鐵基磁性薄膜的磁電輸運(yùn)特性研究.pdf

1、自旋電子學(xué)隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展而成為物理學(xué)研究的重點(diǎn)。而且電子元器件的不斷高度集成化、微型化,使得功能材料必然向納米級、低維方向發(fā)展,磁體的薄膜化就成為了必然的發(fā)展方向。據(jù)此,本文簡要的介紹了自旋電子學(xué)在磁性薄膜中的理論發(fā)展與應(yīng)用,重點(diǎn)研究了其中的磁電輸運(yùn)特性在 Fe-基多層膜與 Fe3O4薄膜中的理論基礎(chǔ)。
　　本文實(shí)驗(yàn)通過磁控濺射法制備了多個系列Fe-基多層膜,以及反應(yīng)磁控濺射法制備了Fe3O4薄膜,并進(jìn)行了相關(guān)的熱處理。為

2、研究制備工藝條件以及熱處理?xiàng)l件對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與電磁性能的影響,本文實(shí)驗(yàn)采用X射線衍射儀(XRD)與原子力顯微鏡(AFM)分析薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)與表面形貌;薄膜樣品的厚度與成分用臺階儀與能譜儀(EDS)分析;采用四點(diǎn)法測量與樣品綜合物理性能測試系統(tǒng)(PPMS)分析薄膜樣品的電磁性能。
　　Fe-基多層膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　生長于緩沖層 Ta上的(FeCo)/Cu、(RE-FeCo)/Cu(RE=Pr、Dy)多層膜都具有很強(qiáng)C

3、u(111)衍射峰,薄膜表面粗糙度為0.361 nm,薄膜顆粒分布均勻,具有良好的微觀結(jié)構(gòu);稀土元素具有細(xì)化晶粒并促進(jìn)互不固溶的FeCo、Cu兩相發(fā)生相分離作用;退火處理可以提高薄膜的結(jié)晶性,使得缺陷減少。
　　多層膜的GMR值隨Cu厚度的增加,出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象,振蕩周期約為1.1 nm,同時(shí)由于C u層電流短路效應(yīng)以及耦合作用減弱,使得霍爾電壓hU減小、飽和場降低;稀土RE的添加,使得鐵磁層的厚度增加,增大了耦合間距,削弱了層間磁

4、交換耦合作用,而且界面變得粗糙,薄膜內(nèi)缺陷增加,使得G M R值降低, U h減小;摻入微量稀土RE元素可以提高薄膜的低溫電磁穩(wěn)定性,薄膜最佳退火溫度向高溫區(qū)移動;
　　增加FeCo層厚度,促進(jìn)了薄膜磁性層間由反鐵磁交換耦合作用為主向鐵磁交換耦合作用為主轉(zhuǎn)變,矯頑力增大;隨著Cu層厚度的增加薄膜磁性層間以反鐵磁交換耦合作用為主,矯頑力減小;退火處理使得層狀結(jié)構(gòu)被破壞,增加了對疇壁的移動的約束,達(dá)到增強(qiáng)磁滯的效果;原子半徑較大的稀土

5、 RE(RE=Pr、Dy)原子摻雜,也對磁疇壁移動也有釘扎作用。
　　Fe3O4薄膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　在濺射功率為70 W,Ar2/O2流量比為100:2.0時(shí),出現(xiàn)以(111)、(311)和(440)主峰的良好取向Fe3O4薄膜,顆粒大小、分布較均勻,膜面較為平整,但結(jié)晶性較差;退火處理沒有改變主峰位置,使得薄膜顆粒的結(jié)晶度提高,薄膜內(nèi)缺陷和內(nèi)應(yīng)力減小,粗糙度減小,增加了衍射峰的強(qiáng)度;引入緩沖層后,Fe3O4薄膜的晶體結(jié)

6、構(gòu)變成以(311)為主峰的衍射峰譜線,其中以La2/3Ca1/3MnO3為最佳,薄膜晶粒分布均勻,表面平整度較好,其均方根粗糙度(RMS)為1.47 nm,遠(yuǎn)小于MgO與Ta作緩沖層以及無緩沖層時(shí)的粗糙度。
　　Fe3O4薄膜呈現(xiàn)負(fù)磁阻效應(yīng),GMR值在沉積時(shí)間為30 min時(shí),達(dá)到最大值為-4.4％。退火處理使得GMR效應(yīng)在400℃時(shí),出現(xiàn)最大值,這是因?yàn)镕e3O4顆粒不斷晶化、均勻化,界面逐漸清晰,粗糙度降低,使得對自由極化電子

7、的散射增強(qiáng),則GMR效應(yīng)增加,但是晶粒的過度長大使散射界面縮小,GMR減小。薄膜引入緩沖層后,電阻變化率對外加磁場的靈敏度有所改善。Fe3O4薄膜隨著外加磁場的增加,表現(xiàn)出反常霍爾效應(yīng);薄膜厚度的增加,使得飽和場增大,Uh減小。
　　Fe3O4薄膜中反相晶粒邊界(APBs)的存在,對飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力的影響較明顯。而且,在120 K附近存在Fe3O4特有的Verwey相變,薄膜由對稱度較高的立方晶系轉(zhuǎn)變對稱度較低具有一定畸變的單