磁電阻效應(yīng)傳感器材料結(jié)構(gòu)及性能的研究.pdf

1、從19世紀(jì)中期開(kāi)始，人們就對(duì)磁電阻效應(yīng)進(jìn)行了深入的研究，并且將其廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。比如利用巨磁電阻效應(yīng)和隧穿磁電阻效應(yīng)可以制備磁傳感器并且將其應(yīng)用在生產(chǎn)研究的各個(gè)領(lǐng)域。磁傳感器的種類很多，比如硬盤(pán)磁頭、電流傳感器、位置傳感器、角度傳感器等。雖然現(xiàn)在人們?cè)诖烹娮栊?yīng)方面取得了很多驕人的成果，但是仍有很多問(wèn)題需要解決，比如GIG(nano-granular in gap)傳感器的靈敏度過(guò)低，其中顆粒膜體系磁電阻比值較小、穩(wěn)定性較差等；線性

2、磁敏傳感器的線性輸出范圍過(guò)窄，靈敏度偏低以及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜等。這些問(wèn)題都限制了磁電阻效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，為了解決以上問(wèn)題，我們研究了GIG傳感器的顆粒膜磁電阻材料，分析了磁性金屬／半導(dǎo)體顆粒膜的室溫磁電阻效應(yīng)，以便更好地理解顆粒膜磁電阻效應(yīng)的物理機(jī)制并獲得穩(wěn)定的高室溫磁電阻值；設(shè)計(jì)并制備了垂直取向的硬磁材料和面內(nèi)取向的軟磁層分別作為上下鐵磁層的磁性隧道結(jié)線性傳感器單元，即以L10-CoPt和Co分別作為上下鐵磁層，MgO或ZnO為中

3、間勢(shì)壘層，研究了該三明治結(jié)構(gòu)的制備方法、結(jié)構(gòu)以及磁學(xué)性質(zhì)等。
　　因此，本論文主要研究磁電阻效應(yīng)傳感器材料的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)以及性能等，在第一部分主要研究了 GI G傳感器核心部分的性質(zhì)，即磁性金屬／半導(dǎo)體顆粒膜磁電阻效應(yīng)及其與電阻的依賴關(guān)系，我們采用磁控濺射的方法在玻璃基片上制備了[Co(0.6nm)/ZnO(x)]60(x=0.3～2.5nm)薄膜體系。實(shí)驗(yàn)中固定 Co層厚度，在不同濺射氣壓沉積不同厚度的ZnO，制備出大量室溫磁電阻

4、比值高于8％的薄膜樣品，發(fā)現(xiàn)薄膜的室溫磁電阻率與薄膜的電阻率(ρ)具有明顯的相關(guān)性，當(dāng)0.08Ω·c m<ρ<0.5Ω·c m，室溫磁電阻值較大，薄膜的電阻率過(guò)大或偏小時(shí)，磁電阻效應(yīng)明顯減弱，可以通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜的電阻率制備高室溫磁電阻率的薄膜。磁電阻效應(yīng)源于電子在磁性金屬納米顆粒間通過(guò)半導(dǎo)體勢(shì)壘層的隧穿輸運(yùn)，而電子在半導(dǎo)體中自旋無(wú)關(guān)的高階跳躍以及磁性顆粒間的類金屬連接都會(huì)減弱薄膜的磁電阻效應(yīng)，并由此把磁電阻值進(jìn)行了分區(qū)（隧穿區(qū)tunne

5、ling,跳躍區(qū)hopp ing,金屬區(qū)meta llic）。在第二部分我們研究了磁性隧道結(jié)線性磁電阻效應(yīng)傳感器，首先利用磁控濺射方法沉積了一系列 Ag/CoPt薄膜，研究了基片，Ag底層厚度、CoPt厚度以及退火條件對(duì)CoPt薄膜結(jié)構(gòu)和磁性能的影響。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，制備出了理想的垂直取向的Ag(50nm)/CoPt(20nm)薄膜，在450oC高真空條件下退火得到具有大矯頑力，好矩形比且表面光滑的（001）取向 L10-CoPt相薄

6、膜，其矯頑力和矩形比分別達(dá)到15000Oe和1，然后通過(guò)分步沉積的方法制備出以 L10-CoPt和 Co分別作為上下鐵磁層， MgO或 ZnO為中間勢(shì)壘層的Ag/CoPt/MgO(ZnO)/Co隧道結(jié)，磁滯回線具有明顯的臺(tái)階變化，這說(shuō)明 L10-CoPt基隧道結(jié)的制備過(guò)程中分步沉積法可以有效避免層間擴(kuò)散，形成理想的層間界面結(jié)構(gòu)。
　　總之，我們研究了磁性金屬/半導(dǎo)體顆粒膜的磁電阻效應(yīng)及磁電阻值與電阻率的依賴關(guān)系，設(shè)計(jì)和制備了L10