高頻應(yīng)用顆粒膜Fe(Co)-Al(Zr)-O系磁性能及巨磁電阻效應(yīng)研究.pdf

1、巨磁電阻材料在高密度記錄讀出磁頭、磁傳感器(霍爾探測(cè)器、超微磁場(chǎng)探測(cè)器等)、巨磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)、無接觸磁控元件、自旋晶體管、磁光信息存儲(chǔ)、汽車、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器、商標(biāo)識(shí)別、磁性開關(guān)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。出于高頻應(yīng)用的考慮，本論文研究了Fe-M-O中Fe(Co)-Al(Zr)-0系列顆粒薄膜TMR材料。本論文共分為六章，工作主要內(nèi)容為：綜述了巨磁電阻效應(yīng)各種體系與研究

2、中的現(xiàn)狀與問題。采用玻璃和Si(100)等做基板，利用射頻磁控濺射法制備了系列Fe(Co)-Al(Zr)-O顆粒薄膜樣品，并對(duì)其在真空中于不同溫度下進(jìn)行了退火處理，樣品的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)經(jīng)過透射電子顯微鏡(TEM)(JEOL 4000 EX)、選區(qū)電子衍射(SAD)和X射線衍射(Rigaku D/Max2000，CuKa)觀察研究。成份使用X射線能量散射譜(EDS)和X射線光電子能譜(XPS)分析。磁性質(zhì)和磁電阻性質(zhì)分別使用

3、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、磁導(dǎo)計(jì)等和標(biāo)準(zhǔn)直流四探針方法運(yùn)行測(cè)量。從結(jié)構(gòu)與工藝角度研究探討了磁性與磁電阻性能問題，對(duì)于材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用提出了新的結(jié)構(gòu)與性能理念，即通過材料性能的研究來選擇結(jié)構(gòu)與工藝，這種初步探索對(duì)材料的應(yīng)用和新的材料測(cè)量與設(shè)計(jì)觀念的構(gòu)建很有裨益。研究了濺射輸入功率對(duì)Fe-Al-O膜磁性等性能的影響。以濺射輸入功率4.9 W/cm2沉積獲得的納米晶Fey5.9Al1.5O26膜飽和磁化(4πMs)為19.6 kG(Guass

4、)，有效磁導(dǎo)率μeff在100 MHz為1100(高斯單位制，下同)。表明Fe-Al-O膜適用于高密度記錄磁頭。研究了Co-ME(ME=Al，Si，B，Ge，或Sn)-(N或O)膜的磁性能。在0基薄膜中，只有含Al的薄膜中在有限的O2流量比的范圍內(nèi)有軟磁性；在N基薄膜中，不只含Al的薄膜有軟磁性，而且含Si的薄膜也有軟磁性，而且N濃度可以在較寬的范圍內(nèi)變化，大于O基的薄膜。O含量在30-50at.％的Co85Al15-O薄膜

5、中可觀察到清晰的顆粒狀結(jié)構(gòu)，粒子尺寸的分布相對(duì)比較窄，觀察到O含量超過50 at.％的薄膜中包含氧化物相。在O和N系統(tǒng)Co-(N或O)薄膜中ρ值的不同，可以歸于它們形貌特征的不同和兩個(gè)系統(tǒng)的晶粒間組成不同。觀察到Co-Al-O顆粒膜的電阻率隨O2流量比的增加有兩個(gè)增加階段。呈現(xiàn)軟磁性的Co-Al-(N或O)薄膜完全由沿(111)擇優(yōu)取向的fcc相組成，這時(shí)的各向異性能最低。結(jié)果顯示Co-Al-O軟磁性薄膜高的ρ和Bs和Hk值

6、有利于改善μ-f響應(yīng)特性。另外一種有效改良μ-f響應(yīng)特性的方法是熱處理。Fe70Co.30合金和Al2O2粉末做復(fù)合靶材制備了FeCoAlO薄膜，從TFM圖像中看到FeCoAlO薄膜晶粒具有形狀各向異性，晶粒的長(zhǎng)軸方向和短軸方向長(zhǎng)度分別為15 nm-30 nm和5 nm-15 nm不等。B-H曲線上得到的難軸各向異性場(chǎng)Hkh約為20Oe。難軸矯頑力Hch小于1Oe，傾斜角在±3度。這說明FeCoAlO濺射膜在基片上磁各向異性

7、的離散性很低，均勻性好。用直徑為3nm的電子束進(jìn)行X射線能量散射譜(EDS)分析，F(xiàn)eCoAlO濺射顆粒膜磁性各向異性不是起因于磁性顆粒之間的各向異性耦合，起因于形狀各向異性。300℃退火后FeCoAlO濺射顆粒膜軟磁性能無退化現(xiàn)象。FeCoAlO濺射膜的頻率響應(yīng)曲線證實(shí)從10MHz到1 GHz復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部μ’大于1000，抗腐蝕性能好，好的溫度穩(wěn)定性使其能夠經(jīng)受磁頭制作處理工藝，可適用于高密度存儲(chǔ)上的高速寫磁頭。(Fe0.

8、65C0.35)96Zr1O3顆粒膜退火后由謝樂公式計(jì)算可以看到與(Fe0.65Co0.35)99O1膜相比應(yīng)力釋放較小。這是由于(Fe0.65Co0.35)99O1膜沉積時(shí)氧化物顆粒溶解在α-Fe(Co)相中，形成內(nèi)應(yīng)力，退火后形成氧化物CoFe2O4，游離出α-Fe(Co)相，釋放出內(nèi)應(yīng)力。而對(duì)(Fe0.63Co0.35)96Zr1O3膜，鋯原子吸引α-Fe(Co)相中的氧原子，由于鋯原子擴(kuò)散緩慢，退火后α-Fe(Co)相中

9、溶解的氧依然未變。從矯頑力Hc與退火溫度Ta的關(guān)系圖也可以看出退火對(duì)矯頑力Hc影響較小。(Fe0.65Co0.35)96Zr1O3的選區(qū)衍射圖(SAD)也可以看出退火前后微結(jié)構(gòu)幾乎無變化，這是由于Zr的加入。與S.Chikazumi的理論相一致，存在一個(gè)最佳退火溫度，此時(shí)它所含有的疇壁能和磁彈性能之和最小，相應(yīng)這時(shí)的矯頑力也最小，矯頑力的變化也符合Herzer模型。施加靜磁場(chǎng)時(shí)熱處理對(duì)沉積Fe-Al-O薄膜的單軸磁各向異性的

10、強(qiáng)度和分布影響很小，所以，各向異性不是由于磁退火效應(yīng)引起的。沉積態(tài)和退火態(tài)施加磁場(chǎng)方向?qū)e-Al-O顆粒膜磁各向異性Ku的影響很小；單軸各向異性只與濺射入射角〈θ〉有關(guān)，而與其它濺射條件如基板形狀和直流靜磁場(chǎng)無關(guān)。濺射入射角〈e〉引起粗糙度變化對(duì)Fe-Al-O顆粒膜磁各向異性Ku的影響較大。說明斜入射引起Fe-Al-O顆粒膜各向異性。工藝上可以通過改變襯底傾斜角度控制顆粒膜磁各向異性。研究表明，F(xiàn)e(Co)Al(Zr)O系

11、薄膜磁各向異性是由形狀各向異性引起的?？蓪?duì)濺射Fe(Co)Al(Zr)O系顆粒膜進(jìn)行后熱處理進(jìn)而研究薄膜的磁性能及磁電阻性能。通過改變納米Fe(Co)顆粒的尺寸大小可有效控制這種新型復(fù)合材料的磁特性，以滿足在信息和電子技術(shù)中的特殊需求。Fe-Al-N顆粒膜容易腐蝕，而且4πMs值較低，F(xiàn)e-M-O顆粒膜M中的Hf資源稀缺，F(xiàn)e(Co)Al(Zr)O系薄膜是實(shí)現(xiàn)高頻應(yīng)用目標(biāo)的高磁導(dǎo)率、高磁感應(yīng)強(qiáng)度、高電阻率、低損耗理想鐵基磁性

12、材料。Co-A-O顆粒膜的X射線光電子能譜表明，組成為CoO-AlOx，體相CoO雖為反鐵磁體，但當(dāng)變?yōu)榧{米顆粒時(shí)，表面原子對(duì)靜磁矩的貢獻(xiàn)很大，可以從反鐵磁變?yōu)殍F磁性，CoO內(nèi)米顆粒在AlOx母相中顯示出巨大的隧道磁電阻效應(yīng)。退火下Co-A-O顆粒膜直到300℃仍可保持穩(wěn)定，進(jìn)一步退火溫度升高，在Ta＞450℃時(shí)，形成尖晶石結(jié)構(gòu)Co1-xAl2-xO1絕緣阻擋層的崩潰，TMR急劇下降，500℃下退火時(shí)化學(xué)變化顯著地影響磁電阻