 2 4 7 2 ( 1 9 8 8 ) ， 1 1 s s p p a r k i n ，r b h a d r aa n dk p r o c h e ，p h y s r e v l e t t 6 6 ，2 1 5 2 ( 1 9 9 1 ) j + 1 2 b d i e n y ，v s s p e r i o s u ，a n ds s p p a r k i ne ta 1 ，p h y s r e v b 4 3 ，1 2 9 7 ( 1 9 9 1 ) g a p r i a z ，s c i e n c e2 8 2 ，1 6 6 0 ( 1 9 9 8 ) t d i e t l ，h o h n o ，a n df m a t s u k u r ae ta 1 ，s c i e n c e2 8 7 a s c h u l d l a c o u r ，c r p h y s i q u e6 ，9 4 5 ( 2 0 0 5 ) s y a f u k u s h i m a ，h k u b o t a ，a n dy s u z u k ie ta 1 ，a p p l 8 9 ，0 4 2 5 0 5 ( 2 0 0 6 ) 复旦大学 1 0 1 9 ( 2 0 0 0 ) p h y s l e t t 博士毕业论文 第二章薄膜的制各及其性质表征 第二章薄膜的制各及其性质表征 随着这几年自旋电子学的飞速发展，人们对样品的质量和检测手段提出了更 高的要求。一台功能齐全，性能优良的样品制各设备是研究人员设计样品结构， 获取优质薄膜的前提。而高精度多手段的检测仪器则是我们获得可靠的测量数 据，揭示其物理本质的保证。因此这一章我们将对样品的制备和测量的仪器的原 理做一个简单但全面的介绍。 2 1 薄膜的制备 2 1 1 辉光放电原理1 1 若使高能粒子( 大多是由电场加速的正离子) 冲击固体表面那么固体表面的 原子、分子在与这些高能粒子交换动量后就从固体表面飞出来，这种现象叫做溅 射现象。溅射现象是在辉光放电实验中发现的，因此辉光放电是溅射的基础，所 以有必要对辉光放电的原理进行叙述。辉光放电是在真空度约为1 0 一一1 0 t o r t 的低真空时在两个电极之间加上高电压时产生的放电现象。图2 1 显示了外加直 流电压的辉光放电现象的实验结果示意图。 图2 1 溅射辉光区域示意图 由于冷阴极发射时，从阴极发射出来的电子只具有1e v 左右的能量，所以这 部分电子几乎不与气体分子发生相互作用。因此在非常靠近阴极的地方是黑暗的 复旦大学 博士毕业论文 第二章薄膜的制备及其性质表征 部分，被称为阿斯顿暗区。使用氖和氩之类气体时，这个暗区比较明显。但一般 情况下，对于其他气体这个暗区很窄，难以观察。如果电子进一步加速就会使气 体分子激发。激发的气体分子会发出气体固有的光，这部分光被称为阴极辉光。 如果电子继续得到加速，就会使气体分子发生电离，产生大量的离子和低速电子。 因此这个区域几乎不发光，这一部分叫做克鲁克斯暗区。在这个区域又使形成的 低速电子加速，从而激发低气压中的气体分子，使气体分子发光，这就是负辉光。 与溅射有关的重要问题主要有两个：一个是在克鲁克斯暗区周围形成的正离子冲 击阴极。另一个是当两极间的电压不变而改变电极间的距离时，变化主要是在等 离子体构成的阳极光柱部分的长度，而从阴极到负辉光区的距离不会明显改变。 这是由于两电极间电压降几乎都存在于阴极到负辉光区之间的缘故。 2 1 2 磁控溅射技术1 1 川 通常直接溅射的效率不高，放电过程中只有约0 3 一0 5 的气体分子被电 离。因此，为了能在低气压下有较高的溅射速率，人们采用了磁控溅射的方法。 即利用电场与磁场正交的磁控原理，使电子的运动轨迹加长，形成螺旋运动并汇 聚在阴极( 靶材) 周围。被磁场束缚的电子与工作气体的碰撞次数增加，使离化 率提高到5 - 6 ，从而提高了溅射速率。同时由于碰撞次数的增加，电子的能量 也消耗殆尽，传到基片的能量很小，所以溅射时基片温度也较低。不难看出，与 传统溅射条件相比，磁控溅射同时具有基片温度低和溅射效率高两大优点。 磁控溅射根据靶枪所加的电源不同可以分为直流磁控溅射和射频磁控溅 射。直流磁控溅射主要用于导体材料，不能用于绝缘体。这是由于当气体电离的 离子轰击到绝缘材料时，靶材表面的离子电荷无法向导体材料一样被中和掉。因 此随着溅射过程的继续，靶面会堆积越来越多的离子电荷，导致靶电位不断升高， 使得两极阃离子加速和电离的机会变小从而导致溅射过程的中止。而射频磁控溅 射则可以有效克服上述缺点，既可以用于导体也可以用于绝缘体。与直流溅射相 比，射频溅射的阳极与阴极之间没有区别，只是靶电源采用了射频发生器，并通 过匹配器连接到靶上。由于真空室内部存在阻抗，对于高频电源来说在内部的消 耗变大，所以需要在输入端使用匹配器，并在放电状态时调节该电路的常数来提 高效率。在射频溅射过程中，在一个周期内正离子和电子可以交替地轰击靶材， 同时起到对靶材电荷的中和作用。当靶电极为高频电压的负半周时，正离子对靶 材进行轰击，同时靶材表面有正电荷的积累。当靶材处于高频电压的正半周时， 电子对靶材进行轰击，这样就中和了正半周在靶材表面正电荷的积累，即在一个 周期内靶材最多只在半周期中受到离子轰击。这样溅射就可以持续进行下去了。 但这样同时会出现一个新的问题。即在射频溅射时如果把靶和基片放置得完全对 复旦大学 1 3 博士毕业论文 第二章薄膜的制备及其性质表征 称，由于正离子会均等地打在靶和基片上，这样在芷溅射时靶材原子能够附着在 基片上，那么在逆溅射过程中正离子是否会把它们再打出来? 换句话说就是在射 频溅射时基片上是否还能形成薄膜? 答案是肯定的。尽管放电过程时，对于电子 来说，它的迁移率很大，非常容易移动既能达到靶也能达到基片及其他的接地 部分。但是对于正离子来说，因为它的质量很大，很难移动。在靶材处由于处于 阴极，积存在靶上的负电荷会吸引正离子朝靶面移动。而基片和接地部分大多数 是导电的，带电量很少，因此，正离子很难运动到基片上。另一方面接地的一边 的面积较大，因此在逆溅射过程中离子在接地一边被大大分散，溅射到基片就更 少了。 2 1 3j g p 5 6 0 d 超高真空磁控溅射仪 图2 2 为我们所用的j g p 5 6 0 d 超高真空磁控溅射仪的结构示意图。该设备共 有三室：主溅射室，预处理室和样品室。每个室都带有机械泵和分子泵，可抽至 高真空。各室之间用挡板阀连接。图中只给出了主溅射室和预处理室的示意图。 预处理室主要用来对样品进行表面处理，如退火，氧化等。此外通过预处理室和 样品室可以在不破坏高真空的情况下与主溅射室方便的进行样品传递和处理。主 溅射室中总共有7 个靶位，均使用直径为5c m 的靶材，其中六个均匀的分布在 _ 复旦大学 挡板转轴 图2 2j g p 5 6 0 d 超高真空磁控溅射仪的示意图 1 4博士毕业论文 第二章薄膜的制各及其性质表征 腔中，另一个为斜靶，主要用于与别的靶进行共溅射。该设备共配有五个直流溅 射电源和两个射频溅射电源。在样品转盘上留有六个样品支架，每个样品支架的 直径为5c m 。在靶和样品转盘之间有一挡板，挡板中开有一个与靶材直径相同 的孔洞。预溅射时，挡板将开口放置在靶之间的空位，防止靶材被溅射到衬底上。 溅射时，样品支架，挡板开口和溅射靶保持一致。同时通过控制挡板的转动，我 们可以方便制备样品的厚度楔形。以上所有过程均由计算机自动控制，并可精确 控制其转速。样品支架上可以加一条形磁铁，用于在制备样品时所需要的诱导磁 场，磁场大小为1 3 0o e 一般情况下，该设备溅射背景真空度为2 1o _ 5p a ，极 限真空可达6 1 0 1p a 。 2 2 膜厚的测量1 1 , a l 在实验中人们为了对制备的薄膜厚度进行较精确的控制，采用各种方法对膜 厚进行测量。这些方法中一些只能用于薄膜形成以后的测量，如微量天平法，电 阻法，电容法，针触法等；而另一些方法则可在薄膜形成的实际过程中监控其膜 厚的变化，如石英晶体振荡法，电离式监控计法等。我们在假定薄膜的沉积速率 不随膜厚和时问变化的情况下，通过测量单位时间内薄膜的生长厚度来控制所制 的薄膜的厚度。这里我们主要采用口台阶仪来标定薄膜的厚度。 口台阶仪测量厚度是属于机械测量方法中的针触法。我们先通过采用覆盖掩 模板的方法，将样品制备成宽约0 5l l l m 的台阶状，然后再放到台阶仪中进行厚 度测量。测量过程中，一根直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触 针在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓。当探针滑过台阶时，触针上会有 一个很小的垂直方向的位移。这个位移可以被放大几千倍甚至一百万倍后被显示 出来，其垂直位移最小分辨率可达到l n m 。这个方法具有测量简单直观的优点， 但对薄膜表面要求非常高。测量时应尽量避免表面存在灰层或其它污染物，否则 会引起较大的测量误差，同时会给针尖带来较大的损伤。 2 3 薄膜的表征 2 3 1x 射线衍射( x i i d ) 舢l x 射线衍射( x r d ) 是研究薄膜结构的常用技术之一。我们不仅可用来测定 多层膜周期调制结构和结构有序度，而且可以探测薄膜中各层材料的取向和晶粒 大小。它的基本原理是布拉格公式： 2 d s i n o = n 九( 2 1 ) 复旦大学 1 5博士毕业论文 第二章薄膜的制备及其性质表征 其中九是x 光的波长，n 是反射峰级数，d 为晶面间距，0 是布拉格角( 入射角 或衍射角) 。对于常规的0 2 0 扫描而言，在测试过程中，如果是束源不动，那么 样品面与探测器始终转动保持1 ：2 的角度关系。按照这种转动关系，我们只能得 至0 与样品表面平行的反射面的相关信息。0 2 0x 衍射通常可分成低角( 2 0 1 5 ) 和高角( 2 0 1 5 ) 区。之所以这样分是因为对于低角和高角所探测的d 不同， 见公式( 2 1 ) 。 低角时根据公式( 2 1 ) 可以得到d 较大，其量级接近与薄膜的厚度，所以一 般小角x r d 可以用来进行薄膜厚度的探测。膜厚可近似由公式( 2 2 ) 给出 d = a m 2 ( 2 a 印 ( 2 2 ) 高角时根据公式( 2 1 ) 计算可知，d 大致接近于晶体的晶格面间距，所以一 般进行广角x r do - 2 0 扫描时，我们可以得到晶体内与膜面平行的取向和晶格面 间距。晶格面间距厚