（材料物理与化学专业论文）软磁非晶薄带磁滞回线偏移行为研究.pdf

软磁非晶薄带磁滞回线偏移行为研究 r e s e a r c ho f l o o ps h i f tb e h a v i o r i ns o f t m a g n e t l ca m o r p t l 0 u sr l db o n s j l 1一 学科专业：材料物理与化学 作者姓名：周磊 指导教师：李波教授 何峻教授 2 0 1 0 年6 月 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：签字日期： 少f ，年厶月f 8 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解钢铁研究总院有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 学位论文作者签名：l 飘嘉 导师签名 签字日期： 刈b 年6 月i8 日 签字日期： 加p 年6 月g 日 摘要 摘要 众所周知，铁磁反铁磁( f m a f m ) 体系在外磁场中从高于反铁磁奈尔温度冷 却至低温后，它的磁滞回线将沿磁场方向偏离原点，其偏离量被称为交换偏置场， 这一行为被称为交换偏置行为。近年来，许多学者已经就这种交换偏置行为进行表 征，深入研究了这种现象产生的影响因素和基本机理，并提出了很多理论模型。在 实际微电子工业应用中，交换偏置型f m a f m 多层膜在自旋阀和磁隧道结等器件中 得到广泛应用，借助交换偏置行为可提高磁记录磁头的灵敏度，使得磁记录材料的 存储密度得到飞速发展。 磁滞回线偏移现象并非f m a f m 体系所独有的特性。事实上，当软磁非晶薄带 经适宜的热处理后，也可观测到类似现象。与f m a f m 体系相比，软磁非晶薄带是 块体材料，所以关于f m a f m 体系交换偏置行为的理论机制不能直接用来解释非晶 带材的此类行为。已有部分学者关注并报道了软磁非晶薄带的这种非对称磁滞回线 现象，但是研究还仅仅停留在现象的表征上，对这种现象基本机制的认识还很模糊。 因此深入研究非晶薄带回线偏移行为的特征和基本机理是很有必要的。本文通过观 测钴基、铁基非晶薄带的非对称磁滞回线现象，摸清了产生该现象的基本条件，在 深入研究了与此现象密切相关的各向异性、局域磁矩和磁畴的变化的基础上；进一 步阐明了这种非晶薄带的回线偏移行为的基本机制；最后还尝试研究了一种有效调 控偏移场的技术方法。获得的主要成果如下： ( 1 ) 钴基和铁基软磁非晶薄带经适宜的热磁退火处理后，其对称磁滞回线会偏 移过零点变成非对称，这种非对称磁滞回线在室温下就可得到。实验发现，经特定 热磁退火，软磁非晶薄带将产生两方面的变化：一方面从结构上讲，非晶基体中生 长出了适量的、磁性较硬的结晶相；另一方面从磁矩上讲，退火期间外加磁场将影 响结晶相的磁矩使之有一定的取向，从而形成局域钉扎场。 ( 2 ) 进一步结构表征结果显示，退火后在c 0 5 8 f e s n i l o s i l l b l 6 非晶基体中主要生 成了f c c c o 和c o s i 结晶相； c o t o f e 5 s i l s b l 0 中的结晶相为h c p c o 、f c c c o o 和 c o s i ；而f e 6 5 c o l 5 s i 5 8 1 5 中的结晶相主要是f e b 、f e 2 b 、f e 3 5 b 和f e 3 b 等铁硼化合物。 ( 3 ) 由于制备原因而存在的应力各向异性对淬态非晶薄带的磁性能影响显著， 其磁性能较差。热磁退火在使应力各向异性大大降低的同时；薄带的磁场感生各向 异性会显著增强，这些变化会影响薄带内部和表面局域磁矩的取向。磁畴观测证实 了各向异性的消长变化。单纯应力各向异性的淬态样品在垂直表面的方向观测不到 磁信号；而经退火处理后，应力各向异性降低殆尽而磁场感生各向异性占据主导， 在样品表面法线方向可以观测到明显的磁畴图案。 ( 4 ) 磁转矩测量结果表明，无偏移现象的非晶薄带的磁矩在3 6 0 0 范围内具有 两个相等的极小值，这是一种典型的单轴各向异性。而具有回线偏移行为的非晶薄 钢铁研究总院博士学位论文 带的转矩曲线会偏转一个倾角，在扫描一个周期内有两个不相等的极小值。这说明 回线偏移型非晶薄带的各向异性不仅仅是单轴的，同时也具有明显的单向特征。 ( 5 ) 对具有回线偏移行为的c 0 5 s f o s n i l 0 s i l l b l 6 非晶薄带进行了交流纵磁锻炼。 研究表明，这种磁锻炼手段可有效的调制非晶薄带的偏移场和偏移率大小。交流纵 磁锻炼磁场存在一个明显的触发值，这个触发值大约为6 8 8k a m ；大于该触发值 时，偏移场显著降低，而矫顽场随之显著增加。进一步的磁畴分析表明交流纵磁锻 炼能够削弱垂直于样品表面的磁信号，使材料中的单向各向异性降低。这种磁锻炼 方法提供了一条有效调制非晶薄带回线偏移行为的途径，为潜在的应用奠定了基础。 ( 6 ) 非晶薄带这种回线偏移行为与传统的f m a f m 体系的行为相比有明显的 不同之处。首先，回线偏移型软磁非晶薄带没有f m a f m 体系那样的明晰耦合界面； 其次，非晶薄带的偏移场是a m 量级的，而f m a f m 体系的偏移场则高达1 0 5 a m 量级；再者，非晶薄带的回线偏移特性在室温下就可以获得，而f m a f m 体系需要 降温冷却到反铁磁奈尔点以下才能看到。 ( 7 ) 偏置型软磁非晶薄带具有的磁特征及其可调控性使其在单端变压器、商品 识别标签、传感器和磁放大器等应用领域具有强劲的竞争力，其潜在市场应用前景 良好。 关键词：热磁退火；回线偏移行为；微晶相；非晶带，磁锻炼；单向各向异性 i i a b s t r a c t ni sw e l lk n o w nt h a tt h eh y s t e r e s i sl o o po ff e r r o m a g n e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i c ( f m a f m ) s y s t e mw a ss h i f t e df r o mz e r op o i n ta l o n gf i e l da x i sw h e ni t i sc o o l e d t h r o u g ht h en r e lt e m p e r a t u r e t h ed i s p l a c e dm a g n i t u d ei sn a m e db ye x c h a n g eb i a s f i e l d , a n dt h i sf e a t u r ei sa l s or e g a r da se x c h a n g eb i a sb e h a v i o r m a n ys c i e n t i s t sh a v e c o n t r i b u t e dal a r g en u m b e ro fa r t i c l e st oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i s p h e n o m e n o n s e v e r a lp r o b a b l ef a c t o r sh a v eb e e nc o n s i d e r e dt oe x p l a i nt h eo r i g i n so f e x c h a n g eb i a s t h er e l a t e dt h e o r ya n dm o d e la b o u tt h ea b o v es y s t e m sh a v eb e e n g e n e r a l l y s e a r c h e d i nm i c r o - e l e c t r i c a li n d u s t r y a p p l i c a t i o n , e x c h a n g e b i a s e d f m a f mm u l t i l a y e r sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di ns p i n - v a l v ea n dm a g n e t i ct u n n e l j u n c t i o m n 圮s e n s i t i v i t yo fm a g n e t i cr e c o r dc a nb ei m p r o v e db ya p p l y i n g t h e e x c h a n g eb i a s a n dt h i sb e h a v i o ra l l o w saq u i c k l ye x p a n d s i o ni nt h ed e n s i t yo f m a g n e t o r e s i s t i v ea c c e s sm e m o r y t h ed i s p l a c e dh y s t e r s i sl o o pi sn o tau n i q u ep h e n o m e n o ni nf m a f ms y s t e m s i nf a c t ，s i m i l a rp h e n o m e n o nc a na l s ob eo b s e r v e di nt h es o f tm a g n e t i ca m o r p h o u s r i b b o n sw i t l lp r o p e ra n n e a l i n g c o m p a r e dw i mf m a f ms y s t e m s ，t h ea m o r p h o u s r i b b o n sa r eb u l km a t e r i a l s t h e r e f o r e ，t h ei n t e r f a c ee x c h a n g ec o u p l i n gm e c h a n i s mo f t h em u l t i l a y e rf i l m sc a n n o tb ed i r e c t l ya p p l i e dt oe x p l a i nt h el o o ps h i f tb e h a v i o u ri n a m o r p h o u sr i b b o n s e v e nt h o u g hs o m es c i e n t i s t sh a v es p e n tt h e i re f f o r t st oi n v e s t i g a t e a n dr e p o r t et h ea s y m m e t r i c a ll o o p si na m o r p h o u sr i b b o n s h o w e v e r , t h eb a s i c a l m e c h a n i s mo ft h ep h e n o m e n o ni nr i b b o n si ss t i l lu n c l e a r t h e n ，ad e t a i l e ds t u d y a s s o c i a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ca n db a s i c a l l ym e c h a n i s mo fl o o ps h i f tb e h a v i o ri n r i b b o n si ss t i l l n e c e s s a r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef o r m a t i o n so fd i s p l a c e dl o o p s b e h a v i o rw e r eo b t a i n e db ys t u d y i n gs e r i e so fc o - b a s e da n df e - b a s e da m o r p h o u s r i b b o n s a n dt h er e l e v a n tf a c t o r si n c l u d i n gi n d u c e dm a g n e t i ca n i s o t r o p y , m a g n e t i c d o m a i na n dt o r q u ew e r ei n v e s t i g a t e d f u r t h e r , t h em a i no r i g i no fl o o ps h i f to fr i b b o n s w a sc l e a r l ye x p l a i n e d f i n a l l y , w ea l s ot d e dt of i n daw a y , b yw h i c ht h es h i f tf i e l dc a n b em o d u l a t e d t h ep r i m a r yc o n c l u s i o nc a nb ed r a w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh y s t e r e s i sl o o p so ft h ea p p r o p r i a t ef i e l d a n n e a l e dc o - a n df e - b a s e d a m o r p h o u sr i b b o n ss h i f t e df r o m z e r o p o i n t , a n dt h e nt h e yh a v ea na s y m m e t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c t h i sf e a t u r ec a nb eo b t a i n e da tr o o mt e m p e r a t u r e f r o me x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ea m o r p h o u sr i b b o n sw i t he s p e c i a lt h e r m o m a g n e t i ct r e a t m e n th a v et w oe f f e c t s o no n es i d e , t h eo b s e r v a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ei n d i c a t e dt h a ts l i g h tm a g n e t i c a l l yh a r d e r m 钢铁研究总院博士学位论文 c r y s t a l l i n ep h a s e sw e r eg r o w t hi nt h ea m o r p h o u sm a t r i xd u r i n gf i e l da n n e a l i n g o nt h e o t h e rs i d e , t h em a g n e t i cd o m a i n ss c a na n dm a g n e t i ct o r q u em e a s u r e m e n tr e v e a l e dt h a tt h e a p p l i e df i e l dh a sat e n d e n c yt oc h a n g et h em a g n e t i cm o m e n t so ft h ec r y s t a l l i n ep h a s e s t h i si n f l u e n c ep r o m o t e st h ef o r m a t i o no f t h el o c a ls t r a yf i e l da r o u n dt h ec r y s t a l l i n ep h a s e s ( 2 ) t h ef a r t h e rl i l i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i cr e s u l t se x h i b i tt h a tt h ec r y s t a l l i n ep h a s e s i na n n e a l e da m o r p h o u sc o s s f e s n i l 0 s i n b j 6a r ef c c c oa n dc u b i cc o s i ，t h eo n e si n c o t o f e s s i l s b l 0a r ee c p c o ，f e c c o oa n dc o s i ，a n dt h o s ei nf e 砸s c o l s s i s b l sa r ef e 3 b ， f e 2 b ，a n df e 3 s b ( 3 ) s t r e s sa n i s o t r o p yh a sas t r o n gc o n t r i b u t i o nt ot h em a g n e t i cf e a t u r e so fa s - c a s t a m o r p h o u sr i b b o n s o n eo ft h ei n t u i t i v er e s u l t si sm e i rc o e r c i v ef o r c ei sb i g g e r t h es t r e s s a n i s o t r o p yc a nb er e d u c e d , a n dt h ef i e l d i n d u c e da n i s o t r o p yr e m a r k a b l ec a nb e s t r e n g t h e n e dd u r i n gf i e l da n n e a l i n g t h e s ec h a n g e s ，w h i c hh a v eb e e ni n d i c a t e db yt h e m a g n e t i cd o m a i ns c a r l h a v ea ni n f l u e n c eo i lt h ed i r e c t i o no fl o c a lm a g n e t i cm o m e n t si n t h es u r f a c ea n di n t e r i o ro fr i b b o n s n oa n yd i s t i n g u i s h a b l ez - o r i e n t e dd o m a i ns i g n a lw a s f o u n df o ra s - q u e n c h e dr i b b o nw i t hb i g g e rs t r e s sa n i s o t r o p y a f t e rf i e l da n n e a l i n g , s t r e s s a n i s o t r o p yd e c r e a s e d n e a rz e r o ，a n df i e l di n d u c e da n i s o t r o p yo c c u p i e dd o m i n a t i n gp o s i t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h ez - o r i e n t e dm a g n e t i cd o m a i n se m e r g ei nt h es u r f a c eo fr i b b o n sw i t h t h ea b n o r m a ll o o p sb e h a v i o r ( 4 ) t h em a g n e t i ct o r q u em e a s u r e m e n te x h i b i tt h a tt h et o r q u eo fr i ol o o ps h i f t b e h a v i o rr i b b o n sh a st w os a m em i n i m ai nt h er a n g eo f3 6 0 0 t h i si sat y p i c a lu n i a x i a l a n i s o t r o p yp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h et o r q u ec u r v eo ft h es a m p l ew i t hd i s p l a c e dl o o p s r o t a t e das l a n t i n ga n g l ei nt h e0 3 6 0 0 t h u st h e r ea r et w od i f f e r e n tm i n i m ap r e s e n t e di n t h eo 1 r v ed u r i n go n es c a n n i n gp e r i o d t h e s er e s u l t sr e v e a lt h ea n i s o t r o p yo ft h el o o ps h i f t r i b b o n sh a v et w oc h a r a c t e r si n c l u d i n gu n i a x i a l i t ya n du n i d i r e c t i v i t y ( 5 ) l o n g i t u d i n a lm a g n e t i ct r a i n i n gw a sp e r f o r m e do nc o s s f e s n i l o s i li b l 6 a m o r p h o u sr i b b o n sw i t ha s y m m e t r i c a lh y s t e r e s i sl o o p s i ti sf o u n dt h a tt h el o o ps h i f tc a l l b et e c h n i c a l l yc o n t r o l l e db yt r a i n i n gt h er i b b o n st om o d u l a t et h es h i f t e df i e l da n ds h i f t e d r a t i o t h es w i t c h i n gf i e l do fa cl o n g i t u d i n a lm a g n e t i ct r a i n i n g ( a a m t ) ，a tw h i c ht h es h i f t f i e l db e g i n st od e c r e a s ea c c o m p a n i e db yt h ei n c r e a s i n gc o e r c i v ef i e l d ，i si nt h er a n g eo f 6 8 8 k a m t h es c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ea cl o n g i t u d i n a l m a g n e t i ct r a i n i n gc a nd e c r e a s ev e r t i c a lm a g n e t i cs i g n a l so nt h es a m p l es u r f a c et oag r e a t e x t e n t t h e nt h eu n i d i r e c t i o n a la n i s o t r o p yb e c o m e sl o w e r t h i sd e c l i a t em a g n e t i ct r a i n i n g m e t h o da l s op r o v i d e sa na p p r o a c ht on a v i g a t et h ee x c h a n g eb i a sb e h a v i o ri nt h ec o - b a s e d a m o r p h o u sr i b b o n sf o rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s ( 6 ) t h ec h a r a c t 舐s t i c so f t h es h i f t e dl o o p si nt h en i b b o n sa 托d i f f e r e n tf r o mt h o s ei n t h ec o n v e n t i o n a lf m a f mt h i nf i l ms y s t e m s t h er i b b o n sw i t ha s y m m e t r i c a ll o o ph a v e n o ta n yd e l i c a t ei n t e r f a c e , w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rf l 讥a f ms y s t a n st of o r mt h el o o p s h i r o nt h eo t h e rh a n d , t h es h i i tf i e l di so n l ya b o u tl o oa mf o ra m o r p h o u sr i b b o n s , d r a m a t i c a l l yl o w e rt h a nt h es c a l eo f1 0 a mf o rf m - a f ms y s t e m a d d i t i o n a l l y , t h el o o p s h i f tb e h a v i o ri nn b b o n s 锄e a s i l yo c c 呱a tr o o mt e m p e r a t u r e , b u tf m a f ms y s t e m sh a s n o ta n ye x c h a n g eb i a sb e h a v i o ru n l e s st h es a m p l ew a sc o o l 崦b e l o wt h ea f mn 6 dp o 缸 i i l 6 e l d s ( 7 ) t h el o o ps h i f ts o f ta m o r p h o u sr i b b o n sd u et oi t sm a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n d m o d u l a t e df e a t u r eh a v eas t r o n gp r e d o m i n a n c ei nm a n yp a r t i c u l a ra p p l i c a t i o n s ，s u c ha s p u l s et r a n s f o r m e r , m a g n e t i ca m p l i f i e ra n de l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c ea p p a r a t u s i ti s w o r t h y o f d e s i r et od e v e l o pt h e mi nt h ep r o m i s i n gm a r k e ti nt h ef u t u m k e yw o r d s ：f i e l da n n e a l i n g ，a s y m m e t r i c a ll o o p ， m a g n e t i ct r a i n i n g ，u n i d i r e c t i o n a la n i s o t m p y v 目录 目录 摘j i 娶】【 a b s t r a c t 第一章绪论l 1 1 前言。l 1 2 刚a 冈体系材料的交换偏置行为4 1 2 1f m a f m 体系材料交换偏置行为的基本特征7 1 2 2f m i u l - m 体系材料交换偏置行为的稳定性研究9 1 3 软磁非晶薄带的回线偏移现象1o 1 3 1 非晶软磁合金1 0 1 3 2 软磁合金的热处理方法概述1 0 1 3 3 软磁非晶薄带的磁滞回线偏移现象1 2 1 3 4 偏置型软磁非晶薄带应用1 5 1 4 研究磁滞回线偏移行为的基本技术手段1 7 1 5 本文研究内容、实验方法及应用展望。1 9 1 5 1 关注的问题19 1 5 2 主要研究内容2 0 1 5 3 研究目标21 1 5 4 研究方法及预期结果2 1 参考文献2 3 第二章实验仪器及方法3 2 2 1 实验成分设计和样品制备3 2 2 1 1 成分设计3 2 2 1 2 样品制备3 2 2 2 实验样品的退火处理3 2 2 2 1d s c 测试3 2 2 2 2 实验样品的热处理3 3 2 3 样品结构及形貌分析3 4 2 3 1x 射线衍射和能量色散x 射线光谱仪测试( m 和e d x ) 3 4 2 3 2 高分辨透射电镜扫描( 王t e m ) 3 4 2 4磁性性能测试3 4 2 4 1 居里点的测定3 4 2 4 2 静态磁滞回线测量3 5 2 4 3 磁畴和表面粗糙度测试( 扫描式探针显微镜s p m ) 3 7 钢铁研究总院博士学位论文 2 4 4 磁转矩测量( p p m s ) 3 7 2 4 5 磁锻炼效应。3 8 参考文献3 8 第三章c o 基非晶薄带产生回线偏移行为最佳热处理工艺及晶化表征3 9 3 1 引言。3 9 3 2 实验方法3 9 3 3 结果与讨论。3 9 3 3 1 热处理样品的磁性能3 9 3 3 2 热处理样品的) a 王d 图谱4 l 3 3 3 退火样品的结晶度计算4 2 3 3 4 退火样品的高分辨电镜测试4 3 3 4 小结4 6 参考文献4 7 第四章偏置型c o = f e 5 n l ，0 s i ，b 1 。非晶薄带的磁性研究4 8 4 1 引言4 8 4 2实验方法4 8 4 3结果与讨论4 9 4 3 1 磁滞回线特征。4 9 4 3 2 退火样品的表面形貌扫描5 2 4 3 3 表面磁畴观测5 2 4 4 小结5 3 参考文献5 4 第五章c o - , o f e 。si ，。邑。非晶薄带的回线偏移行为的研究5 6 5 1 引言5 6 5 2 实验方法5 6 5 3 结果与讨论。5 7 5 3 1 磁滞回线测量- 5 7 5 3 2g d 及e d x 测试5 8 5 3 3 磁畴观测5 9 5 3 4 磁转矩测量6 l 5 4 小结6 2 参考文献6 3 第六章磁历史对f e 晒c 0 ，。si 。b 1 。非晶薄带的磁滞回线的影响6 4 6 1 引言6 4 目录 6 2实验方法“ 6 3 结果与讨论。二。6 5 6 3 1 磁历史对磁滞回线特征的影响6 5 6 3 2x r d 测试6 7 6 3 3 磁畴观测6 7 6 3 4p p m s 磁转矩测量6 9 6 4 j 、结7 0 参考文献。7 l 第七章磁锻炼对c 0 5 b f e 5 ni ，o si ，b l 。非晶薄带非对称磁滞回线的调制。7 3 7 1 引言。7 3 7 2 实验方法7 4 7 3 结果与讨论。7 4 7 3 1 非对称磁滞回线现象7 4 7 3 2 磁锻炼方法7 5 7 3 3 磁锻炼效应对磁滞回线的影响7 5 7 3 4 磁锻炼对偏移场及矫顽场的影响7 7 7 3 5 磁锻炼调制前后样品的磁畴变化7 9 7 3 6 磁锻炼调制的经验公式8 0 7 4 小结81 参考文献8 3 第八章下一步工作展望8 5 创新点8 7 第九章结论8 8 博士期间发表和待发表的论文9 0 致 射9 1 i i l 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 交换偏置，有时也称为交换各向异性，它描述了在铁磁和反铁磁体系的界面磁耦合 现象n 吲。1 9 5 6 年，m e i k l e j o h n 和b e a n 首次在c 0 c o o 微粒中发现了交换偏置效应n 1 。 c 0 c o o 体系在低温磁化过程中，其磁滞回线呈现明显的非对称特性，这种现象被称为 交换偏置现象。早期研究普遍认为，交换偏置现象往往伴随着铁磁反铁磁体系中界面 交换各向异性的产生忉，而且不仅局限于反铁磁氧化物包裹的铁磁颗粒体系，包括铁磁 反铁磁界面的微小颗粒嘲、反铁磁单晶上的铁磁性膜吼州、异质材料1 _ 1 7 1 、自旋玻璃或 铁氧体等非均匀材料n 羽以及各类多层耦合薄膜材料n 蝴】中都观察到不同程度的交换偏置 行为。此外，具有其他类型界面的材料，例如反铁磁亚铁磁嗯1 ，亚铁磁铁磁陶1 材 料中交换偏置行为也曾被关注和研究。在9 0 年代以前其潜在应用前景还不明朗，因而， 这个话题的关注热度逐渐消退。 图1 - 1 用于计算机硬盘驱动器中的自旋阀的示意图 1 9 8 8 年b a b i c h 等瞰3 人发现f e c r f e 多层膜的电阻随磁场的变化效应比坡莫合 金的各向异性磁电阻值大一个数量级，这种现象被称为巨磁电阻效应( g m r ) 。随后， 许多研究学者相继发现在由各种铁磁层( f e 、n i 、c o 及其合金) 和非磁层( 包括3 d 、4 d 以 及5 d 非磁金属) 交替生长而构成的磁性多层膜中都具有巨磁电阻效应啮呀1 。我们知道， 通常的磁性多层膜中存在较强的层问交换耦合，g m r 效应必须在非常高的饱和外磁场 ( 1 0 至2 0 k o e ) 才能达到，所以磁电阻的灵敏度非常小：随后，研究人员做了很多努力来 提高磁电阻的灵敏度，这其中，研究发现铁磁反铁磁( f m a f m ) 交换耦合与g m r 钢铁研究总院博七学位论文 效应密切相关。可通过各种人为的方式使相邻铁磁层的磁矩从平行排列到反平行排列或 从反平行到平行排列，使材料体系具有界面耦合效应，从而形成自旋阀结构( s p i n v a l v e ) ， 图1 1 显示了在计算机硬盘驱动器中的自旋阀结构。自旋阀通常可分为两种基本方式： 一种是被非磁层分开的两软磁层之一用反铁磁层通过交换作用钉扎；另一种是具有不同 矫顽力的两铁磁层用非磁层分开啪1 。在自旋阀中，未被钉扎的软磁层或低矫顽力的铁磁 层在较小磁场的作用下，其磁矩能够比较自由地反转，这样便在较小磁场下使系统的电 阻率变化很大，从而使其磁电阻随磁场变化的灵敏度很高。 ( 8 ) 平行，低电阻( b ) 反平行，高电阻 图1 2 磁隧道结中电子隧穿示意图 事实上，在磁电子研究领域中还有另外一个重要的分支，就是磁隧道结。1 9 7 5 年， 法国学者j u l l i e r e 啪1 利用金属掩模法制备出f e g e c o 结构的磁性隧道结，这种因外磁场 改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象，称为隧道磁电阻m ) 效应。 隧道结磁电阻的基本原理示意图如图1 2 所示。尽管f e g d c o 隧道结低温下的磁电阻高 达1 4 ，但在室温下却很小；这使它的实际应用受到了极大限制，因为只有在室温下磁 性隧道结具有了高t m r 和低自由层偏转场等特性，才能适用于计算机磁读出头、磁动 态随机存储器( m r a m ) 和其他磁敏感器件的要求。随后许多学者致力于研究室温下具 有高t m r 的磁隧道结，并取得一些令人鼓舞的突破啪峭1 。i k e d as 3 0 等在以非晶 c o f e b 为磁性电极的隧道结中室温下观测到高于6 0 0 的磁电阻，如图1 3 所示。w a n g wh 等 3 1 研究发现c 0 2 基磁性隧道结室温下的隧穿电阻值为，而时feal 3 3 0 1 0 k 高达7 0 1 ，如图1 - 3 ( a ) 所示。而且该研究小组还报道了h c u s l e r 合金是除了b c c f e 、c o 和c o f e ( b ) 合金外，一种新的具有共振隧穿性能的铁磁电极材料；在研究过程中他们还 观测到随着m g o 厚度的增加，其隧穿电阻值会波动增加，如图1 - 3 ( b ) 所示。在磁