纳米结构Co/ZnO颗粒膜的结构、磁性和磁电阻效应

摘要

自从在Fe/Cr金属多层膜中发现巨磁电阻效应以后,人们相继在磁性金属/非磁性材料的多层膜,颗粒膜和磁性隧道结中都发现了磁电阻效应,并且在磁传感器、计算机读头以及磁随机存储器等自旋器件中得以广泛应用。但是金属/绝缘体薄膜中存在一些缺点,如I-V特征曲线过宽、电阻过高和针孔效应的存在,这些不利因素的存在会给材料的应用带来困难。而半导体材料具有较低的势垒高度,能够显著的降低材料的电阻率,通过增加半导体的厚度,可以有效地避免针孔效应。尽管已经有一些研究组报道了磁性金属/半导体薄膜的室温磁电阻效应,但是对如何进一步提高磁电阻值以及对磁电阻的产生机制并没有一致的解释。
　　本文采用磁控溅射超薄 Co和 ZnO层的方法制备了三个系列 Co-ZnO基颗粒膜(GF),研究了具有不同基片温度的GF样品、三明治结构的GF(400℃)/ZnO/GF(RT) GF(RT)样品和ZnO中掺杂Al的三明治结构样品的结构、磁性、磁电阻效应,以及层间耦合作用。主要研究内容如下:
　　(1)在不同基片温度(100℃、200℃、300℃和400℃)下沉积了GF膜,随着基片温度的升高,Co颗粒尺寸增大,薄膜由超顺磁性向铁磁性转变,但是薄膜的室温磁电阻值随着沉积温度的升高迅速减小,通过比较四个不同温度下沉积的薄膜的磁性和磁电阻值,发现低温下沉积的薄膜中磁性颗粒较小,有利于室温磁电阻值的产生,而高温下沉积的薄膜中磁性颗粒较大,有利于改善薄膜的磁性。
　　(2)为了获得兼具大的磁电阻效应和优异磁性的材料,我们设计了同时具有“热”、“冷”GF层的三明治结构薄膜,即GF(400℃)/ZnO(xnm)(RT)/GF(RT)(x=0,20,40 nm)样品,由于顶、底GF层基片温度一“冷”一“热”,导致一个体系中存在两种尺寸不同的 Co颗粒;三明治结构 GF(400℃)/ZnO/GF(RT)样品的电阻可以看作是顶、底“热”“冷”GF层和 ZnO中间层三者电阻并联的结果,其磁电阻值相比室温沉积的 GF薄膜迅速减小,该值更接近“热”GF层,这源于“热”GF层低的电阻值导致整个样品的电流大多流经底层“热”的GF层,而且由于顶、底GF层之间存在着较强的耦合作用,导致样品矫顽力减小。随着 ZnO中间层厚度的增加,顶、底 GF层间耦合作用逐渐减弱,样品的磁电阻值和磁性都得到了一定的改善。
　　(3)在 ZnO中掺入 Al,制备了 GF(400℃)/ZnO/[Co/ZnAlO]10样品,我们发现Al的掺杂能有效调制顶层“冷”[Co/ZnAlO]10层的电阻,使其与底层“热”GF层电阻相当,进而明显改善样品的磁电阻值。
　　总之,我们设计和优化了兼具“热”、“冷”GF层的三明治结构薄膜,在室温下获得了较大的矫顽力和可观的磁电阻值,从而使薄膜兼具优异的磁学和磁电阻性质。该研究将为其在自旋电子学器件的应用奠定很好的基础。

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1 综述

1.1 引言

1.2 正常磁电阻效应

1.3 各向异性磁电阻效应

1.4 巨磁电阻效应

1.5 隧道磁电阻效应

1.6庞磁电阻效应

1.7 铁磁金属/半导体薄膜体系中的磁电阻效应

1.8 本论文的思路以及工作安排

2 薄膜的制备及分析测试

2.1 前言

2.2 薄膜的制备

2.3 薄膜的厚度、成分、结构及其性能分析

3 不同温度下沉积的Co-ZnO颗粒膜的结构和性能分析

3.1 前言

3.2 实验过程

3.3 不同基片温度下沉积的Co-ZnO颗粒膜的结构

3.4 不同基片温度下沉积的Co-ZnO颗粒膜的磁性

3.5 不同基片温度下沉积的Co-ZnO颗粒膜的磁电阻效应

3.6 本章小结

4 三明治结构GF(400℃)/ZnO(xnm)(RT)/GF(RT)薄膜的磁性和磁电阻效应

4.1 前言

4.2 实验过程

4.3 GF(400℃)/ZnO(20nm)(RT)/GF(RT)薄膜

4.4 GF(400℃)ZnO(0nm,20nm,40nm)(RT)/GF(RT)薄膜的比较

4.5 本章小结

5 掺杂Al对GF基薄膜磁电阻效应的影响

5.1 前言

5.2 实验过程

5.3 三明治结构 GF(400℃)/ZnO/[Co/ZnAlO]样品的磁性和磁电阻效应

5.4 ZnO(y nm)/[Co/ZnAlO]10样品的磁电阻效应

5.5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录