L10-FePt薄膜的优化和以其为基的线性磁电阻传感器研究

摘要

在当今信息技术快速发展的时代，如何快速准确的获取信息是首先要解决的问题。传感器作为信息获取与转换的重要手段之一，始终是人们研究的重点。其中磁敏传感器可以利用感应磁场强度来测量位置、方向等物理量而应用于现代工业产品中。目前存在不同类型的磁敏传感器，如：霍尔(Hall)效应传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器和巨磁电阻(GMR)传感器等。但 Hall效应传感器具有功耗大、线性度差的缺陷；AMR传感器线性范围较窄、工艺复杂；而GMR传感器同样也存在线性范围窄、灵敏度低等缺点。相比于这些类型的传感器，隧穿磁电阻(TMR)磁敏传感器具有更好的温度稳定性，更低的功耗，更好的线性度和灵敏度等优点，使其在速度和角度测量以及微小位移测量等方面得到广泛应用。但线性范围较窄的特点限制了其在较大位移测试仪和磁悬浮列车等感应外场会达到特斯拉级的宽场磁敏传感器设备中的应用。本文主要的思路是采取具有高矫顽力和大矩形比的垂直各向异性L10-FePt作为参考层，面内取向软磁材料作为自由层设计并制备上下铁磁层磁矩垂直排列的磁性隧道结，从而实现磁电阻随外场的宽场线性响应。主要内容如下：
　　1. L10-FePt薄膜的制备与优化。在SrTiO3(001)衬底上高温沉积FePt，制备出高垂直取向的L10-FePt薄膜，最大矫顽力可达到2 T，矩形比达到0.99。通过降低沉积温度至450℃，优化出满足隧道结要求的表面均匀平整的 L10-FePt薄膜。同时，在MgO(001)衬底上通过Pt层缓冲作用，制备出矫顽力为7 kOe，矩形比为0.9，表面粗糙度较小的较高垂直各向异性 L10-FePt薄膜。这些材料优化为下一步磁性隧道结的制备打下基础。
　　2. SrTiO3/L10-FePt/ZnO/FePt多层结构磁电阻效应和线性响应研究。在SrTiO3(001)衬底上制备L10-FePt/ZnO/FePt三明治结构，其中L10-FePt为垂直取向参考层，FePt为面内取向自由层，重点研究了多层膜结构磁电阻效应和线性响应关系。在300 K和150 K时分别获得了0.69%和0.77%的磁电阻值，室温下的TMR-H线性区间为±200 Oe，150 K时拓宽为±1000 Oe。
　　3. MgO/Pt/L10-FePt/ZnO/Fe/Pt多层结构磁电阻效应和线性响应研究。在MgO(001)衬底上制备 Pt/L10-FePt/ZnO/Fe三明治结构，其中 Pt为缓冲层，L10-FePt为垂直取向参考层，Fe为面内取向自由层，研究了多层膜的结构、磁性和磁电阻线性关系。在300 K和10 K下磁电阻值分别为0.5%和1.2%，室温时在±5 kOe范围内磁电阻随外磁场表现出较好的线性响应关系，且具有良好的可逆性。
　　总之，在生长出高矫顽力和大矩形比 L10-FePt薄膜基础上，设计并制备出以其为基的上下铁磁层磁矩相互垂直的磁性隧道结，实现了室温下磁场范围为±5 kOe的磁电阻线性响应。这种 L10-FePt基磁敏传感器的设计具有制备工艺简单、下铁磁层自钉扎、线性响应范围大等特点，可以为实现磁性隧道结在宽场线性磁敏传感器上的应用提供一定的实验依据和参考。

目录

1 综述

1.1 前言

1.2 磁电阻效应

1.3 线性磁电阻效应传感器

1.4 本论文的主要研究内容

2 薄膜样品的制备与表征

2.1 前言

2.2 薄膜样品的制备

2.3 薄膜样品的表征设备

3 L10-FePt薄膜的制备与优化

3.1 前言

3.2 实验制备

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 STO/L10-FePt/ZnO/FePt磁性多层膜磁电阻效应及线性响应

4.1 前言

4.2 实验制备

4.3 结果与讨论

4.4 本章结论

5 MgO/Pt/L10-FePt/ZnO/Fe磁性多层膜磁电阻效应和线性响应传感器研究

5.1 前言

5.2 实验制备

5.3 结果与讨论

5.4本章结论

6 结论

参考文献

在学期间的研究成果

致谢