巨磁电阻薄膜的电化学制备、表征及磁性能研究

摘要

本论文第一部分采用控电位电沉积法，在n-Si(111)晶面上制备了NiFe合金薄膜，并确定了获得Ni80Fe20合金的工艺条件以及对应的电流效率。由SEM表面形貌分析可得，当薄膜的名义厚度大于25nm时，可形成连续性镀层。I-t暂态曲线及STM测试结果表明，NiFe薄膜在低过电位下以三维岛状模式生长，在高过电位下以二维层状模式生长，其RMS表面粗糙度最小值仅为5.0A。XRD谱图表明，薄膜为(fcc)-Ni基固溶体结构，并具有明显的(111)晶面择优取向。采用四探针法研究了薄膜各向异性磁电阻(AMR)效应，发现当薄膜组成为Ni80Fe20时，可获得最大AMR值1.8％。 第二部分采用单槽控电位双脉冲技术，在n-Si(111)晶面上电沉积[NiFe/Cu]n多层膜。采用SEM观测了多层膜的断面形貌。采用小角度XRD表征了多层膜超晶格结构，并通过卫星峰位置估算了多层膜的实际调制波长。通过四探针法测试了多层膜的巨磁电阻(GMR)性能。研究表明，多层膜的GMR值随着Cu层厚度的增加发生周期性振荡，随着NiFe层厚度和周期数的增加先增大后减小。当多层膜结构为[NiFe(1.6nm)/Cu(2.6nm)]80时，GMR值可达6.4％，多层膜的最低饱和磁场仅为750Oe。采用VSM测试了多层膜的磁滞回线，分析了层间交换耦合效应对磁性能的影响。 论文的最后部分首次采用双槽控电位电沉积法制备了[NiFe/Cu/Co/Cu]n自旋阀多层膜，研究Cu、NiFe、Co子层厚度、周期数及缓冲层厚度对自旋阀GMR性能的影响，并结合磁电阻曲线分析了矫顽力差和层间耦合对自旋阀GMR效应的作用机制。当自旋阀结构为[NiFe(2.8nm)/Cu(3.6nm)，/Co(1.2nm)/Cu(3.6nm)]40时，可获得最大GMR值5.7％。与Cu/Co、NiFe/Cu多层膜相比，自旋阀的饱和磁场可降低至350Oe，磁电阻灵敏度提高至0.2％/Oe。高角XRD谱图表明自旋阀可形成超晶格结构，采用广角XRD研究了缓冲层对自旋阀的生长取向的影响，结果表明自旋阀(111)晶面择优取向随着缓冲层厚度的增大而增强。VSM结果表明，自旋阀多层膜具有典型的台阶状磁滞回线，并证明了相邻磁层的矫顽力差是自旋阀GMR效应的起因。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1纳米材料概述

1.2磁电阻(MR)效应

1.2.1各向异性磁电阻(AMR)效应

1.2.2巨磁电阻(GMR)效应

1.2.3隧道巨磁电阻(TMR)效应

1.2.4超巨磁电阻(CMR)效应

1.3巨磁电阻材料的分类

1.3.1纳米金属多层膜(人工超晶格)

1.3.2不连续多层膜

1.3.3自旋阀多层膜

1.3.4纳米金属颗粒膜

1.3.5纳米金属多层线

1.4巨磁电阻材料的应用

1.4.1巨磁电阻传感器

1.4.2巨磁电阻高密度读出磁头

1.4.3巨磁电阻随机磁存储器(MRAM)

1.4.4磁电子学器件

1.5纳米金属多层膜与自旋阀的比较

1.5.1理论基础

1.5.2影响因素

1.6纳米金属多层膜和自旋阀的制备方法

1.6.1物理法

1.6.2化学法

1.6.3电化学方法

1.7纳米金属多层膜和自旋阀的研究现状

1.7.1纳米金属多层膜研究进展

1.7.2自旋阀的研究进展

1.8 GMR材料的发展趋势

1.9本论文的工作

1.9.1 NiFe合金薄膜的制备

1.9.2 NiFe/Cu多层膜的制备、表征及磁性能研究

1.9.3[NiFe/Cu/Co/Cu]n自旋阀多层膜的制备、表征及磁性能研究

第二章实验方法

2.1 Ni-Fe合金的制备

2.1.1实验仪器

2.1.2实验装置图

2.1.3电镀工艺

2.2 Ni-Fe合金镀层成分分析方法

2.2.1仪器与试剂

2.2.2铁标准曲线的绘制

2.2.3镍标准曲线的绘制

2.2.4试样的分析

2.2.5电流效率计算方法

2.3 NiFe/Cu多层膜的制备

2.3.1实验仪器

2.3.2电镀工艺

2.3.3实验方法

2.4[NiFe/Cu/Co/Cu]n自旋阀多层膜的制备

2.4.1实验仪器和装置

2.4.2电镀工艺

2.4.3工艺过程

2.5镀层形貌和结构的表征

2.5.1扫描电镜(SEM)分析

2.5.2扫描隧道显微镜(STM)分析

2.5.3原子力显微镜(AFM)分析

2.5.4 X-射线衍射(XRD)分析

2.6循环伏安曲线测试

2.7磁电阻性能测试

2.8磁滞回线测试

第三章半导体硅上电沉积NiFe合金薄膜

3.1电沉积NiFe合金工艺的研究

3.1.1镍离子浓度对镀液阴极极化曲线的影响

3.1.2 pH对镀液阴极极化曲线的影响

3.1.3镍离子浓度对镀层成分和电流效率的影响

3.1.4 pH对镀层成分和电流效率的影响

3.1.5沉积电位对镀层成分和电流效率的影响

3.2电流—时间曲线分析

3.3 STM表面形貌分析

3.4 SEM形貌分析

3.5 NiFe合金薄膜的结构分析

3.6 NiFe合金薄膜的AMR效应

3.6.1沉积电位对NiFe合金AMR效应的影响

3.6.2沉积时间对NiFe合金AMR效应的影响

第四章单槽法电沉积NiFe/Cu多层膜

4.1 NiFe/Cu多层膜的制备

4.1.1铜离子浓度对阴极极化曲线的影响

4.1.2铜沉积电位对沉积电流的影响

4.1.3电流-时间曲线

4.2 NiFe/Cu多层膜沉积机理的研究

4.2.1 NiFe的沉积机理

4.2.2 Cu的沉积机理

4.3 NiFe/Cu多层膜的成核生长方式

4.4 NiFe/Cu多层膜的SEM形貌表征

4.4.1制样

4.4.2多层膜断面形貌

4.5 NiFe/Cu多层膜的XRD结构表征

4.6 NiFe/Cu多层膜的巨磁电阻效应

4.6.1 Cu层厚度对多层膜GMR性能的影响

4.6.2 NiFe层厚度对多层膜GMR性能的影响

4.6.3周期数对多层膜GMR性能的影响

4.7 NiFe/Cu多层膜的磁性能

第五章电沉积[NiFe/Cu/Co/Cu]n自旋阀多层膜

5.1 [NiFe/Cu/Co/Cu]n自旋阀多层膜的制备

5.1.1沉积电位的确定

5.1.2电流时间曲线

5.2 [NiFe/Cu/Co/Cu]n自旋阀多层膜的GMR性能

5.2.1自旋阀多层膜的磁电阻曲线

5.2.2 Cu层厚度对巨磁电阻性能的影响

5.2.3 NiFe层厚度对巨磁电阻性能的影响

5.2.4 Co层厚度对巨磁电阻性能的影响

5.2.5周期数对巨磁电阻性能的影响

5.2.6缓冲层厚度对巨磁电阻效应的影响

5.3自旋阀多层膜的XRD结构表征

5.4自旋阀多层膜的生长取向

5.4.1缓冲层厚度对自旋阀生长取向的影响

5.4.2缓冲层沉积电位对自旋阀生长取向的影响

5.5自旋阀多层膜的磁性能

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和科研情况

致 谢