NiFeNb缓冲层和NiO插层对坡莫合金薄膜各向异性磁电阻的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)山东师范大学物理与电子科学学院 作者:王书运

  采用NiFeNb 材料为坡莫合金薄膜的缓冲层,利用磁控溅射系统制备了一系列( Ni81 Fe19)80. 7 Nb19. 3( x) /NiO( y) /Ni81Fe19( 20 nm) /NiO( y) /Nb( 3 nm) 坡莫合金薄膜样品,研究了( Ni81Fe19)80. 7Nb19. 3缓冲层厚度、NiO 插层厚度和基片温度对坡莫合金薄膜各向异性磁电阻和微结构的影响。用非共线四探针法测量薄膜样品的各向异性磁电阻值( AMR) ,用X 射线衍射仪分析样品的微结构,用FD-SMOKE-A 表面磁光克尔效应实验系统测量不同基片温度下制备的薄膜的磁滞回线。结果表明:( Ni81Fe19)80. 7Nb19. 3缓冲层及NiO 插层都可有效的提高坡莫合金薄膜的AMR 值; 对于厚度为20 nm 的Ni81 Fe19坡莫合金薄膜,在NiFeNb 缓冲层厚度为2 nm,NiO 层厚度为4 nm,基片温度为450℃的条件下,其AMR 值最大达到5. 25%,比以Ta 为缓冲层的薄膜的AMR 值提高了60. 6%。此时的坡莫合金薄膜出现了较好的( 111) 织构和大晶粒现象,减少了晶界对传导电子的散射,导致薄膜的AMR 值提高。

  全球卫星定位系统(GPS) 是目前应用最为广泛的定向、定位系统,但也存在着严重的问题,如GPS极易被干扰; 定位卫星容易被摧毁失效; 在水下、地下、太空等弱/无卫星导航信号的环境下无法使用等问题。因此,开发新的、安全可靠的定向、定位导航技术在未来导航领域变得越来越重要和紧迫。地磁场为矢量场,是地球固有的公共资源,是天然的“GPS”,具有全天时、全天候、全地域的特征。所以利用地磁场进行定位导航,能够完全独立GPS,并且可以在水下、地下、近太空中使用。事实上,将GPS与地磁导航系统相结合,二者相互补充并组合使用是导航领域的理想选择。地磁场有两个特点: 一是磁场强度非常弱,尤其是空间的磁场更弱,大概零点几个高斯; 二是具有矢量性,不同方向其大小不同。因此,为了研制出高精度的地磁导航系统,必须开发出对弱磁场及方位都敏感的磁性材料。

  各向异性磁电阻(AMR) 材料对方位( 或地磁方向) 很敏感,且各向异性磁电阻率与角度有定量关系:ρ( θ) = ρ⊥ + Δρcos2θ,因此各向异性磁电阻材料是研制地磁导航系统的理想材料。由于坡莫合金薄膜具有价格低廉,结构简单,灵敏度高和饱和磁场低等优点,所以坡莫合金NiFe 薄膜材料是目前应用最广泛的各向异性磁电阻材料之一。2000 年,Lee 等研究发现: 在提高坡莫合金薄膜各向异性磁电阻方面,NiFeCr 为缓冲层要优于Ta; 随后,又有一些学者报道了以NiFeCr 为缓冲层的坡莫合金薄膜的研究; 2004 年,刘俊等报道了以NiFeNb 为缓冲层时Nb 含量对纳米级NiFe 薄膜ρ 和磁电阻的影响;2013 年,Wang 等又对这一缓冲层做了进一步研究。2004 年以来,S. Yuasa 等研究了MgO 对铁磁薄膜的作用,近几年研究发现,将MgO,Al2O3或ZnO 与NiFe 结合在一起,设计为Ta /Al2O3 /NiFe /Al2O3 /Ta,Ta /MgO/NiFe /MgO/Ta 或Ta /ZnO/NiFe /ZnO/Ta 结构时,NiFe 薄膜的磁场灵敏度(Sv) 有明显提高。考虑到若以NiO 作为新的氧化插层,可有效降低NiO 中的氧原子与邻层NiFe 中的Ni 原子的氧化反应。因此,本文选择( Ni81 Fe19)80. 7 Nb19. 3作为缓冲层,NiO 为氧化插层,Nb 作为保护层进行实验,系统研究了影响坡莫合金薄膜各向异性磁电阻值的因素和条件,并取得了较理想的实验结果,即在相对较低的本底真空度5 × 10-4Pa 下, 20 nm 厚的NiFe 薄膜AMR 值最大达到5.25%。

1、实验

  实验中,采用磁控溅射系统在康宁玻璃基片上制备( Ni81 Fe19)80. 7 Nb19. 3( x) /NiO( y) /Ni81 Fe19( 20nm) /NiO( y) /Nb(3 nm) 样品薄膜,溅射靶材分别为金属靶Nb、陶瓷靶NiO 和合金靶Ni81Fe19,纯度均高于99. 95%。薄膜中NiFeNb 缓冲层由Nb 靶和Ni81Fe19靶共同溅射获得。Ni81 Fe19靶的溅射速率为0. 231 nm/s,Nb 靶的溅射速率为0. 088 nm/s,NiO靶的溅射速率为0. 103 nm/s。实验本底真空为5 ×10 -4 Pa,工作气体是纯度为99. 99%的高纯氩气,并保持0. 5 Pa 的工作压力。在溅射过程中,利用永磁铁在基片位置沿平行膜面方向提供磁场强度约为14. 3 kA/m 的磁场作为诱导磁场。

  薄膜样品的AMR 利用非共线四探针法测量,薄膜结构及晶粒大小利用X 射线衍射( XRD) 仪分析获得,不同基片温度下制备的薄膜的磁滞回线由FD - SMOKE-A 表面磁光克尔效应实验系统测量。以上所有的测量都在室温下进行。

2、结论

  ( Ni81Fe19)80. 7 Nb19. 3缓冲层和NiO 插层都可以有效的提高坡莫合金薄膜的AMR 值。对于20 nm厚度的Ni81 Fe19薄膜,当NiFeNb 缓冲层厚度为2nm,NiO 插层厚度为4 nm,基片温度为450℃时,薄膜的AMR 值达到最大值5. 25%,比以Ta 为缓冲层的Ta ( 4 nm) /Ni81 Fe19( 20 nm) /Ta ( 3 nm) 薄膜的AMR 值提高了60. 6%。微观机制分析表明,坡莫合金薄膜( 111) 织构的增强以及晶粒的增大是AMR值升高的主要原因。

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