专利名称：一种高磁电阻值NiFe薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及磁性薄膜材料，特别是涉及一种高磁电阻值Mi^e薄膜材料及其制备方法。
背景技术：
利用各向异性磁电阻(AMR)效应制成的各种磁阻传感器，在弱磁场测量以及基于弱磁场的地磁导航、数字智能罗盘、位置测量、伪钞鉴别等方面显示出巨大的优越性。目前， 国际上相关的各大公司还在不断地挖掘AMR材料的潜力和开发生产各种类型的AMR薄膜材料磁阻传感器。Nii^e合金材料因具有优异的软磁性能和较高的磁电阻值(MR)，一直以来都是AMR材料中基础研究和开发的重点。新一代的高灵敏度AMR磁阻传感器要求Nii^e薄膜必须做得很薄以减小退磁场，矫顽力很小且磁电阻值尽可能大以提高磁场灵敏度(Sv)。但是， 随着NWe薄膜变薄，由于界面对电子的散射作用增强，其磁电阻值迅速下降。因此，采取适当措施提高超薄薄膜的MR便成为重要的研究课题。在文献B. Diney, M. Li, S. H. Liao, C. Horng, and K. Ju, J. App 1. Phys. 88，4140 (2000)中的研究指出，薄膜外表面处增强的镜面电子散射作用可以使其MR显著增大。文献L. Ding, J Teng, X. C. Wang, C. Feng, Y Jiang, G. H. Yu, S. G. Wang, and R. C. C. Ward, App 1. Phys. Lett. 96, 052515 (2010)报道了根据镜面散射原理设计和合成的Ta (5nm)/Mg(K4nm) / NiFe(IOnm)/ MgO(3nm) /Ta(3nm)结构薄膜在450°C退后的MR值可达到3. 55%，这已经很接近块体材料的 MR值(4%左右)，由该材料薄膜制成的元件灵敏度可达3. 3mV/V/0e。但是，Ta/MgO/NiFe/ MgO/Ta结构薄膜在Nii^e厚度比较薄时，其MR还是比较小，特别是当其厚度为5nm时，只有 2.0%。因此，对于超薄NWe薄膜，其磁电阻值还需要进一步的提高，以便制成具有更高磁场灵敏度的元器件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高磁电阻值NWe薄膜材料及其制备方法，以满足对超高磁场灵敏度磁电阻薄膜材料的需求。本发明的技术方案是一种高磁电阻值的Mi^e薄膜材料，该磁电阻薄膜材料结构为缓冲层/ MgO/纳米金属颗粒/ MgO/ NiFe/ MgO/纳米金属颗粒/ MgO/保护层。进一步，所述缓冲层为Ta、NiFeCr或NiCr。进一步，所述纳米金属颗粒为NiFe、Co或Pt。进一步，所述保护层为Ta或Au。本发明另一目的是提出制备上述高磁电阻值Mi^e薄膜材料的制备方法，具体制备步骤为
所述磁电阻薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积所述缓冲层/MgO/纳米金属颗粒/MgO/NiFe/MgO/纳米金属颗粒/MgO/保护层；溅射时本底真空度为1 X 10_5 9 X 10 ,溅射时氩气压为0. 2 0. 7Pa,基片用循环水冷却，平行于基片方向加有100 2500e的磁场，以诱发一个易磁化方向；然后将所述磁电阻薄膜材料在真空退火炉中进行真空磁场热处理，退火炉本底真空度为2 X 10_5 8 X 10 ,退火温度250 550°C，退火时间为10分钟 6小时，退火场500 IOOOOe。本发明的原理为在MgO上生长比较薄的金属层(<2. 5nm)，由于表面能的不同而聚集成颗粒状。这些颗粒在横向电场的作用下会由于库伦阻塞作用而带电，其产生的静电场使高电介常数的MgO极化而产生表面束缚电荷。这种带有束缚电荷的MgO/Mi^e界面，可以通过库伦力的作用使自由电子在界面处弹性反射回原来的Mi^e材料中，亦即增强了镜面电子散射作用。这可以有效地延长自旋电子的平均自由程，从而降低了 NWe薄膜的本底电阻率，最终导致了磁电阻值的明显提高。本发明具有磁电阻值高、退磁场小、制备方便和热稳定性好等优点。在很大程度上解决了 NWe薄膜材料在超薄情况下磁电阻值比较低的问题，可用于制作计算机硬盘读头、 磁性随机存储器和各类磁传感器等。
图 1 为 NiCr (7nm) /MgO (3nm) /Pt (1. 2nm) /MgO (1. 5nm) /Ni81Fe19 (5nm) /MgO (1.5nm)/Pt (1.3nm)/Mg0 (2nm)/Ta (5nm)薄膜的磁电阻输出曲线，横轴为外加磁场H，纵轴为磁电阻值MR。图 2 为 NiCr (7nm) /MgO (4. 5nm) /Ni81Fe19 (5nm) /MgO (3. 5nm) /Ta (5nm)薄膜的磁电阻输出曲线(用于与图1做对比)，横轴为外加磁场H，纵轴为磁电阻值MR。图 3 为 NiFeCr (4nm) /MgO (5nm) /Co (1. 4nm) /MgO (3nm) /Ni81Fe19 (5nm) /MgO (3nm)/Co (1.3nm)/Mg0 (3nm)/Au (3nm)薄膜的磁电阻输出曲线，横轴为外加磁场H，纵轴为磁电阻值MR。图 4 为 NiFeCr (4nm) /MgO (8nm) /Ni81Fe19 (5nm) /MgO (6nm) /Au (3nm)薄膜的磁电阻输出曲线(用于与图3做对比)，横轴为外加磁场H，纵轴为磁电阻值MR。图 5 为 Ta (5nm) /MgO (4nm) /NiFe (1. 5nm) /MgO (2nm)/Ni81Fe19 (5nm) /MgO (2nm)/NiFe (1.5nm)/Mg0 (2nm)/Ta (3nm)薄膜的磁电阻输出曲线，横轴为外加磁场H，纵轴为磁电阻值MR。图6 为 Ta (5nm) /MgO (6nm) /Ni81Fe19 (5nm) /MgO (4nm) /Ta (3nm)薄膜的磁电阻输出曲线(用于与图5做对比)，横轴为外加磁场H，纵轴为磁电阻值MR。
具体实施例方式
实施例一、图1代表的薄膜样品为一种高磁电阻值NWe薄膜材料及其制备方法的实施案例一，1.2nm和1.3nm的Pt层为纳米金属颗粒，该样品的制备方法为首先将单晶硅基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入磁控溅射室的样品托盘上依次沉积 NiCr (7nm)原子、MgO (3nm)原子、Pt (1. 2nm)原子、MgO (1. 5nm)原子、Ni81Fe19 (5nm)原子、MgO (1. 5nm)原子、Pt (1. 3nm)原子、MgO (2nm)原子和 iTa (5nm)原子以制备出 NiCr (7nm) /MgO (3nm) /Pt (1. 2nm) /MgO (1. 5nm)/Ni70Fe30 (5nm) /MgO (1. 5nm) /Pt (1.3nm)/Mg0 (2nm)/Ta (5nm)薄膜。溅射时本底真空度为6X 10_5Pa，溅射时氩气压为 0. 26Pa，平行于基片方向加有2000e的磁场。薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理， 退火炉本底真空度为5X 10_5Pa，退火温度430°C，退火时间为2小时，退火场8000e。图1是用常规的四探针方法测量的该薄膜材料的磁电阻输出曲线，其磁电阻值可达 2.45%,比文献 L. Ding, J Teng, X. C. Wang, C. Feng, Y Jiang, G. H. Yu, S. G. Wang, and R. C. C. Ward, App 1. Phys. Lett. 96，052515 Q010)中的 NiFe 厚度为 5nm 时的 MR (2. 0%)提高了 25%。图2代表的薄膜样品为没有纳米金属颗粒层对比案例一，该样品的制备方法为 首先将单晶硅基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入磁控溅射室的样品托盘上依次沉积 NiCr (7nm)原子、MgO (4. 5nm)原子、Ni81I^e19 (5nm)原子、MgO (3. 5nm) 原子和 Ta (5nm)原子以制备出 NiCr (7nm) /MgO (4. 5nm)/Ni81Fe19 (5nm)/Mg0 (3. 5nm) /Ta (5nm)薄膜。溅射时本底真空度为6X 10_5Pa，溅射时氩气压为0. 26Pa，平行于基片方向加有2000e的磁场。薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火炉本底真空度为 5X10_5Pa，退火温度250°C，退火时间为10分钟，退火场8000e。图2是用常规的四探针方法测量的该薄膜材料的磁电阻输出曲线。
实施例二、图3代表的薄膜样品为本发明一种高磁电阻值Mi^e薄膜材料及其制备方法的实施案例二，其中1.4nm和1.3nm的Co层为纳米金属颗粒，该样品的制备方法为首先将玻璃基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入磁控溅射室的样品托盘上依次沉积NiFeCr (4nm)原子、MgO (5nm)原子、Co (1. 4nm)原子、MgO (3nm)原子、 Ni81Fe19 (5nm)原子、MgO (3nm)原子、Co (1. 3nm)原子、MgO (3nm)原子和 Au (3nm)原子以制备出 NiFeCr (4nm) /MgO (5nm) /Co (1. 4nm) /MgO (3nm) /Ni81Fe19 (5nm) /MgO (3nm) /Co (1.3nm)/Mg0 (3nm)/Au (3nm)薄膜。溅射时本底真空度为3. 0 X 10_5Pa，溅射时氩气压为0. 32 ，平行于基片方向加有1200e的磁场。薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火炉本底真空度为6X10_5Pa，退火温度450°C，退火时间为1小时，退火场7500e。图3是用常规的四探针方法测量的该薄膜材料的磁电阻输出曲线，其磁电阻值可达 2.60%,比文献 L. Ding, J Teng, X. C. Wang, C. Feng, Y Jiang, G. H. Yu, S. G. Wang, and R. C. C. Ward, App 1. Phys. Lett. 96，052515 Q010)中的 NiFe 厚度为 5nm 时的 MR (2. 0%)提高了 30%ο图4代表的薄膜样品为没有纳米金属颗粒对比案例二，该样品的制备方法为首先将玻璃基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入磁控溅射室的样品托盘上依次沉积Nii^eCr (4nm)原子、MgO (8nm)原子、Ni81I^e19 (5nm)原子、MgO (6nm)原子和 Au (3nm)原子以制备出 NiFeCr (4nm)/MgO (8nm)/Ni81Fe19 (5nm)/Mg0 (6nm)/Au (3nm)薄膜。溅射时本底真空度为3. OX 10_5Pa，溅射时氩气压为0. 32Pa，平行于基片方向加有1200e 的磁场。薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火炉本底真空度为6X10_5Pa，退火温度550°C，退火时间为2小时，退火场7500e。图4是用常规的四探针方法测量的该薄膜材料的磁电阻输出曲线。
实施例三、图5代表的薄膜样品为一种高磁电阻值Mi^e薄膜材料及其制备方法的实施案例三，其中两层1.5nm的Mi^e层为纳米金属颗粒，该样品的制备方法为首先将单晶硅基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入磁控溅射室的样品托盘上依次沉积 iTa (5nm)原子、MgO (4nm)原子、NiFe (1. 5nm)原子、MgO (2nm)原子、Ni8Je19 (5nm) 原子、MgO (2nm)原子、NiFe (1. 5nm)原子、MgO (2nm)原子和Ta (3nm)原子以制备出Ta (5nm) /MgO (4nm) /NiFe (1. 5nm) /MgO (2nm) /Ni90Fe10 (5nm) /MgO (2nm) /NiFe (1. 5nm) /MgO (aim) /Ta (3nm)薄膜。溅射时本底真空度为2. 1 X 10_5Pa，溅射时氩气压为0. 35Pa, 平行于基片方向加有ISOOe的磁场。薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火时本底真空度为3X10_5Pa，退火温度400°C，退火时间为1. 5小时，退火场7000e。图5是用常规的四探针方法测的该薄膜材料的磁电阻输出曲线，其磁电阻值可达 2. 72%，比文献 L. Ding, J Teng, X. C. Wang, C. Feng, Y Jiang, G. H. Yu, S. G. Wang, and R. C. C. Ward, App 1. Phys. Lett. 96，052515 OOIO)中的 NiFe 厚度为 5nm 时的 MR (2. 0%)提高了 36%。图6代表的薄膜样品为没有纳米金属颗粒层对比案例三，该样品的制备方法为 首先将单晶硅基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入磁控溅射室的样品托盘上依次沉积iTa (5nm)原子、MgO (6nm)原子、Ni81I^e19 (5nm)原子、MgO (4nm)原子和 Ta (3nm)原子以制备出 Ta (5nm)/Mg0 (6nm)/Ni81Fe19 (5nm)/Mg0 (4nm)/Ta (3nm)薄膜。溅射时本底真空度为2. lX10_5Pa，溅射时氩气压为0. 35Pa，平行于基片方向加有ISOOe 的磁场。薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火时本底真空度为3X10_5Pa，退火温度400°C，退火时间为1. 5小时，退火场7000e。图6是用常规的四探针方法测量的该薄膜材料的磁电阻输出曲线。经对比，本发明中的高磁电阻值Nii^e薄膜材料具有更高的磁电阻值。本发明可以使NWe薄膜在超薄情况下获得可观的磁电阻值，这对进一步减小材料的退磁场和提高材料的磁场灵敏度有利。此外，此方法还具有制备方便和热稳定性好等优点，这为制作计算机硬盘读头、磁性随机存储器和各类磁传感器等应用器件提供了一种实用材料。
权利要求
1.一种高磁电阻值的NWe薄膜材料，其特征在于磁电阻薄膜材料结构为缓冲层/ MgO/纳米金属颗粒/ MgO/ NiFe/ MgO/纳米金属颗粒/ MgO/保护层。
2.根据权利要求1所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料，其特征在于，所述缓冲层为Ta、 Nii^eCr 或 NiCr。
3.根据权利要求1所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料，其特征在于，所述纳米金属颗粒为 NiFe、Co 或 Pt。
4.根据权利要求1所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料，其特征在于，所述保护层为Ta或Au。
5.根据权利要求1-4所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料各层的厚度为缓冲层2 20nm，Mg0 1 20nm，纳米金属颗粒 0. 15 2. 5nm，Mg0 1 20nm，NixFe1(l(l_x 5 30nm，Mg0 1 20nm，纳米金属颗粒0. 15 2. 5nm, MgO 1 20nm，保护层0 15nm ；其中，70<x<90。
6.根据权利要求1-5所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料的制备方法，其特征在于所述磁电阻薄膜材料是在磁控溅射仪中制备，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积所述缓冲层/MgO/纳米金属颗粒/MgO/NixFe1(l(l_x/MgO/纳米金属颗粒/MgO/保护层；溅射时本底真空度为1 X 10_5 9 X 10 ,溅射时氩气压为0. 2 0. 7Pa,基片用循环水冷却，平行于基片方向加有100 250 Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向；然后将所述磁电阻薄膜材料在真空退火炉中进行真空磁场热处理，退火炉本底真空度为2 X 1(Γ5 8 X l(T5Pa，退火温度250 550°C，退火时间为10分钟 6小时，退火场500 1000 0e。
7.根据权利要求6所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料的制备方法，其特征在于在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积NiCr 7nm/Mg0 3nm/Pt 1. 2nm/Mg0 1. 5nm/ Ni70Fe30 5nm/Mg0 1. 5nm/Pt 1. 3nm/Mg0 2nm/Ta 5nm，溅射时本底真空度为 6 X l(T5Pa，溅射时氩气压为0. 26Pa，平行于基片方向加有200 Oe的磁场；薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火炉本底真空度为5X10_5Pa，退火温度430°C，退火时间为2小时，退火场 800 Oe0
8.根据权利要求6所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料的制备方法，其特征在于在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积Nii^eCr 4nm/MgO 5nm/Co 1. 4nm/MgO 3nm/ Ni81Fe19 5nm/Mg0 3nm/Co 1. 3nm/Mg0 3nm/Au 3nm，溅射时本底真空度为 3. 0 X l(T5Pa，溅射时氩气压为0. 32Pa，平行于基片方向加有120 Oe的磁场，薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火炉本底真空度为6X10_5Pa，退火温度450°C，退火时间为1小时，退火场 750 Oe。
9.根据权利要求6所述高磁电阻值的Mi^e薄膜材料的制备方法，其特征在于在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积iTa 5nm/Mg0 4nm/NiFe 1. 5nm/Mg0 2nm/Ni90Fe10 5nm/Mg0 2nm/NiFe 1. 5nm/Mg0 2nm/Ta 3nm，溅射时本底真空度为 2. 1 X l(T5Pa，溅射时氩气压为0. 35Pa，平行于基片方向加有180 Oe的磁场，薄膜制备后，在真空退火炉中进行退火处理，退火时本底真空度为3X 10_5Pa，退火温度400°C，退火时间为1. 5小时，退火场700 Oe。
全文摘要
本发明属于磁性薄膜材料领域，特别是提供了一种高磁电阻值的NiFe薄膜材料及其制备方法。该薄膜材料结构为缓冲层/MgO/纳米金属颗粒/MgO/NiFe/MgO/纳米金属颗粒/MgO/保护层；然后在磁场中高温退火。本发明的有益效果是该材料具有磁电阻值高、退磁场小、制备方便和热稳定性好等优点，同时在很大程度上解决了NiFe薄膜材料在超薄情况下磁电阻值比较低的问题，可用于制作计算机硬盘读头、磁性随机存储器和各类磁传感器等。
文档编号B32B9/04GK102290193SQ2011101243
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者于广华, 冯春, 李宝河, 皇甫加顺, 腾蛟 申请人:北京科技大学