專利名稱：反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料及其制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料及其制備和應(yīng)用，具體是具有高磁電阻數(shù)值、適用于多種基片和制備工藝簡單的鐵和二氧化鈦磁性顆粒薄膜材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自1988年法國科學(xué)家A.Fert的研究組在[Fe/Cr]周期性多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance，GMR)以來，科研工作者先后在[Co/Ag(Ru，Cr)]等磁性金屬多層膜、[NiO/NiFe/Cu/NiFe/Cu/NiO]等自旋閥結(jié)構(gòu)和Cu-Co等顆粒膜結(jié)構(gòu)等非均勻磁系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)。根據(jù)雙電流模型(two-current model)，非均勻磁系統(tǒng)中產(chǎn)生GMR效應(yīng)的主要物理機(jī)制是電子的自旋相關(guān)散射(spin-dependent scattering)，即自旋向上和向下的輸運(yùn)電子的平均自由程不同。此外，鐵磁金屬/絕緣體/鐵磁金屬三明治結(jié)構(gòu)的磁隧道結(jié)(magnetic tunneljunctions，MTJ)和鐵磁金屬一絕緣體結(jié)構(gòu)的磁性顆粒薄膜也可以產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)，由于在磁隧道結(jié)和磁性顆粒薄膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)中，電子的輸運(yùn)機(jī)制是隧穿效應(yīng)，這種巨磁電阻效應(yīng)通常也被稱為隧穿型磁電阻(tunnel magnetoresistance，TMR)。
在具有絕緣體夾層的磁性隧道結(jié)或自旋閥的矯頑力場附近，絕緣層兩側(cè)的自旋極化率分別為P1、P2的兩鐵磁層之間的磁化強(qiáng)度的方向相反，材料的磁電阻可表示為MR＝2P1P2/(1+P1P2)(1)當(dāng)相鄰的兩鐵磁層為同一種磁性材料時，公式簡化為MR＝2P2/(1+P2)(2)其中，P為該鐵磁材料的自旋極化率。而在磁性顆粒薄膜中，由于在矯頑力場附近，鐵磁顆粒通常隨機(jī)取向，其磁電阻可表示為MR＝P2/(1+P2) (3)因此，通常磁性顆粒薄膜的磁電阻遠(yuǎn)小于磁性自旋閥或隧道結(jié)。
巨磁電阻效應(yīng)和隧穿型磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)以來，由于具有高磁場靈敏度，很快被廣泛應(yīng)用到計算機(jī)讀出磁頭、微弱磁場檢測、位置檢測等等磁敏傳感器件，涉及信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物等學(xué)科領(lǐng)域。特別是最近10多年來，對磁電阻材料的應(yīng)用開發(fā)取得迅速的進(jìn)展，收到明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
目前所采用的磁電阻材料多為自旋閥結(jié)構(gòu)，例如，中國專利CN1684145A“磁電阻效應(yīng)膜及其制造”(申請?zhí)朇N200410074144.8)，CN1603454A“一種可提高巨磁電阻效應(yīng)的自旋閥制備方法”(申請?zhí)朇N200410067585.5)，CN1591580A“磁電阻效應(yīng)膜，磁電阻效應(yīng)磁頭和固態(tài)存儲器”(申請?zhí)朇N200410058665.4)，CN1595676A“磁電阻效應(yīng)元件、磁頭、磁懸掛組件和磁還原設(shè)備”(申請?zhí)朇N200410077156.6)，CN1604355A“磁電阻效應(yīng)元件、磁頭和磁再現(xiàn)設(shè)備”(申請?zhí)朇N200410083163.7)等等。這種結(jié)構(gòu)的磁電阻材料通常由襯底/緩沖層/鐵磁層/Cu/鐵磁層/反鐵磁/覆蓋層組成，其缺點(diǎn)是體積大，制備工藝復(fù)雜，各層材料間的擴(kuò)散容易影響材料性能的穩(wěn)定等。因此，為克服自旋閥結(jié)構(gòu)的上述缺點(diǎn)，必須尋找一種具有高磁電阻效應(yīng)、體積小、制備簡單的磁性材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料和應(yīng)用，在矯頑力場附近，其磁性顆粒間存在反鐵磁耦合，使該磁性顆粒薄膜具有高磁電阻數(shù)值，并且，該薄膜材料具有制備工藝簡單、適用于多種基片等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料的制備方法。
本發(fā)明提供的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料是在基片上制成的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜，組成為Fex(TiO2)1-x，其中x為材料中鐵的金屬顆粒所占的體積百分比，0.40＜x＜0.76，優(yōu)選x＝0.45～0.50。磁性顆粒薄膜的厚度為300nm，其中TiO2為非晶態(tài)，F(xiàn)e金屬顆粒的直徑在4～34納米。
本發(fā)明所述的基片是玻璃、石英、聚酯、單晶硅、單晶砷化鎵等。
為了精確控制薄膜的成份和厚度，先固定鈦靶的直流濺射功率，在不同的鐵靶直流濺射功率條件下，制備出不同鐵含量的厚度約為300納米的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜，然后用X射線熒光譜儀測定材料的成份，用透射電子顯微鏡斷面掃描的方法確定材料的厚度。以此為依據(jù)，通過控制鐵靶的功率和薄膜的濺射時間，分別精確控制Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜材料的成份和厚度，從而得到最佳效果。
本發(fā)明的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜的制備方法經(jīng)過下述步驟1)采用通用的超高真空磁控濺射鍍膜機(jī)，在靶臺上安裝純度均為99.99％的鐵和鈦靶材，鐵靶材的厚度為2.5mm，直徑為60mm，鈦靶材的厚度為5.0mm，直徑為60mm。
2)將基片清洗、烘干后，安裝在基片轉(zhuǎn)臺上，基片與鐵靶和鈦的距離為8cm。
3)抽真空，使濺射真空室的背底真空度優(yōu)于3×10-7torr。
4)將99.999％的高純度的氬氣通入真空室，氬氣流量為10sccm。
5)在真空度下降為3×10-4Torr時，將超高真空閘板閥的開啟度設(shè)定為20％。
6)將99.999％的高純度的氧氣通入真空室，氧氣流量為6.0sccm。
7)待真空度穩(wěn)定后，調(diào)整鐵和鈦兩個靶向中心位置傾角30度，在鈦靶上設(shè)定為200瓦的直流功率，鐵靶上設(shè)定100～150瓦的直流功率，預(yù)濺射10～15分鐘。
8)打開鈦靶和基片的擋板濺射成膜2分鐘，基片以20～25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，基片不加溫。
9)再打開鐵靶擋板與鈦靶共同濺射成膜，基片以20～25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，基片不加溫。
10)濺射沉積完成后，關(guān)閉鐵靶和鈦靶的直流電源，繼續(xù)保持相同流量的氬氣和氧氣半小時。
11)關(guān)閉分子泵和機(jī)械泵，打開真空室，取出所制備的薄膜樣品。
本發(fā)明所述的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜材料，可用來制作計算機(jī)讀出磁頭、磁隨機(jī)存儲器、微弱磁場檢測、位置檢測等磁敏傳感器件。
本發(fā)明制備得到的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜材料具有較高的室溫磁電阻數(shù)值。如3K和300K的最大磁電阻數(shù)值分別為-29.3％和-10.6％。本發(fā)明制備工藝簡單、成本低、適用于多種基片等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是實(shí)施例1所制備的厚度為300nm的Fe0.46(TiO2)0.54薄膜在2K～350K溫度范圍內(nèi)，零磁場冷卻(ZFC)和帶場冷卻(FC)的磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。
圖2是實(shí)施例1制備的厚度為300nm的Fe0.46(TiO2)0.54薄膜在溫度為3K時的磁電阻。
圖3是鐵金屬顆粒體積百分比x分別為0.46和0.54，厚度為300nm的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜在3～300K溫度范圍內(nèi)的磁電阻數(shù)值。
圖4是鐵金屬顆粒體積百分比x分別為0.46和0.76，厚度為300nm的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜的X射線衍射譜。
具體實(shí)施例方式
下面將通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜中的隧穿型磁電阻效應(yīng)是材料的一種非本征性能，與材料中鐵顆粒的金屬體積百分比、顆粒大小、顆粒間的相互作用、薄膜厚度等因素密切相關(guān)。本發(fā)明利用直流磁控濺射方法，在玻璃、石英、聚酯、單晶硅、單晶砷化鎵等基片上，通過在制備過程中調(diào)節(jié)鐵靶的濺射功率，得到不同鐵金屬顆粒體積百分比的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜材料。
實(shí)施例11)采用中國科學(xué)院沈陽科儀中心的DPS-III型超高真空磁控濺射鍍膜機(jī)，在靶臺上安裝純度均為99.99％的鐵和鈦靶材，鐵靶材的厚度為2.5mm，直徑為60mm，鈦靶材的厚度為5.0mm，直徑為60mm。
2)將基片清洗、烘干后，安裝在基片轉(zhuǎn)臺上，基片與鐵靶的距離為8cm。
3)抽真空，使濺射真空室的背底真空度優(yōu)于3×10-7torr。
4)將99.999％的高純度的氬氣通入真空室，氬氣流量為10sccm。
5)在真空度下降為3×10-4Torr時，將超高真空閘板閥的開啟度設(shè)定為20％。
6)將99.999％的高純度的氧氣通入真空室，氧氣流量為6.0sccm。
7)待真空度穩(wěn)定后，調(diào)整鐵和鈦兩個靶向中心位置傾角30度，在鈦靶上設(shè)定為200瓦的直流功率，鐵靶上設(shè)定100瓦的直流功率，預(yù)濺射15分鐘。
8)打開鈦靶和基片的擋板濺射成膜2分鐘，基片以25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，基片不加溫。
9)再打開鐵靶擋板與鈦靶共同濺射成膜，基片以25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，基片不加溫。
10)濺射沉積完成后，關(guān)閉鐵靶和鈦靶的直流電源，繼續(xù)保持相同流量的氬氣和氧氣半小時。
11)關(guān)閉分子泵和機(jī)械泵，打開真空室，取出所制備的薄膜樣品。
測試結(jié)果采用JOEL公司生產(chǎn)的型號為JSX-3201Z的X射線熒光譜儀測量了實(shí)施例1所制備的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜的成份，計算出鐵金屬顆粒所占的體積百分比x為0.46，因此，樣品的組成為Fe0.46(TiO2)0.54。
利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的MPMS-5型超導(dǎo)量子干涉儀，分別在0.1kOe、0.5kOe和2kOe的磁場和2K～350K的溫度范圍內(nèi)，測量了實(shí)施例1所制備的Fe0.46(TiO2)0.54薄膜的零磁場冷卻(ZFC)和帶場冷卻(FC)的磁化強(qiáng)度，結(jié)果見圖1。結(jié)合該樣品磁化曲線的測量，證明樣品中的鐵金屬顆粒間存在著反鐵磁耦合。
利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的物理性質(zhì)測量儀PPMS-9，測量了實(shí)施例1制備的Fe0.46(TiO2)0.54薄膜在3～300K溫度范圍內(nèi)的磁電阻，其3K的磁電阻高達(dá)29.3％，見圖2，該磁電阻數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了公式(3)根據(jù)鐵的0.44的自旋極化率給出的極限值～16％，接近公式(2)給出的含鐵的材料的最高磁電阻數(shù)值～32％，從而也間接證明了樣品中的鐵金屬顆粒間存在的反鐵磁耦合。其3K～300K的磁電阻數(shù)值見圖3，圖中可以看到，F(xiàn)e0.46(TiO2)0.54薄膜的室溫磁電阻為-10.6％。表1中列出了Fe0.46(TiO2)0.54薄膜在3～300K溫度范圍內(nèi)的磁電阻數(shù)值。
表1Fe0.46(TiO2)0.54薄膜在3～300K溫度范圍內(nèi)的磁電阻數(shù)值

圖4(a)給出了本實(shí)施例1所制備的厚度為300nm的Fe0.46(TiO2)0.54薄膜的X射線衍射圖，為了便于對比，圖4(c)中同時給出了體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe的標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射譜。從圖4(a)中可以看出，F(xiàn)e0.46(TiO2)0.54薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，根據(jù)鐵(110)衍射峰的半峰寬度，利用Scherrer公式計算出的顆粒尺度在4.1nm。
實(shí)施例2鐵靶上加以設(shè)定為120瓦的直流功率，其它操作條件同實(shí)施例1制備出鐵的體積比x為0.54的Fe0.54(TiO2)0.46薄膜。
利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的物理性質(zhì)測量儀PPMS-9，測量了實(shí)施例2制備的Fe0.54(TiO2)0.46薄膜在2～300K溫度范圍內(nèi)的磁電阻，其2K的磁電阻為-15.3％，室溫磁電阻數(shù)值為-3.8％，見圖3。
實(shí)施例3鐵靶上加以設(shè)定為150瓦的直流功率，其它操作條件同實(shí)施例1制備出鐵的體積比x為0.76的Fe0.76(TiO2)0.24薄膜。
圖4(b)給出了本實(shí)施例3所制備的厚度為300nm的Fe0.76(TiO2)0.24薄膜的X射線衍射圖，根據(jù)鐵(110)衍射峰的半峰寬度，利用Scherrer公式計算出的顆粒尺度在33.9nm。
利用美國Quantum Design公司生產(chǎn)的物理性質(zhì)測量儀PPMS-9，測量了實(shí)施例3制備的Fe0.76(TiO2)0.24薄膜在2～300K溫度范圍內(nèi)的磁電阻，其2K的磁電阻為-4.7％，室溫磁電阻數(shù)值為-1.5％。表明隨著Fe金屬體積比的增加，F(xiàn)ex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜的磁電阻減小。
本發(fā)明制備的Fex(TiO2)1-x磁性顆粒薄膜具有高磁電阻數(shù)值、制備工藝簡單、適用于多種基片等優(yōu)點(diǎn)?？捎脕碇谱饔嬎銠C(jī)讀出磁頭、磁隨機(jī)存儲器、微弱磁場檢測、位置檢測等磁敏傳感器件。
權(quán)利要求
1.一種反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料，其特征在于它是在基片上制成的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜，磁性顆粒薄膜的組成為Fex(TiO2)1-x，其中x為材料中鐵的金屬顆粒所占的體積百分比，0.40＜x＜0.76，F(xiàn)e金屬顆粒的直徑在4～34納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性顆粒薄膜材料，其特征在于x＝0.45～0.50。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性顆粒薄膜材料，其特征在于所述的磁性顆粒薄膜的厚度為300nm。
4.權(quán)利要求1所述的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟1)采用超高真空磁控濺射鍍膜機(jī)，在靶臺上安裝純度均為99.99％的鐵和鈦靶材，鐵靶材的厚度為2.5mm，直徑為60mm，鈦靶材的厚度為5.0mm，直徑為60mm；2)將基片清洗、烘干后，安裝在基片轉(zhuǎn)臺上，基片與鐵靶的距離為8cm；3)抽真空，使濺射真空室的背底真空度優(yōu)于3×10-7torr；4)將99.999％的高純度的氬氣通入真空室，氬氣流量為10sccm；5)在真空度下降為3×10-4Torr時，將超高真空閘板閥的開啟度設(shè)定為20％；6)將99.999％的高純度的氧氣通入真空室，氧氣流量為6.0sccm；7)待真空度穩(wěn)定后，調(diào)整鐵和鈦兩個靶向中心位置傾角30度，在鈦靶上設(shè)定為200瓦的直流功率，鐵靶上設(shè)定100～150瓦的直流功率，預(yù)濺射10～15分鐘；8)打開鈦靶和基片的擋板濺射成膜2分鐘，基片以20～25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，基片不加溫；9)再打開鐵靶擋板與鈦靶共同濺射成膜，基片以20～25轉(zhuǎn)/分鐘的速率均勻旋轉(zhuǎn)，基片不加溫；10)濺射沉積完成后，關(guān)閉鐵靶和鈦靶的直流電源，繼續(xù)保持相同流量的氬氣和氧氣半小時；11)關(guān)閉分子泵和機(jī)械泵，打開真空室，取出所制備的薄膜樣品。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料的制備方法，其特征在于使用直流磁控濺射法制備，沉積過程中基片不加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料的制備方法，其特征在于在鈦靶先于鐵靶成膜2分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料的制備方法，其特征在于所用基片為玻璃、石英、聚酯、單晶硅或單晶砷化鎵材料。
8.權(quán)利要求1所述的反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料的應(yīng)用，其特征在于可用來制作計算機(jī)讀出磁頭、磁隨機(jī)存儲器、微弱磁場檢測或位置檢測的磁敏傳感器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及反鐵磁耦合的磁性顆粒薄膜材料及其制備和應(yīng)用，組成為Fe
文檔編號H01L43/00GK1805081SQ20061001305
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月16日
發(fā)明者劉暉, 王健, 王雅欣 申請人:南開大學(xué)