低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究

在硅片上制备结构为Ta/NiFeCr/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的IrMn顶钉扎自旋阀薄膜，并最终制成了一组基于此自旋阀结构的GMR磁传感器芯片。利用弱磁场下的退火工艺，改变薄膜易磁化轴的方向，当退火温度为150℃、外加磁场为120Oe时，GMR芯片的矫顽力可以降至0.2Oe以下。同时建立了一种自旋阀自由层的单畴模型，用以解释这一退火效应。利用Mat-lab计算GMR芯片的Meff-H曲线，所得到的计算结果与实验结果一致。所以，自旋阀自由层易磁化轴的方向与GMR磁传感器的性能有着密切的关系。     

低矫顽力GMR磁传感器及其单畴模型的研究

在硅片上制备结构为Ta/NiFeCr/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/IrMn/Ta的IrMn顶钉扎自旋阀薄膜,并最终制成了一组基于此自旋阀结构的GMR磁传感器芯片。利用弱磁场下的退火工艺,改变薄膜易磁化轴的方向,当退火温度为150℃、外加磁场为120Oe时,GMR芯片的矫顽力可以降至0.2Oe以下。同时建立了一种自旋阀自由层的单畴模型,用以解释这一退火效应。利用Mat-lab计算GMR芯片的Meff-H曲线,所得到的计算结果与实验结果一致。所以,自旋阀自由层易磁化轴的方向与GMR磁传感器的性能有着密切的关系。     

具有CoCrPt硬磁偏置的微尺寸巨磁阻传感器

本文介绍了一种基于GMR自旋阀的磁场传感器,它用于读取磁记录信息,并且通过硬磁偏置层解决了小尺寸GMR中存在的巴克豪森噪声问题. 传感器采用顶钉扎的自旋阀结构的GMR,磁电阻经过优化达到13.2%. 自旋阀的自由层被CoCrPt永磁体磁化到和被钉扎层的磁化方向相互垂直,这样可以使磁传感器得到线性的磁场探测性能. 对磁场传感器经过测试发现,硬磁偏置层在磁化后相较于磁化前,磁传感器的MR-H曲线得到明显改善,且矫顽力降低.     

热稳定自旋阀磁传感器及其性能优化研究

对一种Ta/NiFeCr/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta结构的顶钉扎自旋阀进行了优化.对自旋阀各层材料在整个结构中所起的作用进行了分析,并通过实验,研究自旋阀中每一层的厚度对磁电阻变化率(MR)的影响.最终得到了在80℃下磁电阻变化率高达10.5%的GMR自旋阀.     

基于GMR效应的新型生物传感器研究

制备出了结构为Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta,磁阻变化达9.2%的GMR自旋阀传感器,并用该种传感器对浓度为200 μg/mL、直径2μm的生物免疫磁球溶液进行了检测.实验结果表明,该生物传感器可以对被测生物免疫磁球溶液产生平均350 μV的电压输出信号,随着磁球溶液的继续增加,电压输出信号可以达到最大值450 μV.除去背景干扰信号的影响,由磁球产生的有效电压输出信号为300 μV.此外,交流励磁场的频率的增加也会使输出电压信号减小.     

热稳定自旋阀磁传感器及其性能优化研究

对一种Ta/NiFeCr/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta结构的顶钉扎自旋阀进行了优化。对自旋阀各层材料在整个结构中所起的作用进行了分析,并通过实验,研究自旋阀中每一层的厚度对磁电阻变化率(MR)的影响。最终得到了在80℃下磁电阻变化率高达10.5%的GMR自旋阀。     

热稳定自旋阀磁传感器及其性能优化研究

对一种Ta/NiFeCr/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta结构的顶钉扎自旋阀进行了优化。对自旋阀各层材料在整个结构中所起的作用进行了分析，并通过实验，研究自旋阀中每一层的厚度对磁电阻变化率（MR）的影响。最终得到了在80℃下磁电阻变化率高达10.5%的GMR自旋阀。     

基于GMR效应的新型生物传感器研究

制备出了结构为Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta,磁阻变化达9.2%的GMR自旋阀传感器,并用该种传感器对浓度为200μg/mL、直径2μm的生物免疫磁球溶液进行了检测。实验结果表明,该生物传感器可以对被测生物免疫磁球溶液产生平均350μV的电压输出信号,随着磁球溶液的继续增加,电压输出信号可以达到最大值450μV。除去背景干扰信号的影响,由磁球产生的有效电压输出信号为300μV。此外,交流励磁场的频率的增加也会使输出电压信号减小。     

基于GMR效应的新型生物传感器研究

制备出了结构为Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta，磁阻变化达9.2%的GMR自旋阀传感器，并用该种传感器对浓度为200μg/mL、直径2μm的生物免疫磁球溶液进行了检测。实验结果表明，该生物传感器可以对被测生物免疫磁球溶液产生平均350μV的电压输出信号，随着磁球溶液的继续增加，电压输出信号可以达到最大值450μV。除去背景干扰信号的影响，由磁球产生的有效电压输出信号为300μV。此外，交流励磁场的频率的增加也会使输出电压信号减小。     

底钉扎与顶钉扎结构在磁传感器中应用研究

该文采用高真空磁控溅射技术分别制备了无缓冲层的NiFe/IrMn和IrMn/NiFe及有缓冲层的IrMn/NiFe 3种结构薄膜,并用振动样品磁强计对样品磁性能进行测试。结果表明,直接在Si上淀积NiFe/IrMn和在适当厚度的Ta/NiFe或Cu层作为缓冲层上淀积IrMn/NiFe的2种结构,有很大的交换偏置场。这样大的交换偏置场适合应用于顶钉扎和底钉扎结构的自旋阀巨磁电阻器件。     

自旋阀结构薄膜及其自由层的特性研究

基于自旋阀结构的磁传感器因其优良的性能,在传感器家族中具有越来越重要的地位。在自旋阀磁传感器的研制过程中,自旋阀薄膜的制备与性能优化是其中最为重要的一个环节。具有优良特性的自旋阀薄膜是制造高性能自旋阀磁传感器的重要舢出。本文介绍了自旋阀薄膜的特点和性能参数,介绍了自由层对自旋阀性能的影响,并介绍了如何通过改进自由层结构对自旋阀薄膜的性能进行优化。     

纳米尺度自旋转移矩器件的制备工艺

提出一种改进的自旋转移矩器件的制备工艺:在电子束曝光形成纳米级图形之后,依次采用离子束刻蚀、带胶绝缘层淀积再正胶剥离的图形转移方法,成功制备了纳米柱状赝自旋阀结构磁性多层膜CoFe/Cu/CoFe/Ta,器件的横向尺寸为140nm×70nm。对该结构进行了电磁学性质的测试:在变化范围为-500～+500Oe(1A/m=4π×10-3 Oe)的外加磁场下,观测到巨磁阻效应;在零外加磁场下,施加垂直于膜平面的电流时,观测到电流诱导的磁化翻转效应,其临界电流密度为108 A/cm2量级。该方法具有工艺步骤少、易于实现的特点,在自旋转移矩器件等纳米级器件的制备中具有广泛的应用前景。     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

基于自旋阀结构的磁传感器的研究

自旋阀结构的发现为磁电子学以及磁传感器的研究揭开了新的一页。基于自旋阀结构的磁传感器由于具有灵敏度高、功耗小、高集成度等优点,因此在传感器工业中具有广泛的应用前景。本文介绍了基于自旋阀结构的磁传感器的研究方法。首先介绍了自旋阀结构及其特性,然后介绍了基于自旋阀结构的磁性薄膜的制备方法和结构优化,其次介绍了基于自旋阀薄膜的磁传感器芯片的制造工艺,最后介绍了基于惠斯通电桥结构的自旋阀磁传感器芯片。     

Fe膜及磁场沉积对TbDy-Fe膜磁伸性能的影响

为了提高TbDv-Fe膜的低场磁敏性,采用离子束溅射沉积(IBSD)法制备TbDy-Fe超磁致伸缩薄膜,分别研究了纯Fe膜与TbDy-Fe单层膜、TbDy-Fe/Fe耦合多层膜的复合及磁场下溅射沉积对TbDy-Fe膜磁致伸缩性能的影响;用振动样品磁强计(VSM)测试薄膜磁滞回线,用电容位移测量仪测试薄膜悬臂梁自由端偏转量,并计算出磁致伸缩系数λ.结果表明,由IBSD法制备的纯Fe膜、TbDy-Fe单层膜、TbDy-Fe/Fe复合膜的易磁化轴均平行于膜面,TbDy-Fe/Fe复合膜在低场下的磁化强度与磁导率均高于TbDy-Fe单层膜(在100 kA/m时,TbDy-Fe/Fe复合膜的磁化强度比TbDy-Fe单层膜高173%).纯Fe膜分别与TbDy-Fe单层膜、TbDy-Fe/Fe耦合多层膜进行复合均可提高薄膜磁致伸缩性能;磁场下溅射沉积所得180 nm纯Fe膜 640 nmTbDy-Fe/Fe耦合多层膜,由于在其膜面内短轴方向产生感生磁各向异性,从而使磁致伸缩性能得到进一步的提高,在150 kA/m的磁场下它的λ值可达到650×10-6.     

Ni80Fe20/Cu基磁性多层膜和自旋阀的微结构

用高分辨电子显微学及平行电子能量损失谱方法研究了Ni80Fe20/Cu基磁性多层膜和自旋阀的显微结构.高分辨像显示,磁性多层膜及自旋阀均具有沿薄膜生长方向的柱晶结构.Ni,Fe,Cu和Mn元素的成分分布图显示,柱晶内仍保持完整的层状结构.沿薄膜生长方向的自旋阀元素分布曲线分析表明,NiFe层中的Ni元素沿柱晶晶界向相邻Cu层扩散.讨论了这些低维磁电子学材料的显微结构对磁输运性能的影响.     

用于高灵敏微磁传感器的LMO膜制备与分析

采用溶胶凝胶法制备了LaMnOx(LMO)薄膜,系统研究了不同烧结温度、纵向直流磁场后退火和生长膜层数对LMO薄膜的巨磁阻抗效应的影响。结果表明,烧结温度、膜的层数以及纵向磁场后退火处理均有效提高了LMO的巨磁阻抗比,其中纵向直流磁场后退火处理提高薄膜阻抗比效果最显著,经过10Oe、400℃恒温1h磁场后退火处理后,在频率5MHz、100Oe外磁场下其磁阻抗比达15.8%,相比未后处理样品磁阻抗比提高了一倍,其对应的磁场灵敏度为0.16%/Oe。同时,实验发现磁场后退火不仅影响薄膜的巨磁阻抗比,也会改变阻抗比极大值所对应的激励频率,这一现象目前仍在探究中。     

纳米尺寸自旋阀中电流驱动的自旋波发射

提出了在纳米赝自旋阀中的电流感应自旋传输矩的磁动力学描述,成功地解释了在磁纳米多层结构中的电流驱动微波发射和电流感应磁化翻转现象。自旋流极化由在电导匹配时的自旋流和化学势连续性边界条件决定。自旋矩的纵向和横向分量在自旋阀的电流驱动微波发射和电流感应磁化翻转现象中扮演了不同的角色:纵向自旋矩分量决定了电流感应磁化翻转(CIMS)效应,而横向自旋矩是自旋波发射(SWE)效应所不可缺少的。根据这一理论,由LLG方程自然得到自旋波发射的双模,分别为横向自旋矩引发的X和Y方向的振动,并引起磁多层电阻以频率2w或w(进动频率)随时间变化。磁场和自旋流共同决定了自旋波发射的频率和功率,这一理论预言了某种特殊的磁多层结构,如磁层相互垂直的结构,将具有大得多的微波发射效率,这一结论已经被实验所证实。     

纳米磁多层结构中电流驱动自旋波发射

回顾了纳米磁多层结构中电流感应自旋矩传输和电流驱动磁化矢量进动引起的自旋波发射等新量子效应的研究现状及发展。基于该效应的纳米磁多层微波振荡器件具有结构简单、无须外加磁场、容易集成等特点,在现代通信领域具有广阔的应用前景,备受国内外研究者的关注。介绍了自旋波发射效应的理论处理方法和实验研究进展,讨论了自旋波发射器件的工作原理和铁磁膜的磁化方向、外磁场方向、大小及驱动电流对器件性能的影响。目前研制的器件的效率较低、振荡功率小,采用新的垂直磁化结构有助于解决上述问题。     

纳米磁多层结构中电流驱动自旋波发射

回顾了纳米磁多层结构中电流感应自旋矩传输和电流驱动磁化矢量进动引起的自旋波发射等新量子效应的研究现状及发展。基于该效应的纳米磁多层微波振荡器件具有结构简单、无须外加磁场、容易集成等特点,在现代通信领域具有广阔的应用前景,备受国内外研究者的关注。介绍了自旋波发射效应的理论处理方法和实验研究进展,讨论了自旋波发射器件的工作原理和铁磁膜的磁化方向、外磁场方向、大小及驱动电流对器件性能的影响。目前研制的器件的效率较低、振荡功率小,采用新的垂直磁化结构有助于解决上述问题。