您现在的位置:机电论文网>> 机床加工>> 正文内容

nife/ag多层膜在低场下的巨磁电阻行为

作者: 来源: 发布时间:2018/2/11 16:12:47  点击数:562
low field giant magneto-resistance in nife/ag multilayers
wang wanping,zhang huaiwu,wang haocai
(institute of information materials engineering,university of electronic science and technology,chengdu,610054)
abstractnife/ag multilayer was grown by magnetron sputtering.giant magneto-resistance (gmr) of the film was observed in a low magnetic field.its mechanism was tentatively discussed.a new multilayer of nife/ag has been successfully developed with the maximum gmr ratio of 50%,at a field of 0~79.6×250 a/m at room temperature.
keywordsgiant magneto-resistance,magnetron sputtering,vacuum
1988年,baibich等[1]首先在fe/cr多层膜内发现了巨磁电阻(gmr)效应,其在高密度磁记录领域有广泛的应用前景,主要原因是它的磁阻效应比一般的磁阻效应大一个数量级,且器件线性度好,灵敏度高,巴克豪森噪音小。随后人们进行了大量的实验研究和理论探索,并相继发现了金属颗粒膜、自旋阀隧道效应膜等具有巨磁电阻效应的材料和结构[2~4]。1995年,美国物理学会更是将gmr效应列为当年凝聚态物理中五个研究热点的首位。人们通过实验发现自旋阀多层膜具有高的磁场灵敏度,但gmr效应却较小;而颗粒膜有较大的gmr效应,但饱和场却很高。因此要想获得理想的制作巨磁电阻“读出”头的材料,必须设法降低饱和场,增大gmr效应,也就是设法降低层间耦合作用[5,6]。本实验通过对nife/ag多层膜进行退火处理,使样品介于多层膜和颗粒膜之间,磁性离子互相渗透,降低了毗邻层之间的层间耦合作用,从而产生静磁作用,它有助于反铁磁的形成。通过对工艺参数的优化和快速真空退火处理,最终制备出在低场(小于79.6×250a/m)下具有高达50%的gmr效应的nife/ag多层膜。
1 实验方法
用直流(dc)磁控溅射方法制备了一系列的nife/ag多层膜样品。溅射气氛为ar气,基片采用医用载波片,并进行了严格清洗。靶用水冷却。不用任何缓冲层,nife/ag多层膜直接沉积在基片上。膜厚由溅射时间控制,样品尺寸为26 mm×21 mm,磁电阻用四探针法测量,测量时外加磁场平行于膜面和电流方向。采用真空快速光源退火。具体工艺参数列于表1。
表1 样片的制备工艺参数
tab.1 the sample fabrication parameters
参数名称参数值参数名称参数值
本底真空度1×10-3pa退火真空度1~10 pa
溅射气压1~4 pa退火温度350~400 ℃
溅射电流0.1~0.4 a退火时间5~15 min
溅射电压250~400 v升温速率10~30 ℃/min
衬底温度<60 ℃冷却速率50~100 ℃/min

2 结果和讨论
首先研究nife/ag多层膜样品磁性层、非磁性层厚度和周期数对巨磁电阻效应的影响,以获取较佳的参数。并对每个样品进行了退火处理,降低了样品的饱和场。产生巨磁电阻现象的多层膜系统必须满足以下几个条件:第一,相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变。但由于多层膜具有强的层间耦合作用,只有在强磁场的作用下才能改变磁矩的相对取向。第二,每一单层的厚度要小于电子的平均自由程。第三,自旋取向不同的两种电子(向上和向下)在磁性原子上的散射差别很大。针对以上要求,从改变工艺参数和退火处理入手,提高巨磁电阻效应和降低饱和场,实现低场下有好的灵敏度,以满足实用性要求。
2.1 相对巨磁电阻效应随外磁场h的变化
图1给出了[nife/ag]20样品的巨磁电阻效应随外磁场的变化关系。

图1 [nife/ag]20样品的相对巨磁电阻效应随外磁场的变化关系
fig.1 δr/r vs.h for a sample [nife/ag]20
从图1可知,[nife/ag]20样品的相对巨磁电阻效应随外磁场的增加而单调下降,当h>79.6×240 a/m时,出现饱和现象,巨磁电阻系数不再随h的增加而下降。这一现象表明,所研制的材料可在低场应用,特别适用于作gmr硬盘磁头。
2.2 相对巨磁电阻效应随非磁性层厚度的变化
在室温下,固定nife层厚度和总周期数不变,改变非磁性层ag层的厚度,得到一系列样品,在h=79.6×120 a/m条件下测量其巨磁电阻效应随ag层厚度的变化,得到图2所示的曲线。

图2 巨磁电阻效应随ag层厚度的变化
fig.2 δr/r vs.thickness of ag layer
由图2可知,随着非磁性层ag层厚度的增加,巨磁电阻效应先增大而后减小,曲线出现了一个峰值。这是由于传导电子从一个铁磁层到达另一个铁磁层的表面时遭受的散射越强,巨磁电阻效应越大。增大非磁性层厚度,其中存在的杂质、缺陷越多,从而减少了传导电子从一个铁磁层到达另一个铁磁层的概率,使得传导电子受到铁磁层表面散射的机会大大减少,巨磁电阻效应下降。另一个原因是当非磁性层厚度较小时,相邻两铁磁层具有强烈的铁磁耦合作用,使得两铁磁层的磁化强度矢量趋于平行排列,此时,巨磁电阻效应较小。当厚度增大时,降低了铁磁层之间的耦合作用,巨磁电阻效应增大,这两种机理共同作用使得非磁性层厚度增加时,巨磁电阻效应出现一个极大值。
2.3 巨磁电阻效应随磁性层厚度的变化关系
固定ag层厚度和总周期数不变,改变磁性层nife层的厚度,得到一系列样品。在室温下,h=79.6×160 a/m条件下测量其巨磁电阻效应随nife层厚度的变化,得到图3所示的曲线。从图3可以看出,随着磁性层厚度的增大,样品的巨磁电阻效应呈缓慢下降趋势。由于随铁磁层膜厚增加,电子自旋相关扩散自由程与膜厚度相差越来越大,巨磁电阻效应也随之不明显。

图3 巨磁电阻效应随磁性层厚度的变化关系
fig.3 δr/r vs.thickness of nife layer
2.4 巨磁电阻效应随周期数n的变化
固定样品的磁性层和非磁性层厚度不变,将样品总周期数从13变化到30。在室温下,h=79.6×240 a/m条件下得到如图4所示的巨磁电阻随周期数的变化曲线。
由图4可知,样品的巨磁电阻效应随着总周期数n的增加而单调上升。究其原因是由于自旋相关的电子在界面受到散射,随着层数增加,自旋“上”与自旋“下”载流子浓度之差增大。因而出现巨磁电阻效应增强的结果。

图4 巨磁电阻效应随样品周期数的变化曲线
fig.4 δr/r vs.periods (n)
2.5 退火对相对巨磁电阻效应的影响
图5给出了样品退火前、后巨磁电阻效应随外磁场的变化曲线。由图5可以看出,通过对样品的退火,使样品的巨磁电阻效应有了很大的提高。由于选择一种低各向异晶场合金和不固溶的隔离层材料nife-ag系统,通过不同条件下退火,在适当条件下使nife层出现不连续,产生了静磁作用,有助于相邻磁性层中磁矩的反平行排列,从而使巨磁电阻效应增强。

图5 退火前、后巨磁电阻效应随外磁场的变化曲线
fig.5 δr/r vs.h of annealed and unannealed sample
3 结论
(1)nife/ag多层膜在真空中快速退火后,作为低场应用是极有价值的材料,尤其作为信息存储领域的硬盘磁头在0~79.6×50 a/m场域性能良好。
(2)经过新型磁场热处理后,使样品的巨磁电阻有了很大的提高,从图5可以得出在应用场低于79.6×50 a/m时,灵敏度为0.5%/79.6 am-1,巨磁电阻效应高达50%。
(3)退火后的多层膜样品,其结构介于多层膜和颗粒膜之间,这种结构的优点是通过退火使磁性原子扩散,产生静磁作用,降低了样品的饱和场。
王万平(电子科技大学信息材料工程学院 成都 610054)
张怀武(电子科技大学信息材料工程学院 成都 610054)
王豪才(电子科技大学信息材料工程学院 成都 610054)
参考文献
1,baibich m n,broto j m,fert a et al.phys rev lett,1988,61(11):2472
2,petroff f,barthelemy a,mosca d h et al.phys rev,1991,b44:5355
3,yan m l,li s x,yu c t et al.j magn magn mater,1995,144:539
4,xiao j q,jiang j s et al.phys rev lett,1992,68:3749
5,hylton t l,coffey k r,parker m a et al. j appl phys,1994,75(10):7058
6,hylton t l,coffey k r,parker m a et al.science,1993,261(20):1022

更多
字体:【】-【】-【】【关闭此页

上一篇:平面光波导膜的ecr-pecvd制备'   下一篇:中国环保仪器以及仪表的市场发展分析'


特别声明:机电之家(http://www.jdzj.com )所共享的机电类资料,机电论文、机电类文章、机电企业类管理制度、机电类软件都来自网上收集,其版权归作者本人所有,如果有任何侵犯您权益的地方,请联系我们,我们将马上进行处理。购买的论文都出自原创,保证作者的原创的版权的转让,任何纠纷由法律解决。