掺杂对Co-Ag颗粒膜结构及电磁性能的影响

摘要

采用FJL560B4型超高真空多靶磁控溅射仪制备CoxAg100-x、Co40(CxAg60-x)、Prx(Co40Ag60)100-x、Dyx(Co40Ag60)100-x系列颗粒膜样品并在高真空中进行了退火处理。采用台阶仪、能谱仪测量了样品的厚度及成分,用 X射线衍射仪和场发射扫描电镜分析了样品的结构和表面形貌,样品的电磁性能由四探针和震动样品磁强计测量。研究了掺杂(C,Pr和Dy)元素以及退火温度对CoxAg100-x颗粒膜结构和电磁性能的影响,得到了以下结论:
　　X射线衍射分析表明:CoxAg100-x颗粒膜随着退火温度的升高,晶粒聚集长大, Ag聚集长大过程中同时存在择优取向。对于Co40(CxAg60-x)颗粒膜,当C含量较少时(x<1.4),C原子在Ag晶格中形成间隙原子,促使Ag原胞膨胀导致晶格常数增大,当C含量较大时(x≥1.4),碳原子替代了Ag(Co)原子,晶格常数减小。Pr、Dy均具有促进Ag和Co的相分离的作用,且Pr具有促进Ag晶粒聚集生长过程中择优取向的作用及Dy元素具有细化Ag晶粒的作用。
　　场发射扫描电镜分析表明:磁性颗粒均匀地分散在 Ag基体中,颗粒界面明显,颗粒形状接近球形,颗粒直径集中在20-40nm范围内分布;稀土Dy不仅可以细化晶粒同时也减小磁性颗粒尺寸大小与平均值的偏差,且磁性颗粒界面更清晰。
　　GMR性能:沉积态 CoxAg100-x颗粒膜 GMR峰值出现在 x=34、300nm(GMR=-13.3％),x=40、225nm(GMR=-12.9%),x=49、d=75nm(GMR=-12.6%)处。Co40(CxAg60-x)颗粒膜GMR效应随着C成分的增加迅速减小;在低场(<300mT)下颗粒膜 GMR效应出现“振荡”的现象,C含量越大,出现“振荡”现象的Co40(CxAg60-x)颗粒膜厚度就越薄,退火温度为 as-deposited、150℃、250℃的Co40(C2.1Ag57.9)颗粒膜GMR效应在低场下都存在“振荡”现象,到350℃时“振荡”现象消失,即低场GMR“振荡”现象与C成分、薄膜厚度、退火温度相关,低场GMR“振荡”现象归因于GMR、OMR、MMR、Co-C的MR这几种正负磁电阻共同作用的结果。
　　Prx(Co40Ag60)100-x颗粒膜GMR效应随着Pr成分的增加先增大然后逐渐降低,当x=1.0时GMR达到最大值。GMR峰值的出现原因是:添加少量的稀土Pr一方面可促进薄膜中晶体的择优取向,减小晶界、缺陷等对电子的散射这使得薄膜电阻中磁电阻成为主要部分;但另一方面,过量的 Pr掺杂,又会在薄膜中引起较多的杂质原子使电子在薄膜的输运过程中杂质原子对电子的散射成为主要的电阻。少量的 Pr掺杂(x≤1.0)可以改善颗粒膜 GMR效应的热稳定性,并可提高GMR效应在低场下(B≤100mT)对磁场的灵敏度其峰值出现在 x=1.0处。对Dyx(Co40Ag60)100-x颗粒膜,GMR值随Dy成分的增加而单调地减少,其原因可归结于:一方面Dy元素具有细化银晶粒,造成薄膜中的晶界增多使晶界对电子的散射增强,导致磁电阻下降;另一方面,重稀土元素Dy的原子磁矩与磁性原子Co的磁矩的方向相反,这减弱了磁性颗粒对输运电子的散射作用,此时颗粒膜导电机制中磁电阻与总电阻之比逐渐减弱,两个因素导致GMR值单调下降。与Pr掺杂一样,少量的Dy可提高薄膜的热稳定性。
　　磁性测量表明:颗粒膜的矫顽力Hc很小,其中CoxAg100-x均小于20Oe。掺杂(C、Pr、Dy)元素导致退磁因子的不同,退磁因子和退磁场与磁化曲线紧密相关,从而出现了磁化曲线不同的形状;同时掺杂使磁性晶粒间相互耦合发生变化,尤其是在磁性与非磁性两相的交界处,存在更多的晶粒结构缺陷,增强了晶粒间畴壁位移的钉扎,即掺杂均提高了颗粒膜的矫顽力,掺杂C、Pr和Dy元素颗粒膜分别对应的矫顽力Hc峰值为40Oe、554Oe和256Oe。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 文献综述

§1.1 巨磁电阻效应的发现及种类

§1.2 磁性金属多层膜及自旋阀结构

§1.3 颗粒膜的巨磁电阻效应

§1.4 磁隧道结中的巨磁电阻效应

§1.5 巨磁电阻效应的机制

§1.6 本论文研究内容及意义

第二章 样品的制备及测量方法

§2.1 样品的制备工艺

§2.2 样品的测量方法简介

第三章 CoxAg100-x颗粒膜的结构及电磁性能

§3.1 CoxAg100-x颗粒膜的微结构

§3.2 CoxAg100-x颗粒膜GMR性能

§3.3 CoxAg100-x颗粒膜磁性能

§3.4 本章小结

第四章 Co40(C xAg60-x)颗粒膜的结构及电磁性能

§4.1 Co40(CxAg60-x)颗粒膜的结构

§4.2 Co40(CxAg60-x)颗粒膜GMR性能

§4.3 Co40(CxAg60-x)颗粒膜磁性能

§4.4 本章小结

第五章 Rx(Co40Ag60)100-x(R=Pr,Dy)颗粒膜的结构及电磁性能

§5.1 制备工艺的选择

§5.2 Pr x (Co40Ag60)100-x颗粒膜的结构及电磁性能

§5.3 Dyx(Co40Ag60)100-x颗粒膜结构及电磁性能

§5.4 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果