Au/Fe磁性多层膜在离子束混合过程中的巨磁电阻效应在线研究

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:637

李波，李正孝

（北京大学物理学院技术物理系，北京 100871）

摘要：在离子束混合条件下，在线研究了au/fe磁性多层膜转变为纳米颗粒膜过程中的巨磁电阻效应，发现了不同磁场强度下的离子束混合对巨磁电阻效应影响的初步规律，测量了不同注入剂量和磁场强度下的巨磁电阻，并对结果进行了讨论。

关键词：巨磁电阻；au/fe;磁性多层膜；颗粒膜

中图分类号：tg14；tb43 文献标识码：a文章编号：1671-4776（2003）11-0040-03

1引言

1988年m.n.baibich等人首先在fe/cr磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应（ｇｍｒ，ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）［１］，随后又在金属颗粒膜［２］中发现了巨磁电阻效应。由于ｇｍｒ效应在高灵敏传感器、高密度读取磁头和随机读取存储器等领域有着广阔的应用前景，十几年来一直是国际材料科学领域的研究热点［３～５］。与多层膜相比，颗粒膜由于具有高ｇｍｒ值，制备方便，重复性高和热稳定性好等优点，逐渐成为研究的重点。颗粒膜的ｇｍｒ值与颗粒的大小、形态、界面状态等微结构密切相关。如何更好地控制磁性颗粒的尺寸和浓度以获得最大ｇｍｒ值，就成为颗粒膜研究中的主要问题。

目前，对于多层膜和颗粒膜的研究，基本上都采用对样品的离线测量。这种非在线的测量得到的是不连续的数据，不能及时反映出实验过程中可能出现的有价值的反常现象，也不利于确定各种临界值和极值等重要参数。

本文利用本实验室研制的磁性多层膜转变为颗粒膜过程的电磁物性在线测量系统［３］，通过将ａｕ＋注入ａｕ／ｆｅ磁性多层膜，观察从多层膜到颗粒膜转化过程中的巨磁电阻效应，并研究了它与注入时样品的磁场强度、注入剂量等参数之间的关系。

2实验

2.1样品制备

在dmde 450型光学多层镀膜机上，选用ｆｅ，ａｕ两种金属，在硅衬底上进行蒸镀，得到ａｕ／ｆｅ磁性多层膜。其中，ｆｅ和ａｕ的组分比是２０∶８０，厚度分别是６ｎｍ和１０ｎｍ，为１０层交替结构，衬底上的第一层为ｆｅ，最外层为ａｕ，总厚度为８０ｎｍ，以ｆｅ２０ａｕ８０ｘ表示，ｘ为样品中的杂质。

2.2离子束混合条件

选择１ｍｅｖ的ａｕ＋作为注入离子，这样既不会对样品引来新的杂质，也利于实验结果的分析。由ｓｒｉｍ２０００（ｔｈｅｓｔｏｐｐｉｎｇａｎｄｒａｇｅｏｆｉｏｎｓｉｎｍａｔｔｅｒｓ）程序计算得到，１ｍｅｖ的ａｕ＋在ａｕ／ｆｅ多层膜中的平均射程是８０５ｎｍ，刚好可以穿过整个薄膜，达到最好的混合效果。

本工作是在北京大学１７ｍｖ串列静电加速器［４］上完成的，在该设备上产生和注入ａｕ＋，离子束流强度为１００ｎａ。

2.3外加磁场

磁场由钕铁硼永磁体来产生，通过微调改变永磁体和样品之间的距离，来控制磁场的大小。在ｂ＝０ｔ（不加磁铁），０５ｔ，１ｔ时进行测量，分别代表无磁场，弱磁场和强磁场的情况。

2.4实验测量与分析

利用本实验室的在线测量系统［３］，在离子注入的同时，实时采集实验数据，进行分析和计算。巨磁电阻效应由公式δｒ／ｒ０＝（ｒｈ－ｒ０）／ｒ０来计算，其中ｒ０为样品初始电阻，ｒｈ为离子注入和加入磁场时的样品电阻。

3实验结果及讨论

3.1不同磁场下，巨磁电阻效应与注入剂量之间的关系

由图１～３可以看到，在离子束混合时，电阻的变化都是先减小，当到达一最小值后，电阻开始上升。而电阻变化率随注入剂量的变化与外加磁场的大小有关。

对于多层膜，作为一个简化模型，可以将薄膜中的ａｕ层和ｆｅ层都看作是单个的电阻，每层之间有一个接触电阻与之相联，那么总电阻就由这样的电阻网络组成。当离子束混合开始时，由于各种级联碰撞的发生，造成层结构被破坏，接触电阻被短路，于是电阻迅速下降。随着混合剂量的加大，随之带来的是层状结构的破坏、颗粒膜结构的建立和非晶膜的形成，这将使得和层状结构相联系的短路效应的作用逐渐减弱。而另一种效应，由高能重离子注入造成的缺陷及缺陷迁移的效应开始显现出来，缺陷的产生将使电子散射大大增加，表现出来的是电阻的增加。这三种相互作用的结果，就可看到电阻在离子束