（材料学专业论文）nifecoag合金颗粒膜的巨磁阻特性研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文采用磁控溅射方法制各由接近零磁致伸缩的三元合金铁磁性颗粒和非磁性 基体组成的、适用于高密度磁记录读磁头用的n i f e c o a g 巨磁阻合金颗粒膜。并且 利用卢瑟福背散射( r b s ) 、x 射线衍射( x i c d ) 、原子力显微镜( a f m ) 、磁力显微镜 ( m f m ) 、变温四探针磁电阻测量方法以及超导量子干涉磁强计( s q u i d ) 等先进的分 析手段，研究样品巨磁阻( g m r ) 效应随磁场强度、测试温度及样品制备条件的变化 关系。 对用最佳工艺参数制备出的不同组分、不同退火温度的样品围绕g m r 效应分别 进行了样品组分与晶体结构、表而形貌及磁畴结构、巨磁电阻特性和磁性麓等四个 方面的性能测试。试验结果表明，样品的g m r 效应随n i f e c o 含量的增加而增大，而 随退火温度或测量温度的升高而减小。n i f e c o 含量为3 5 、退火温度为3 5 0 。c 的样 品的g m r 效应最大：低温( 5 k ) 下为一1 8 7 4 ，室温( 3 0 0 k ) 下为一4 8 7 。jl 一7 佃此可见，1 磁摔溅射方法在制备新颖的磁性材料薄膜结构方面是一种很有发展 希望和潜力的技术。 关键词颗粒膜n i f e c o a g 磁控溅射巨磁阻( g m r ) 效应 n i f e c o a g 合金颗粒膜的巨磁阻特性研究 a b s t r a c t n 1t h i sr e s e a r c h t h em e t h o de 1m a g n e t r o nh a sb e e n u s e dt op r e p a r et h e g r a n u l a ra l l o yf i l mn if e c o a gc o n s s tin go ff e r r o m a g n e t i cg r a n u l e0 f t h r e e e l e m e n ta l t o ya n dn o n m a g n e t icb o d y t h i sk i n d0 ff i l mh a st w op r o p e rl i e s o fn e a r z e r om a g n e t o s t r i c t i o na n dg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，u s e da sh i g h d e n s i t ym a g n e t i cr e c o r d i n gr e a dh e a d 1 h em a g n e t i cf i e l dd e p e n d e n c ea n dt h e t e m p r e t u r ev a r i a t i o no f t h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) e f f e c ta n dt h e ir r e l a t i o nw i t ht h ep r o c e s s j n gc o n d i t i o n sl l a v eb e e ns t u d i e da n gd js c u s s e di n c o n u n c t i o nw i t hr e s u l t so f m o r d e r n r u t h e r l o r db a c k s c a t t e r in g s p e c t r o m e t r y ( r b s ) ，xr a yd i f f r a e t j o n ( x r d ) ，a t o m icf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ， m a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p y ( m f m ) ，f o u r c o n t a c t te c h n i q u ea n ds q u i d m e a s u r e m e n t s f o u ra s p e c tp r o p e r t i m sar o u n dg m re f f e clo fs a m p l e so fd i f f e r e n t c o m p o s lt i o na n da n n e a i n gt e m p r e t l i r eo h t a i n e d i n o p t i m u mt e c h n o l o g y p a t a m e t e r sarea n a l y z e ds e p e r a t e l yt h e s ep r ( ) p e t t i e sif i e l u d el h ec o m p o s i t i o n a n l ic r y s t a ls t r u e t u r e ，t h es u r i a c er n ic r o sl r u c tl i f ea n dm a g n e t i cc l o m a i n s t r u c t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i co fg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ea n dm a g n e t i c p r o p e r t y t h er e s u i t so f e x p r i m e n ts h o wt h a tg m re f f e c to fs a m p l e sa u g m e n t s w i t hn i f e c oc o n c e n t r a t i o i li n c r e a s i n g b u tm i n i s h e sw i t ha n n e a l i n gt e m p r e t u r e o rm e a s u r e m e n tt e m p r e t u r eh o i s t i n g 7 r h eg m re f f e c to fs a m p l ew i t ha c o m p o s i t i o no f3 5 a t n i f e c oa n da n n e a l i n ga t3 5 0 i sb i g g e s t ：一1 8 7 4 a t 1 0 wt e m p r e t u r e ( 5 k ) a n d 一4 8 7 a tr o o mt e m p r e t u r e ( 3 0 0 k ) o u rr e s u i t ss h o wt h a tt h em e t h o do fm a g n e t r o ni sap r o m i s i n gt e c h n i q u e f o rt h ef a b r i c a t i o no fn o v e lm a g n e t ict h i n f i l ms t r u c t u r e s k e yw o r d sg r a n u l a rf i 】i nn i f e c o a gm a g n e t r o n t h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) e f f e c t 第一章引言 fj 比1 蝴车一m 1 1i 磁1 ；| h ( ；i l i ；l g m 、1 t 、k ik ( ；1 1 ( 、( 、) j 。见象i 佝门7 欠 k 亡w 1 v _ 1 ( 、弋：v f i i w 1 7 f1 i 一协，】! ，f ，h ，：j 7i j ：( 谓，： 7 伸一! ：“，l i l l 武f ! 儿l 1 女彰的址( 、c 、 h 、( 、( ，( t t 、h h 、 n if t 、 “、n m 、f 、i i 、( ( ) h a h 及( ( 1 hc i f 坼脱系，i f j i ，j 磁。陀合仓煳粒麒的研究m 州i 划较步、我川选】f 义n if i ”t w a g 脱系n 0 i 址赳l 利j 1 1 接近零磁致f i l l f l i l 一儿磁一n 俞会降低 他州i 磁场，。j j 外，t i j i 究磁o i 寿结十幻川i 融m i f l ：j 炎系，划jj 韭彬振) 水ii 融j 。，r 的 j 吲j i j if i - 1 l 挺，一点义，j h 比足个热谍题，小，矾式从磁渺腆利荆的il 磁( ( n r ) 效胁j i 【| l 沦、，磁设j 州门心川、h i i ；j i ：钏卧柑 i | | 山外发脞川坝和。j 【袭匀耻，h j 。 神- 的h 婴1 j 丽等j l 个乃i f i i 兑1 9 j 进i 1 ：n i f c 、( “ h 禽金i ! | i | ；t l 英i ! 磁4 7 , i , l ：f i j l | 。允i 。i j 一比婴陀 把小i 州j j i 救r i i ，刈水课题f f ji ：作心蹄作j 确螋n 0 酏n j j 。 1 i 巨磁阻( g m r ) 效应理论简介 1 1 1 巨磁阻薄膜材料的分类 小文绕i 一磁i 霄j 腆n ：r ；百沱i i i ：j 毖谳j 止僦，i 卜的j 避川这线索，将ii 能邪| f 谆 j j ! i j | 。t j j 一，j ? j i ；步s , ln 训l 种! j i 弘；簿撇利利， 曩l i 1 i 构、f l 分、磁r m ：小，分为i f ，人类： 1 ；ij ，毗1 1 f 融设j j 川卫_ = j ! j ! jf 融r 卜j ，! j i 臌。”j ，：脊刈f 0 廿i ij i 小j | t l 垤 - l r f 1 | | t 胍州 1 1 t l j 柑必吼_ f i l l ：似j 。彰j 2 - 1 1 , , ! ， ： ，出h f 融i * , i x i l o k n ：t i - t i i , , j dl 、改变导i i l 小质，从绝缘到、i 导体。 7 i i ：1 雠口q 、朕软磁利利，j j ：的磁j 、| i 弛tj l ，”j 去i j 和 f 菇场r i7 | | l i j 动。 5 “连 出”多善j 脱。f - 1 1 介j ：多j 列腆j i 蛳j 缱肚! z m “仃，i i i j + l 犬忿，h | j 能。l2 现 女夫的 1 ；“， i ，磁l 设j i v f 4 i l 、j 义f i f 较l f 】1 门l 倾lj 勿灵敏艘。 ll - lr ，彩j ，ij i ! 嗣i m j j l ：训腆f t j i l ( ! i 相f f 黻j 锄曲! j 业i 厶字0 级1 寺j 9 i j 讧( 7 h 一1 ；t ) ，礁l 场义敏j 簦f 吒， f 1 为陵磁火尚1 j 丈j f j 。超阻磁| 5 游臌i * = 1 2 崩饱1 = | i 磁场强j 迂，离读f 1 ：磁头实川f j c f i4 | “删嗽i 、i i 雠闷的饱和磁场强腰仪为儿个或儿i 受斯特o c 一) 磁场灵嗷艘舟，”j ir i i ，i ( ：散膨低。i f ij “生续”多联麒的综台能最他。 1 1 2 何谓颗粒膜 懒1 ：i 腆j i i 微糊1 ：- 镶嵌j _ 菏臌小所构戊n ，j 埏台利制体系，坞l | j ! | jh 删胖i ，1 1 1 7 j f l i 成j i - q 腆 憎kr i j 粕j 衙条什i 忆不川溶，ij i 川：煳牲脱k 圳：禽龠、化介物，腻j | | | ij s j 6 j 卅lr e n ：j 、j 1 。i 1 啦m _ ：j | jjl j ! f | k q 、n - kj i ：j x 般n 0f 艺j 矫i 扯f ia ，l ；纠l 儿 7 r 小h i i i j ：f “1 目ij j e 近小j 。f jm j ta 将以微舶j j 0 | 0 ；一i 淤j _ n 纠i a f r j i ；j ；, l l 娓t p ，反之们、然。a ， i j 吼j t 余w 、绝缘体、卜导体、超甘仆，j 0 i fft 种【1 j 能| i j l l 介，i i j - 种川介义川 “j7 f ：；l 众多炎i 删n 0 1 顶十tj 暌，从1 f f 川jj 戍r 1 。1 彩f j i 1 ：1 i i j | 。究l ；幽。i ! m 1 训融i n i t d , 剪l 缘j 阪决j 纠i 成外m j 川列) ：1 限敞结| ：；j ，岫i 牲j ( ) 僻的磁m r 。 2 r 嘣渊l ( ；m | e 为债值。按定义：= 肼l n ，) i p , ， 0 ，列次磁阡1 1 1 ( 1 ，尚4 1 1 l i i l i ) i 气州a p 0 ，韵：乃再i ；i j 针悄- f 旗 ( i i t ln i i l k l lo t ih ih i i c ( ! ) ，匕j 技术磁化和畴结构有关。刈彩层膜求说 f i ! f i , t 6 s4 ：u f 7 j “i l ) 。j 向i r 行或乖阿州测得( i j a p j ；, j 为鲰值，称为择i q 同l l c ? i 兹l ! l 二| l ，i - 蛭足| | i 甘 i u hj “j 僦j 2 - ”磁l t if 之洲自旋午h 关散州0 i 起的。 彩层臌n t - w d c j 上i h 反铁磁性的耦台j ，协成，他们被很薄f t , s ：l h 磁f l ：央联隔离j i o 移 层臌t 1r ( ：蚋i 效9 , i z f t j 起源可以最简t 似也从个、卜绎i j 表象珊沦叫1 得到解释，这个删论 皋i i j l j , 1 f l 关散划机制。传导f u 予处。j j0 婀种”j 能的门旋：i 尺念之：i 或刚卜它 川挪、i 仃i 戈反、i r 传导1 b r 本身的磁化厅向。降iil 所1 i “1 个i i xj 7 从| r 仃 个铁f 融麒fr ! ：| 1 j 叫，它透入i 个铁聪j 乏n o l j i i 程取决1 。邑的f 1 旋力向、l i 仃! ，e 反i i i “ r 撕j 一h 搬点化乃向。这是为i b 了h 磁化力+ 阳f | ，j 自旋舣较反”t 行融化力+ 的f l 旋n 哑k 的、i - 均f 1 i i i , p i ( 较低的1 1 1 1 1 1 1 ： i ) 。n ：个铁磁。p l - f l , j ! f l ! 】余层r i ，进入第， 个铁撇联i l j | _ ! ir 穿越i i ：z i ! 离远，他们l l j f | 旋i i a l ! l l 率就低。 然1 1 f 甘i uj j 处i 反铁磁一rj ：群b f h , - i 1 9 择【f | | 处旧，磁化j i ；反阳f uj ：4 留- 1 、会硝、 入这件深，l 邯i t , 社l j i l i 斫增加。所以，m 个其7 r 反铁磁耦合| i j 多层结构一1 - ，i i aj i 如姒 小，世j ，k4 ；j ! l “i j 、世i i 烈敝目j 1 0 形，将1 i 能孵i | = ! i l l 哇i 巧个磁。l l ! b ：。 划jf 吖j 铁磁，1 1 ：耦龠的多层膜纳榭f j 形，圳剖l 一2 所示，r f 】抒优“向pi l 旋 的l i a ，f i - 4 1 阳i 山横越这种= j ：l l i - j 0 。通过b j i u i , l , 门旋方向的所有f u 了的输运的结合， 邮m 刻尊仃个净变化。这点i ij _ 以1j 求肼释( ：m r 效心，w 为h 仃木觚反铁磁牛q ：槭介 i i j 彩止洲翰外部磁场1 1 l ；j f 4 圳n ；将会铁磁。t l ij i l i 磁化。它电r 1 以解释为什么( ；m l 材利在外 j 儿! 刊磁场的骺i 址卜总足显示负的磁 埘j 儿n l i t7 i 旋j 状态的r b j - ，j l 敝射儿半| t i ；p i t l id 源r 两个力： 【， 利，i ：1 旋极化i t , j f t l ：l 巾一i l , 的敞刺乜j 二比 种更有效： 2 种1 7 雠的- i i - i , 终状态比另剩更易扶酣。 垠r 生机制，我们可以清楚地_ j ! 刹：花爱膜i p , l o i ij f f 、j l l l 嘤魁【获得人的( ；b l r 效心， 铁磁联| t i j 膊艘j 、v 该等t ：较氏的1 乜r 、ij - f jr i l i f i ! ，仪仪为埃( a ) 缄厚度i i ji 俯。返桃 带采p h 11 | ，j 吲难。 n ir r ( 、m 7 a g 合金蛳矧幽n i j f | i | 1 1 , 7 性 ；j 1 _ 究 从衫腴麒i i 川i 磁附效臆延f l 1 到顺粒愤，恐州成啦 0 ，何其内存：的必然制：。拓 没“小j 贞0 k 别，i i zy m 煳粒膜i ，输j ：陌懂剑磁。p 1 糊釉1 ，i ：i 旋4 i | i 关i 1 9 l i j 【 ；l , j ，从而“ 生l ，愀效j 、v 。川吲1 ： 所示：，通常将懒粒臌系统r ir 的铁磁獭粒的磁矩霸作在空1 1 i j t ! 混乱分们，川臌场后导致颗粒的磁矩趋j ：沿磁场，j 向排列，传导f 小j - i i 9 散射一必然j 磁n 勺j 仪向排列有+ 火，即j 碱化强度棚必。而卜利一观点! j ! | j 从为柏懒粒麒体系，i ，磁一p i j 獭牲垃州l 略铁磁倒 l ：1 9 ，它的导, t _ l j l x b j ，种微! ：| 1 f 机制柯关。假无沦哪种观点，都必钡 铀q ! i ) ! i s ( i i l ( ：效j t jj ：t y - i 特殊1 1 ir # j 。】f 奂颗十t 人小1 j 表而：i = 糙艘列薄愤( ；m i _ ：效府套 i 、i 牛i i 接的鼢l m ， 铁磁7 j ； l 卜m ： i 毛斗南 卅磁悱层 ( i )( h ) 剖i2 】旋极化敝剁，似_ r ( i i )个铁磁：的，( h )个反铁磁” 的枞介层界丽处n 州坷i uj 7 铁磁j j ； 鼢r 、| | | 一 艇吲：澎： | | 一 ：嗲哆0 ：= | 、 一 ：旁： 醇：o ( “)( h ) hi 2 多j i i 莫l i ) ；j i j = t 叫g 导简图，艟1 t i j 差别的闩旋散剩对r i 了膜磁化如何导致- v i i j 的f 【! l 阻；缸 4 南京航j ! 航j 、人、孙州“ f 市论文 铁磁。h ：颗粒 园b ， 饱和磁场h - 1 f 铁磁性余属 ( 1 )( h ) 罔卜： 删粒膜的磁化状态：( 1 ) 无外加磁场；( b ) 外d i i 饱雨i 磁场。 1 2 巨磁阻效应的应用 r i 磁阻之所以存令外受到持久的一n m ，是和它曩要n j 成川分不j i ： 1 ( j 。史际l7 f ： ( ：现之时，数值4 i 夫的a m r 已得到j 叫叭| 1 j | 此”一经发现，人们赢刘意口 到会 发腱比a m r 器什虹为灵敏f | 0 ( ；洲器什，( ；m | | | i , jj i t f i f l l t i j i 究及麻川硐i 发研究几乎足寿 _ 、”进的。( ，m | c | | f , j t i t i 。究1 ：仅竹j 学术界，t f lj i i 花i 。、| k 界均受列蕾视，这足多联麒( ：m l 川 究之所以发j 恁迅述，行成为璀训硎：究一队述4 0 化为+ 峡际心用的际i i 范的原。，( ：洲i ：l j j 川l 处_ rj r 发及1 哄川化i i 人段：嘤n 个d | | 。 l传媾器：请i 州历嘲磁阻器件仃、| ，导体殷磁- 陲合会两种，卜导体磁卧b i 件具 r 矧l 值人搜线，n 度好的优点，如0 川i hm | 达2 ( 】( 隅，们所需磁场强度较高，灵 敏j 业j i ：1 i 高，h 温度稳定。f i ：不蟛好。磁。 薄脱绷ih n i 及( ( ) n il 丢合金臌的m r 比r - + 饱承i 仳，d i 数值小高，仪2 翩，们饱干磁场强j 耍低，h j 低到l 7 i ( 10 ( ) ( 、) ，| 1 r f l , l 场f 、 的裂敏度高，此外还有湍度系数小，稳定悱好，价廉等优点。巨磁阴表现更强的觅 印能几、僦f 感器川以传感磁场，特l f 】i j 址划微弱磁场的传感，枷可门j 伪钞u l 别器 等。更j 泛的胁j 是器类运动传感器，f c 刘位胃、速度、加速度、角度、转速等| ，| 勺传 感，“机巳m 巩控制、汽车h 眦和航天i 、i k 等方而有广泛的应用。 2 7 融记录睽磁头：读：兹头属 j 磁场f 0 感器 | 最为突应用1 。锕 l 鳟，它们f ： 、眦m 额已绎丛到何乍数干亿美元，返就是为什么 i 界上众多大的生产j 家，l f 等博 每卟投入资研究新，州材料刚j i 读j i ；7 i i ；_ 火力f f r f j f l e 磁场传感器。算机、多媒体及佑 息，速公路的发展要求高密度夫容幂：及小，化的外存系统。趣赢密度磁盘的发展他雠 i d ? 砖r 、l | ，! j j 0 、协小到q f 微米尺寸，晰儿，7 。牛的待测散磁场很微弱，为i l l i 最级： ”厅| f | | ，磁融m 0 小j 弘化使其线速度i 峁f | ! i ，咀j 啦j i 传统的感应式f | i i f 头无法口f 到足够n 0 n i i ? e ( t g 合金饪脱的臣幢引；儿特性f i j | 究 信i 堞比ij 4 _ 【l l ，磁及巨磁m 读：j 磁头就成为实现新型超高密度磁记录的关键技术肢 h 脚l m有效途径。汁算机硬黼磁头的发展演变情况如图卜d 所示。 h 卜1 汁算机艘凇磁头的发胜浈变示意h 磁u 求帧一t k 捌磁化强度矢孱m j 臌介质的运动方向v 之n 帅f | 列取向i ，ju 分 为4 ；l | ，州纵向记录模式、横向记录桢一和艰随i 己蒙模式。列丁i i 翁：j = f l 叫r 批负养数捌 信息n f r 务的夫容量磁盘存储器而i i 为j 。爻现超高密度磁记录的h 的，采刖了新 7 i u jl 征l i i i l j _ | ： 、螅j 弋，i it 【7 激? 7 i “ 器f | 0 f | ；| ：i f 止求j 立f i ! n i l f 譬】l5j _ i j j 。i il j l 僦* ：仃f i h 器所川n 1 ( ；m r 磁头的天键部分是个( 川 传感器，示意讹地示刊矧卜6 。( ；m | ： 传感器 n 0 1 。j , ；i3 i ! l 正利用了i 乜了的撮予特性一i i 旋帆i 关散刺理沦，这理沦i i 我们i j 简 餐i 1 仑迷过，f l ij l e 研：阿赘述。从f - i1 6t i ，我们1 i j 以磊，这个( ：m f 传感器| i tj q 层薄膜川 j 戊它们分! j j i j 址：交换层( 11 x c h a 1 9 【、i v t ) 、tj lj 嚣( f 1 ( 、t | i “ve 、1 ) 、4 0 导i 辅篙ij ， ( ( 1 i 山fc i j f i gh 瞰【c o t ) 用j 传麟层( h _ i 1 9i 。；r y e l ) 。其。，j 斤二j 妥薄j j 其 畦薄，允一 传坷i uj 7 频繁什复地经过传导隔离层7 i - ! j 扎止捕l f 毒感层之州运动。钉j l ) l 0 磁化，j 向 恒定讹州邻的交换腻嘲定存适、_ 的何m 丽传感层的磁化办f 勺则随馊黼磁场的变化 而；筻化。传感层磁化方向l y , ；f f - 变化将甘敦传感层川 ；j 扎层总f l i i ! h 随之i 女变。 f 融“求介质f j 0 数拥记录密度以汁算j ! j | 馊盟卜存f ；f , 1 f f i 息的面密度表示。斯密度，f ! j j 缚、l j 乃一鳆、i 刚昶表1 存储多少t 兆似数扪，儿11 ，等卜线密度( 硬f 枞。拼j 每英0 k 磁j 煎i i ，仃储信息的何数) 乘以磁道： ij l ! ：( 硬龠径阳每英寸所包含n q 磁道数) ，并随 硬n 川： f - 丽奄化，般瞅其最大值。j l l f ：m 所提供的资制，如粜采用( ；m | 磁头硼汁 至f j2 0 0 lq 4 ：l i2 0 0 4q ? ， i 算十j l 将分另实脱1 0 ( ；l i 1 1 羽i4 0 ( ；i j i i i | 0 i d 匀律复。 ： h 磁| j 随机存储器m r a m ：最近，| ；i ，l ：h 磁附_ j 于计算机内存的卜要细成部分随 机存“* r a m 办面获得较大进展。“、六r 代的r a m 【敞型铁氧体磁芯f ! 成，l 年代j 再被、i 导体代许。f 1n nk ) a m 多采川s i 集成u 路纰成的动态及静态随机存储器( i ) r a i 6 南京航空航天大学硕士学位沦文 七十年代后被半导体代替。目前r a m 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 及s r a m ) 。d r a m 存储量大，价格f 氐，为r m 的主流，照速度稍慢，约为1 0 2 i s 量级。s r a m 的速度可达纳秒量级，阻存储密度稍低而且价格较高。二者均具肓易丢 失性。近几年来，不丢失性的磁阻和巨磁阻随机存储器在迅速发展。9 5 年报导了开 关速度可迭且e 纳秒的自旋阀型m r a m 记忆单元，及由1 6 9 b 的m r a 醒晶片组成的2 5 6 m 字节的_ i r a m 芯片的设计报告。铁磁隧道结型m r a m 的实验亦在进行。 除了以上三方面的主要应用外，巨磁阻在磁电子学中更广泛的应用。如各种无 接触磁控元件，咀及自旋晶体管等，正在探索中。 图卜5 计算机磁盘存储器的磁记录过程简图 7 n i f e ( 1 。a g 合盘蟹粒膜的巨磁阻特性研究，- 图l 一6g m r 磁头的工f 乍原理筒图 1 3 巨磁阻薄膜材料发展网顾与立论依据 1 3 ，l 巨磁阻薄膜材料发展回顾 早在1 8 5 7 年，w 订a ml h o m s o n 便首先发现丁磁阻j | l r ) 效应。当时他发现，刘 于平行或垂直于外加磁场的电流来说，n i 和f e 导线的电阻是不同的。从那时起， 据报道有无数与之有关的研究。这t 。效应即为_ l 文提到的各向异性磁阻( a m r ) 效应， 列大多数金属而言小到趋近丁零。而列丁相变铁磁性金属则大很多。后来，有关的 研究工作便集中到磁性合金，如坡莫台金r种铁镍台金) 上柬。这种合金的磁阻 变化宰很小，典型地，当外加饱和磁场时，叉能得到大约2 的电阻率变化。 1 9 8 8 年，m n b a i b i c h 等人首先在外延生长的f e c r 超格子r t l 观察到很大的 磁阻效应，表现为，当这种村荆在低温下处丁大约2 0 0 0o e 的磁场中时，磁阻职达 到5 0 。这种巨大的磁阻效应晓即被命名为巨磁阻f g l f f r ) 效应。继而，在许多其它 种类的多层膜，如c o 一 g 、c oc u 等中电观测到( ；m r 效应。然而，这些j 甲期研究的结 构所显示的高迭5 0 的磁阻，仅能在低温和很高的磁场( 大约2 0 0 0o e ) 的情况下才 能出现，这样高的磁场1 0 0 0 倍于计算机磁盘存储器所常用的磁场，故限制了他们在 低磁场传感元件中的实际应用。几年以后，s s pp a r k i n 等人取得了一项重大突破， 他们通过溅射方法制备出c o 0 l 多层膜在室温、仅l k o e 的饱和磁场强度的情况下， 获得了高达6 5 的g m r 效应。这项成就以其巨大的商业价值大大地吸引了研究g 掀 的兴趣。 g m r 效应发现后的第四年，j q x i a o 和a e b e r k o w i t z 等人各自独立地在由尺 寸从几十到几百个纳米、镶嵌在非铁磁多层膜性金属基体中的超细铁磁性脱溶颗粒 组成的c o c u 二元异质颗粒镶嵌薄膜中发现了低温6 m r 效应。这些结果表明g m r 效 应并非为多层膜结构所独有纳米结构的磁性颗粒薄膜中也能观测到。从g m r 效应 的技术应用角度来看，它提供了更广泛的前景，因为与多层膜结构相比较，我们可 以预期：颗粒膜中的g m r 效应应为各向同性的。由于是各向同性效应，就意味着无 论外加磁场平行或垂直于电流，磁阻将保持不变。 继在c o o n 颗粒膜中发现了低温g 帜效应之后，x i a o 等采用共溅射法相继制各 了f c a g 、f e a u 、f e c u 、f e p t 、c o a g 等过渡金属颗粒膜，系统地研究了它们在 不同组分与不同温度下的g m r 效应。南京大学都有为领导的科研小组曾用离子柬溅 射制备了c o a g 颗粒膜，用磁控溅射制备了c o a g 和c o c u 颗粒膜，所获得的最大 室温g m r 效应分别为9 3 5 、册、8 6 5 。s u m i y a m a 等采用离化团簇束法制备了f e l a g 和c o a g 颗粒膜，4 2 k 温度下的g 雌效应达到了5 5 。t h a n g a r a g 等采用分子柬外延 法制备了f e a g 和c o a g 颗粒膜，室温下获得的最大g m r 效应为2 0 左右。戴道生 等采用共蒸发方法制各了f e a g 颗粒膜，1 5 k 温度下获得的g m r 效应为4 8 。王浩 r 南京航空航天大学硕士学位论文 等提出了蒸发一气体聚集( e g a ) 共沉积方法，并制备了f e ( c o ) c u ( a g ) 纳米团簇 镶嵌薄膜，其g m r 效应的进步研究正在进行之中。除_ 单元磁性颗粒膜之外，台 金磁性颗粒膜g m r 效应的研究也在逐步展，玎，其中又以f e c o a r 、n i f e c o a g 、 n i f e c o c u 等系列颗粒膜较受重视。 颗粒膜因其结构的特殊性，相应地需要很高的外场r 约数 一万a m ) 去克服颗粒 的眷向异性，才能实现电阻率的较大变化。因此，颗粒膜作为磁头卡于嗣，目前也是 不现实的。 1 3 2 本课题的立论依据 信息技术和新材料是现代社会的主要支柱。现代多媒体技术和信息高速公路的 不断发展，对信息存储介质的记录密度提出了更高的要求，信息记录材料的要求是 记录密度高，可读、可写、可擦，热稳定性好，容易实现大规模工业生产和应用。 当今市场上销售的微电子器件的集成度为1 0 i t c m 2 ( b i t 一比特计算机存储器容 量单位) ，实验室研究的是1 0 8b i t e 舻，将要发展的是1 0 1 2b i t e m 2 ，后者称为超 高存储密度。尽管自7 0 年代以来人们就探索磁光记录介质材料，但由于其制备工艺 复杂，村料稳定性差，在同时实现读、写、擦方面有困难，尚未完全实用化。当一 般认为磁记录不可能达到超高密度时， g m r 效应给人以新的希望。有报导提出了可 超过1 0 ”b i t c 矛的“自旎数据存储器”。因此，在上述五类g m r 材料基础上，在 合金成分和膜粒结构方丽进行新的探索，研究和开发能满足高密度磁记录信号读磁 头的磁性薄膜材料是材料科学的重要任务，是该领域国际前沿研究课题。美国和日 本等发达国家，已把研制和开发具有高信噪比、高灵敏度、高存取速度的高密度磁 记录磁头，列为高密度磁记录技术发展的关键之一。采用g i r 效应薄膜读磁头，将 使计算机硬盘实现高于l o g b i n 2 ( g b 一吉( 1 0 9 ) 比特计算机存储器容量单位) 的 记录密度，超过磁光记录密度，这种趋势已逐渐成为微型化、超高密度磁记录用优 质磁头发展的主流。 普通薄膜磁阻磁头的磁阻最大不超过6 ，磁阻变化的磁场灵敏度可达0 4 o e ， 饱和磁场强度约5o e 。自从b a i b i c h 等首次在f e c r 多层膜中发现高达5 0 9 6 的巨磁 阻( g 胍) 效应以后，巨磁阻多层膜在高密度磁记录读磁头上的可能应用，引起了人 们的极大兴趣，揭开了富有应用前景的磁电子学的序幕。但令人失望的是，尽管g m r 效应可在诸如f e ，c 0 ，n i 磁性层和c r ，c u ，a g 非磁陛层组成的多层膜系统中普遍观察 到，而且在c o o , 多层膜中还观察到了高达6 0 9 6 的室温g m r 效应，可此时往往伴随 着较大的层问交换耦合，因此需要2 5 k o e 的外磁场才能实现，磁场灵敏度仅为0 0 3 o e ，这显然不能满足磁头的要求。通过减小层问耦合作用，即取c o c u 交换耦合的 第二个峰，可降低饱和磁场强度至小于5 0 0o e ，同时g m r 下降为2 0 。即使这样处 理的最好结果。如p a r k i n 在n i f e c o c 多层膜中获得了1 7 的g 躲效应，饱和磁场 强度为1 0 0o e ，但磁场灵敏度仍低于般坡莫合金磁阻。在具有自旋阀结构的多层 膜系统中，通过削弱异质或同质磁性屡之间的交换耦合作用，可极大地降低饱和磁 9 nj f e c o g 合金颗粒膜的巨磁阻特谜研究 场强度，但代价是相应降胝g m r 效应，如it i s 等在n i f e 7 c u c u q l 系统中所获得 的g m r 效应为8 1 0 ，饱和磁场强度可降至2 0o e ，n i e u g 等在n i f e c u n i f e f e m l 多层膜系统中获得的g m r 为鼢，饱和磁场强度可降至1 0o e 。后续的工作围绕寻找 n i f e 替代层和f e b l n 钉扎替代层，以期在不降低磁场灵敏度的前提下，提高g m r 效 应，但始终未能妥善解决。因此，总的说来，在多层膜系统巾，提高g m r 效应和提 高磁场灵敏度是一对矛盾。多层膜g m r 效应发现之后的第四年，b e r k o w i t z 等和x i a o 等独立报道rc o c u 二元异质颗粒薄膜的巨磁阻效应，尔后各国学者又纷纷在 c o a g ，f e c u 、n i f e a g 、c e f e ，a g 等颗牛立膜中观察到了g m r 效应，而且可获得 2 5 的最大c , m r 效应，但相应j 也需要很高的外场去克服颗粒的各向导性寸能实现= 因 此，颗粒膜作为磁头，目前也是不现窭的。既要萨得较大的g m r 效应，又要有足够 高晌磁场灵敏度 、们想到了介于多层腌和颚枷膛中间状态的材料目前已取得了 两项突破。一种思路帚r o d m a c q 等和f l y l t o n 等分别报道的将传统n i f e a g 多层膊进 行适当的热处理形成“非律缝彰凄膜”，在这种体系中，由十a g 原子的热扩教， 打破r 原有均匀的多层膜结构，磁性层被分割成一个个横向解耦的小岛，在适当条 件下，偶搬予场使小岛磁矩反平= i 亍排列，可获得o 8 i 2 o e 的磁场灵敏度，g m r 效应为5 左右。另一种结构是f e r t 等提 n 的具有超薄的c o 屡( 4 a ) 的( b h g n i f e h g 多层膜系统，由于综合丁横向解祸的( ，o 层和高磁导率n i f e 层的优点，在4 2 k 温度 下获得了3 4 5 9 6 的g m r 效应，磁场灵敏度则达到了6 5 9 6l o e 。但在室温下，由于g 0 向超顺磁性转变，使磁场灵敏度大为降低。国内也有许多学者从事过类似的磁头用 薄膜材料的巨磁阻效应的研究工作，如南京大学都有为等人系统研究过颗粒膜的巨 磁阻效应，中科院阎明朗等探讨过自旋阀巨磁阻效应，北京大学方瑞宜等研究过 n i f e c u c o c u 型多层膜巨磁阻效应，但总的说来，磁场灵敏度与巨磁阻效应的矛 盾还没有得到妥善解决。 基于上述观点，本文重点考虑制备由接近零磁致伸缩( 所渭磁致伸缩是指磁性 材料磁化时会发生线度变化的现象) 的三元会金磁性颗粒和非磁性基体组成的 n i f e c o h g 金属颗粒膜，通过适当的退火热处理，提高磁场灵敏度和室温巨磁阻效 应，开发适用于高密度磁记录读出磁头用的巨磁阻薄膜。 1 4 本课题的研究内容及工作思路 本课题主要