D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.017 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 缓冲层对NCo薄膜各向异性磁致电阻的影响 姜宏伟季红周丽萍王艾玲郑鹉 首都师范大学物理系，北京100037 摘要用磁控溅射法制备了以NFCr和Ta分别为缓冲层的两种NCo薄膜样品，在不同温度下对两种样品退火.结果表 明：在NCo厚度相同的情况下，以NiFeCr作为缓冲层的样品的各向异性磁致电阻(AMR)值明显高于Ta作为缓冲层的样品· X射线衍射(XRD)的结果表明，NiFeCr/NiCo薄膜的晶粒平均尺寸大于Ta/NiCo薄膜，且两种样品的磁膜/缓冲层界面存在较 大差异，这可能是造成两者AMR差异的原因.此外，对样品进行温度适当的热处理可以明显改善薄膜的物理性质 关键词磁性薄膜：缓冲层；各向异性磁致电阻：织构：晶粒尺寸 分类号TB383;0488.4+3 Influence of buffer layers on the anisotropic magnetoresistance of NiCo films JIA NG Hongwei,JI Hong.ZHOU Liping,WA NG Ailing.ZHENG Wu Department of Physics,Capital Normal University.Beijing 100037.China ABSTRACT NiCo films were deposited on NiFeCr and Ta buffer layers by using a DC magnetron sputtering system on Si substrates respectively.After deposition the samples were annealed at different temperatures.The structural and magnetic properties were sys- tematically studied.It is shown that the value of anisotropic magnetoresistance (AMR)of the film with a NiFeCr buffer layer is high- er than that of the film with a Ta buffer layer.XRD results indicate that the average grain size of the sample with a NiFeCr buffer layer is larger than that of the sample with a Ta buffer layer,and the situation of the NiCo/NiFeCr interface is different from that of NiCo/Ta.These would be responsible for the difference in AMR between the two kinds of films.A suitable anneal treatment is good for the films. KEY WORDS magnetic thin film:buffer layer:anisotropic magnetoresistance:texture;grain size 铁磁金属及其合金材料的电阻率随电流【和 达到微米、亚微米量级，因此磁性薄膜的退磁场成为 磁化强度M的相对取向不同而发生变化，这种现象 影响器件质量的重要因素，为了减小薄膜退磁场， 被称为各向异性磁致电阻(AMR)效应，其微观机制 就需要减小薄膜厚度，但薄膜的AMR值会随着薄 为基于电子自旋轨道耦合作用的自旋相关散射山， 膜厚度的减小而显著下降.Le等2]报道了采用 AMR薄膜材料的优点是：工艺相对简单，热稳定性 NFCr合金作为缓冲层能沉积出性能更好的坡莫 和环境稳定性好；各种技术条件已经非常成熟：更为 合金薄膜：当NiFe厚度为l2nm时，其各向异性磁 重要的是AMR薄膜能在硅基片上制备，并可直接 致电阻值仍可达到3.0%.所以选择适当的缓冲层 嵌入商业化集成电路单元中，实现了与其他电路之 是解决上述问题的一条有效途径.由于NiFeCr的 间的一体化组装 电阻率大于Ta,还可以减小分流作用，所以NiFeCr 在实际应用中，器件的小型化和集成化趋势对 作为AMR薄膜的新缓冲层材料开始受到人们的关 AMR薄膜提出了较高的要求，由于器件尺寸已经 注[5 基于电流表的实际应用需要，本文研究了饱和 收稿日期：2007-03-08修回日期：2007-04-04 场较大的NiCo薄膜的AMR效应，选择了NiFeCr 基金项目：北京市教委科技发展计划资助项目(N。 和Ta作为缓冲层，制备了不同厚度的NiCo薄膜， KM200510028004):北京市科委科技计划资助项目(No: 在不同温度下对样品进行了退火处理，并对样品 Y0404013040211) 作者简介：姜宏伟(1965一)男，副研究员， AMR值的变化作了比较和分析.所获结果对NiCo E-mail:jhw-phy @mail.cnu.cdu.cn 薄膜在器件中的实际应用提供了有用的参考数据
缓冲层对 NiCo 薄膜各向异性磁致电阻的影响 姜宏伟 季 红 周丽萍 王艾玲 郑 鹉 首都师范大学物理系北京100037 摘 要 用磁控溅射法制备了以 NiFeCr 和 Ta 分别为缓冲层的两种 NiCo 薄膜样品在不同温度下对两种样品退火．结果表 明：在 NiCo 厚度相同的情况下以 NiFeCr 作为缓冲层的样品的各向异性磁致电阻（AMR）值明显高于 Ta 作为缓冲层的样品． X 射线衍射（XRD）的结果表明NiFeCr／NiCo 薄膜的晶粒平均尺寸大于 Ta／NiCo 薄膜且两种样品的磁膜／缓冲层界面存在较 大差异这可能是造成两者 AMR 差异的原因．此外对样品进行温度适当的热处理可以明显改善薄膜的物理性质． 关键词 磁性薄膜；缓冲层；各向异性磁致电阻；织构；晶粒尺寸 分类号 TB383；O488∙4＋3 Influence of buffer layers on the anisotropic magnetoresistance of NiCo films JIA NG HongweiJI HongZHOU LipingW A NG AilingZHENG W u Department of PhysicsCapital Normal UniversityBeijing100037China ABSTRACT NiCo films were deposited on NiFeCr and Ta buffer layers by using a DC magnetron sputtering system on Si substrates respectively．After deposition the samples were annealed at different temperatures．T he structural and magnetic properties were systematically studied．It is shown that the value of anisotropic magnetoresistance （AMR） of the film with a NiFeCr buffer layer is higher than that of the film with a Ta buffer layer．XRD results indicate that the average grain size of the sample with a NiFeCr buffer layer is larger than that of the sample with a Ta buffer layerand the situation of the NiCo／NiFeCr interface is different from that of NiCo／Ta．T hese would be responsible for the difference in AMR between the two kinds of films．A suitable anneal treatment is good for the films． KEY WORDS magnetic thin film；buffer layer；anisotropic magnetoresistance；texture；grain size 收稿日期：2007-03-08 修回日期：2007-04-04 基金 项 目： 北 京 市 教 委 科 技 发 展 计 划 资 助 项 目 （ No． KM200510028004）； 北 京 市 科 委 科 技 计 划 资 助 项 目 （ No． Y0404013040211） 作者简介：姜宏伟（1965—）男副研究员 E-mail：jhw-phy＠mail．cnu．edu．cn 铁磁金属及其合金材料的电阻率随电流 I 和 磁化强度 M 的相对取向不同而发生变化这种现象 被称为各向异性磁致电阻（AMR）效应其微观机制 为基于电子自旋轨道耦合作用的自旋相关散射［1］． AMR 薄膜材料的优点是：工艺相对简单热稳定性 和环境稳定性好；各种技术条件已经非常成熟；更为 重要的是 AMR 薄膜能在硅基片上制备并可直接 嵌入商业化集成电路单元中实现了与其他电路之 间的一体化组装． 在实际应用中器件的小型化和集成化趋势对 AMR 薄膜提出了较高的要求．由于器件尺寸已经 达到微米、亚微米量级因此磁性薄膜的退磁场成为 影响器件质量的重要因素．为了减小薄膜退磁场 就需要减小薄膜厚度但薄膜的 AMR 值会随着薄 膜厚度的减小而显著下降．Lee 等［2—3］ 报道了采用 NiFeCr 合金作为缓冲层能沉积出性能更好的坡莫 合金薄膜：当 NiFe 厚度为12nm 时其各向异性磁 致电阻值仍可达到3∙0％．所以选择适当的缓冲层 是解决上述问题的一条有效途径．由于 NiFeCr 的 电阻率大于 Ta还可以减小分流作用所以 NiFeCr 作为 AMR 薄膜的新缓冲层材料开始受到人们的关 注［4—5］． 基于电流表的实际应用需要本文研究了饱和 场较大的 NiCo 薄膜的 AMR 效应．选择了 NiFeCr 和 Ta 作为缓冲层制备了不同厚度的 NiCo 薄膜 在不同温度下对样品进行了退火处理并对样品 AMR 值的变化作了比较和分析．所获结果对 NiCo 薄膜在器件中的实际应用提供了有用的参考数据． 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．017
514 北京科技大学学报 第30卷 1 AMR值随着磁性层NiCo厚度变化的曲线.从图中 实验方法 可以看出，无论是用Ta还是用NiFeCr作缓冲层， 样品由国产JGP一560B型磁控多靶溅射台制 NCo薄膜的各向异性磁致电阻值随着薄膜厚度的 备，衬底采用(100)Si基片，速率控制在约1nm· 减小而下降，当NiCo薄膜的厚度小于20nm时，它 s1,系统本底真空低于5×10-5Pa、工作气体为高 们的各向异性磁致电阻值都有明显地下降，但在此 纯Ar气、工作气压为0.5Pa,采用Ta靶溅射Ta薄 厚度范围内，以NiFeCr作为缓冲层的NiCo样品的 膜，Ni靶加Co片溅射Nio.74Coo.26薄膜（叙述中用 AMR值明显高于用Ta做缓冲层的NiCo样品的 NiCo代替)，NFe合金靶加Cr片溅射(Nio.81 AMR值，比如，用Ta作缓冲层的NiCo薄膜，当 Feo.19)o.66Cro.34薄膜（叙述中用NiFeCr代替），基 NiCo厚度为12nm时AMR值为2.31%，而用 片用水冷却，镀膜时在平行膜面方向加有约 NiFeCr作缓冲层的同样厚度的NiCo薄膜的AMR 20kAm的磁场.以NiFeCr和Ta分别作为缓冲 值则为3.30%，比前者高了42.8%. 层制备了两个系列的NiCo样品，其中NiCo的厚度 ~般认为，薄膜织构对AMR值有很大影响，合 有变化，即NiFeCr(5nm)/NiCo(tnm)/Ta(3nm)和 适的缓冲层可以使晶粒长大，织构变好，因此对两 Ta(5nm)/NiCo(tnm)/Ta(3nm),其中t=12,15, 种样品进行了结构分析，分别作X射线大角衍射和 20,30和40.在加有80kAm1磁场的真空退火炉 摇摆曲线， 中分别对样品以200,300和400℃的温度退火处理 图2(a)和(b)给出了不同缓冲层的NiCo为 2h.薄膜织构和晶粒尺度由X射线的大角和摇摆 20nm厚的样品经过200℃、2h退火前、后的XRD 曲线的结果测定，薄膜的各向异性磁致电阻AMR 大角衍射图谱.结果发现NiCo薄膜的fcc(111)峰 值采用常规的直流四端法在室温下测量， 退火后强度增加，半峰宽变小.由X射线大角衍射 半峰宽，根据公式D=0.9W△20cos0(其中△20是 2实验结果与讨论 NiCo薄膜(111)峰的半峰宽，入是X射线衍射 通常定义各向异性磁致电阻AMR值的表示 CuKa1的波长，为0.15405nm),可以计算出NiCo 为： 薄膜的平均晶粒尺寸，制备态Ta作缓冲层的样品 △/=(P■-P⊥)/%. 平均晶粒尺寸为11nm,退火后晶粒尺寸增加到 式中，%为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率， 14nm以上；制备态NiFeCr作缓冲层的样品平均晶 P,和P,分别表示外加磁场与电流方向垂直及平行 粒尺寸为14nm,退火后晶粒尺寸增加到l8nm以 时的电阻率.由于理想的退磁状态很难获得，通常 上·同时作两种样品的X射线摇摆曲线，见图2(c) 将%取为： 和()·这些结果都说明晶粒横向、纵向的平均尺寸 P.=(P1+2p⊥)/3 退火后均增大，织构的影响在AMR薄膜材料中较 图1是样品Ta(5nm)/NiCo(tnm)/Ta(3nm) 明显，对于面心立方的NiFeCr和NiCo软磁合金， 和样品NiFeCr(5nm)/NiCo(tnm)/Ta(3nm)的 (111)表面能最小，所以这两种材料容易形成(111) 4.2 织构.一般而言，对于NiFe、NiCo合金薄膜，在厚度 一定时，单一的强(111)织构一般都对应较大的 3.8 b) AMR,而随机取向的薄膜其AMR一般不大[GO]. 3.4 在厚度较小的薄膜中，由于厚度的限制，薄膜的结构 完整性比较差，要想形成单一(111)织构并不容易. 合适的种子层如Ta、NiFeCr都能诱导出很强的 2.6(a)7 NiFe(111)织构. 一般认为，退火可以使薄膜织构变好，晶粒长大 2.2 10 15 202530 3540 晶界减少，消除了缺陷、杂质，降低了电阻率P,使 厚度/mm 退火后的磁性薄膜AMR值会有很大提高，对所有 图1在缓冲层Ta(a)和NiFeCr(b)上制备的NiCo薄膜的AMR 样品做不同温度(200,300和400℃)、2h的退火处 随NCo薄膜厚度变化的关系 理.比较薄膜AMR值的变化规律发现，在200℃、 Fig-I Relation of the AMR ratio of NiCo films deposited on the Ta 2h退火后，两种缓冲层的NiCo磁性薄膜的AMR值 and NiFeCr buffer with the thickness of NiCo 都有约30%的提高：但是随温度继续升高，它们的
1 实验方法 样品由国产 JGP—560B 型磁控多靶溅射台制 备衬底采用（100）Si 基片速率控制在约1nm· s —1系统本底真空低于5×10—5 Pa、工作气体为高 纯 Ar 气、工作气压为0∙5Pa．采用 Ta 靶溅射 Ta 薄 膜Ni 靶加 Co 片溅射 Ni0∙74Co0∙26薄膜（叙述中用 NiCo 代 替）NiFe 合 金 靶 加 Cr 片 溅 射 （Ni0∙81- Fe0∙19）0∙66Cr0∙34薄膜 （叙述中用 NiFeCr 代替）．基 片用 水 冷 却镀 膜 时 在 平 行 膜 面 方 向 加 有 约 20kA·m —1的磁场．以 NiFeCr 和 Ta 分别作为缓冲 层制备了两个系列的 NiCo 样品其中 NiCo 的厚度 有变化即 NiFeCr（5nm）／NiCo（ t nm）／Ta（3nm）和 Ta（5nm）／NiCo（ t nm）／Ta（3nm）其中 t＝1215 2030和40．在加有80kA·m —1磁场的真空退火炉 中分别对样品以200300和400℃的温度退火处理 2h．薄膜织构和晶粒尺度由 X 射线的大角和摇摆 曲线的结果测定薄膜的各向异性磁致电阻 AMR 值采用常规的直流四端法在室温下测量． 2 实验结果与讨论 通常定义各向异性磁致电阻 AMR 值的表示 为： Δρ／ρ0＝（ρ‖—ρ⊥）／ρ0． 式中ρ0 为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率 ρ⊥和 ρ‖分别表示外加磁场与电流方向垂直及平行 时的电阻率．由于理想的退磁状态很难获得通常 将 ρ0 取为： ρav＝（ρ‖＋2ρ⊥）／3． 图1 在缓冲层 Ta（a）和 NiFeCr（b）上制备的 NiCo 薄膜的 AMR 随 NiCo 薄膜厚度变化的关系 Fig．1 Relation of the AMR ratio of NiCo films deposited on the Ta and NiFeCr buffer with the thickness of NiCo 图1是样品 Ta（5nm）／NiCo（ t nm）／Ta（3nm） 和样品 NiFeCr （5nm）／NiCo （ t nm）／Ta （3nm）的 AMR 值随着磁性层 NiCo 厚度变化的曲线．从图中 可以看出无论是用 Ta 还是用 NiFeCr 作缓冲层 NiCo 薄膜的各向异性磁致电阻值随着薄膜厚度的 减小而下降当 NiCo 薄膜的厚度小于20nm 时它 们的各向异性磁致电阻值都有明显地下降．但在此 厚度范围内以 NiFeCr 作为缓冲层的 NiCo 样品的 AMR 值明显高于用 Ta 做缓冲层的 NiCo 样品的 AMR 值．比如用 Ta 作缓冲层的 NiCo 薄膜当 NiCo 厚度为 12nm 时 AMR 值 为 2∙31％而 用 NiFeCr 作缓冲层的同样厚度的 NiCo 薄膜的 AMR 值则为3∙30％比前者高了42∙8％． 一般认为薄膜织构对 AMR 值有很大影响合 适的缓冲层可以使晶粒长大织构变好．因此对两 种样品进行了结构分析分别作 X 射线大角衍射和 摇摆曲线． 图2（a）和（b）给出了不同缓冲层的 NiCo 为 20nm厚的样品经过200℃、2h 退火前、后的 XRD 大角衍射图谱．结果发现 NiCo 薄膜的 fcc（111）峰 退火后强度增加半峰宽变小．由 X 射线大角衍射 半峰宽根据公式 D＝0∙9λ／Δ2θcosθ（其中 Δ2θ是 NiCo 薄膜 （111） 峰的半峰宽λ是 X 射线衍射 Cu Kα1的波长为0∙15405nm）可以计算出 NiCo 薄膜的平均晶粒尺寸．制备态 Ta 作缓冲层的样品 平均晶粒尺寸为11nm退火后晶粒尺寸增加到 14nm以上；制备态 NiFeCr 作缓冲层的样品平均晶 粒尺寸为14nm退火后晶粒尺寸增加到18nm 以 上．同时作两种样品的 X 射线摇摆曲线见图2（c） 和（d）．这些结果都说明晶粒横向、纵向的平均尺寸 退火后均增大．织构的影响在 AMR 薄膜材料中较 明显．对于面心立方的 NiFeCr 和 NiCo 软磁合金 （111）表面能最小所以这两种材料容易形成（111） 织构．一般而言对于 NiFe、NiCo 合金薄膜在厚度 一定时单一的强（111）织构一般都对应较大的 AMR而随机取向的薄膜其 AMR 一般不大［6—10］． 在厚度较小的薄膜中由于厚度的限制薄膜的结构 完整性比较差要想形成单一（111）织构并不容易． 合适的种子层如 Ta、NiFeCr 都能诱导出很强的 NiFe（111）织构． 一般认为退火可以使薄膜织构变好晶粒长大 晶界减少消除了缺陷、杂质降低了电阻率 ρ0使 退火后的磁性薄膜 AMR 值会有很大提高．对所有 样品做不同温度（200300和400℃）、2h 的退火处 理．比较薄膜 AMR 值的变化规律发现在200℃、 2h退火后两种缓冲层的 NiCo 磁性薄膜的 AMR 值 都有约30％的提高；但是随温度继续升高它们的 ·514· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第5期 姜宏伟等：缓冲层对NC0薄膜各向异性磁致电阻的影响 .515. 1000(a) 400 (b) 800F 退火后 300 退火后 《刘出)我票 600 200F 400 制备态 《天)有镜 制备态 100F 200 0- 40 45 50 40 45 50 20() 20() 800 1000 (c) (d) 800 600 退火后 退火后 % 400 制备态 制备态 200- 200 1015 2025303540 10 15 20253035 2e) 20) 图2不同缓冲层NiCo薄膜退火前后的XRD图谱.(a)NiFeCr/NiCo的大角XRD图谱：(b)Ta/NiCo的大角XRD图谱；(e)NiFeCr/NiCo的 摇摆曲线；(d)Ta/NiCo的摇摆曲线 Fig.2 XRD patterns of NiCo films with different buffers before and after annealing:(a)XRD pattern of NiFeCr/NiCo:(b)XRD pattern of Ta/ NiCo:(c)Rocking curve of NiFeCr/NiCo;(d)Rocking curve of Ta/NiCo AMR值都急剧下降，这应该是由于缓冲层与磁性 对传导电子的散射；另一方面则是膜面及磁膜/缓冲 薄膜之间的层间扩散引起的.对300℃退火前后的 层的界面对传导电子的散射， 样品做了磁性测量，结果如图3.退火后Ta作缓冲 为了得到缓冲层/NiCo薄膜的界面信息，在硅 层的磁性薄膜饱和磁化强度M,有明显的减小，而 (100)基片上制备了[Ta(5nm)/NiCo(5nm)]1o、 磁化强度M,减小是由于层间扩散使NCo薄膜部 [NiFeCr(5nm)/NiCo(5nm)]o两个样品，对它们作 分非磁化造成的.NFCr作缓冲层的磁性薄膜饱 漫反射曲线拟合，得到了界面的粗糙度·结果如下： 和磁化强度M,变化不大，但矫顽力有明显增大，这 [NiFeCr(5nm)/NiCo(5nm)]1o多层膜的界面横向 可能是Cr原子的扩散引起的.Cr作为杂质钉扎 关联长度ξ为4000，分形指数是0.4：[Ta(5nm)/ NiCo薄膜畴壁，使畴壁移动受阻，导致其矫顽力H。 NiCo(5nm)]o多层膜的界面横向关联长度ξ为 值增大·Hgra等人系统地研究了杂质原子对坡莫 800,分形指数是0.38.这些结果反映出NiFeCr// 合金AMR效应的影响山)，结果表明坡莫合金的 NiCo多层膜的界面起伏比Ta/NiCo多层膜小，界面 AMR值随Ta,Cr含量增加而迅速下降，在元素周 比较平整，虽然样品的NiCo层做得比较薄（只有 期表中，离Ni近的元素对薄膜各向异性磁致电阻的 5nm),但可以认为这间接给出了两种样品的磁膜/ 影响比离Ni远的元素的影响要小，Cr元素在元素 缓冲层界面信息：不同缓冲层样品的磁膜/缓冲层的 周期表中的位置离Ni显然比Ta要近得多，从实验 界面状况差别很大，以NFCr作为缓冲层的样品， 结果看，以上结论同样适合NiCo薄膜.随着退火温 其磁膜/缓冲层的界面比以Ta作为缓冲层的样品 度升高扩散现象就越严重，到400℃时，Ta作缓冲 的磁膜/缓冲层的界面要“平滑”，这将使得传导电子 层的NiCo薄膜AMR值几乎为零了， 在界面处的“弹性”散射几率增加，这也许是以 实际上，在很薄的薄膜中由于传导电子的平均 NiFeCr为缓冲层的样品的AMR值高于以Ta为缓 自由程和膜厚可以相比，因此对%值的影响主要来 冲层的样品的原因之一. 自两方面：一方面是膜内的应力、缺陷、杂质和晶界
图2 不同缓冲层 NiCo 薄膜退火前后的 XRD 图谱．（a） NiFeCr／NiCo 的大角 XRD 图谱；（b） Ta／NiCo 的大角 XRD 图谱；（c）NiFeCr／NiCo 的 摇摆曲线；（d） Ta／NiCo 的摇摆曲线 Fig．2 XRD patterns of NiCo films with different buffers before and after annealing：（a） XRD pattern of NiFeCr／NiCo；（b） XRD pattern of Ta／ NiCo；（c） Rocking curve of NiFeCr／NiCo；（d） Rocking curve of Ta／NiCo AMR 值都急剧下降．这应该是由于缓冲层与磁性 薄膜之间的层间扩散引起的．对300℃退火前后的 样品做了磁性测量结果如图3．退火后 Ta 作缓冲 层的磁性薄膜饱和磁化强度 Ms 有明显的减小而 磁化强度 Ms 减小是由于层间扩散使 NiCo 薄膜部 分非磁化造成的．NiFeCr 作缓冲层的磁性薄膜饱 和磁化强度 Ms 变化不大但矫顽力有明显增大这 可能是 Cr 原子的扩散引起的．Cr 作为杂质钉扎 NiCo 薄膜畴壁使畴壁移动受阻导致其矫顽力 Hc 值增大．Hgura 等人系统地研究了杂质原子对坡莫 合金 AMR 效应的影响［11］结果表明坡莫合金的 AMR 值随 Ta、Cr 含量增加而迅速下降．在元素周 期表中离 Ni 近的元素对薄膜各向异性磁致电阻的 影响比离 Ni 远的元素的影响要小．Cr 元素在元素 周期表中的位置离 Ni 显然比 Ta 要近得多．从实验 结果看以上结论同样适合 NiCo 薄膜．随着退火温 度升高扩散现象就越严重到400℃时Ta 作缓冲 层的 NiCo 薄膜 AMR 值几乎为零了． 实际上在很薄的薄膜中由于传导电子的平均 自由程和膜厚可以相比因此对 ρ0 值的影响主要来 自两方面：一方面是膜内的应力、缺陷、杂质和晶界 对传导电子的散射；另一方面则是膜面及磁膜／缓冲 层的界面对传导电子的散射． 为了得到缓冲层／NiCo 薄膜的界面信息在硅 （100）基片上制备了 ［ Ta （5nm）／NiCo （5nm）］10、 ［NiFeCr（5nm）／NiCo（5nm）］10两个样品对它们作 漫反射曲线拟合得到了界面的粗糙度．结果如下： ［NiFeCr（5nm）／NiCo（5nm）］10多层膜的界面横向 关联长度ξ为4000分形指数是0∙4；［Ta（5nm）／ NiCo（5nm）］10多层膜的界面横向关联长度 ξ为 800分形指数是0∙38．这些结果反映出 NiFeCr／ NiCo 多层膜的界面起伏比 Ta／NiCo 多层膜小界面 比较平整．虽然样品的 NiCo 层做得比较薄（只有 5nm）但可以认为这间接给出了两种样品的磁膜／ 缓冲层界面信息：不同缓冲层样品的磁膜／缓冲层的 界面状况差别很大．以 NiFeCr 作为缓冲层的样品 其磁膜／缓冲层的界面比以 Ta 作为缓冲层的样品 的磁膜／缓冲层的界面要“平滑”这将使得传导电子 在界面处的“弹性” 散射几率增加．这也许是以 NiFeCr 为缓冲层的样品的 AMR 值高于以 Ta 为缓 冲层的样品的原因之一． 第5期 姜宏伟等： 缓冲层对 NiCo 薄膜各向异性磁致电阻的影响 ·515·
,516 北京科技大学学报 第30卷 (a) 30 30 (b) 20 13015 15 5 10F LPDC 5 -10 -5 05 10 -15-10-5051015 磁场强度kAm) 磁场强度(kAm) 40 (c) (d) 35 35 tw 0 (川量 AM 20 15 15 10 。 0 0 15-10 -5051015 15-10-50510 15 磁场强度/kA,m) 磁场强度/kAm) 图3不同缓冲层NiCo薄膜退火前后的磁滞回线.(a)NiFeCr//NCo制备态；(b)NiFeCr//NiCo退火后：(c)Ta/NCo制备态：(d)Ta/NiCo退火后 Fig.3 Hysteresis loops of NiCo films with different buffer layers before and after annealing:(a)NiFeCr/NiCo film as-deposited:(b)NiFeCr/ NiCo film as annealed:(c)Ta/NiCo film as-deposited:(d)Ta/NiCo film as annealted (Nio.siFeo.19)1-,Cr,IEEE Trans Magn.2000.36(1):381 3 结论 [3]Lee W Y.Toney M F,Tameerug P,et al.High magnetoresis- tance permalloy films deposited on a thin NiFeCr or NiCr under- 制备了用5nmTa和5 nm NiFeCr作为缓冲层 layer.JAppl Phys.2000.87(9):6992 的不同厚度的NCo薄膜，它们的各向异性磁致电 [4]Dai B.Cai J W.Lai W Y.The dependence of exchange bias of 阻都随着NiCo薄膜厚度的减小而减小.用5nm NisiFe19/Ni1oo-:Mn,bilayers on the Mn content and the thick- ness of Nin-Mn Acta Phys Sin.2003,52:478 NiFeCr作缓冲层的较薄的NiCo薄膜，其AMR值 (代波，蔡健旺，赖武彦.Nis1Fe1g/Nioo-,Mnx双层膜的交换偏 比用5nmTa作缓冲层的同样厚度的NiCo薄膜有 置对Nio0-xMn.层Mn成分和厚度的依赖.物理学报，2003， 较大的提高，最大能提高42.8%.XRD结果表明， 52.478) [5]Dai B.Cai J W.Lai W Y.Structural and magnetic properties of 缓冲层NiFeCr与磁性层NiCo薄膜有非常接近的 NiFe/NiMn bilayers with different seed and cap layers.I Magn 晶格常数，这可能使薄膜的晶粒尺寸生长得更大，磁 Magn Mater,2003,257,190 膜/缓冲层的界面更为“平滑”，这些变化使薄膜的 [6]Kitakami O,Okamoto S.Shimada Y.Effect of surface free ener- 电阻率P%减小，从而在薄膜较薄的情况下，以 gy of underlayer materials on erystal growth of Co polyerystalline films.J Appl Phys,1996.79:6880 NiFeCr作缓冲层的NiCo薄膜具有比以Ta作缓冲 [7]Kitada M.Reaction and magnetic properties of Ti/permalloy bi- 层的相同厚度的NCo薄膜大的AMR值，而温度 layer thin films.Thin Solid Films,1985,131:21 适当的后期热处理对薄膜的性质有明显的改善作 [8]Li S X.Yan M L.YuC T,et al.Effect of interface on the prop- erties of Ti/NiFe thin films.J Appl Phys.1994,75:6504 用，在温度200℃、2h退火后，不同缓冲层的NiCo [9]Michelini F.Ressier L.Degauque J,et al.Permalloy thin films 磁性薄膜的AMR值都有约30%的提高，但是随温 on Mgo (001)Epitaxial growth and physical properties.JAppl 度的进一步升高，薄膜的AMR值急剧下降. Phs,2002,92:7337 [10]Gong H.Litvinov D.Klemmer T J.et al.Seed layer effects on 参考文献 the magnetoresistive properties of NiFe films.IEEE Trans [1]Mcguire T R.Pouer R I.Anisotropic magnetoresistance in ferro- Magn,2000,36,2963 magnetic 3d alloys.IEEE Trans Magn.1975.11(4):1018 [11]Nagura H.Saito K,Takanashi K.Influence of third elements [2]Lee W Y,Toney M F,Mauri D.High magnetoresistance in on the anisotropic magnetoresistance in permalloy films.Magn sputtered permalloy thin films through growth on seed layers of Magn Mater,2000.212,53
图3 不同缓冲层 NiCo 薄膜退火前后的磁滞回线．（a） NiFeCr／NiCo 制备态；（b） NiFeCr／NiCo 退火后；（c） Ta／NiCo 制备态；（d） Ta／NiCo 退火后 Fig．3 Hysteresis loops of NiCo films with different buffer layers before and after annealing：（a） NiFeCr／NiCo film as-deposited；（b） NiFeCr／ NiCo film as-annealed；（c） Ta／NiCo film as-deposited；（d） Ta／NiCo film as-annealted 3 结论 制备了用5nm Ta 和5nm NiFeCr 作为缓冲层 的不同厚度的 NiCo 薄膜它们的各向异性磁致电 阻都随着 NiCo 薄膜厚度的减小而减小．用5nm NiFeCr 作缓冲层的较薄的 NiCo 薄膜其 AMR 值 比用5nm Ta 作缓冲层的同样厚度的 NiCo 薄膜有 较大的提高最大能提高42∙8％．XRD 结果表明 缓冲层 NiFeCr 与磁性层 NiCo 薄膜有非常接近的 晶格常数这可能使薄膜的晶粒尺寸生长得更大磁 膜／缓冲层的界面更为“平滑”．这些变化使薄膜的 电阻率 ρ0 减小从而在薄膜较薄的情况下以 NiFeCr 作缓冲层的 NiCo 薄膜具有比以 Ta 作缓冲 层的相同厚度的 NiCo 薄膜大的 AMR 值．而温度 适当的后期热处理对薄膜的性质有明显的改善作 用在温度200℃、2h 退火后不同缓冲层的 NiCo 磁性薄膜的 AMR 值都有约30％的提高但是随温 度的进一步升高薄膜的 AMR 值急剧下降． 参 考 文 献 ［1］ Mcguire T RPouer R I．Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic3d alloys．IEEE T rans Magn197511（4）：1018 ［2］ Lee W YToney M FMauri D．High magnetoresistance in sputtered permalloy thin films through growth on seed layers of （Ni0∙81Fe0∙19）1— xCr x．IEEE T rans Magn200036（1）：381 ［3］ Lee W YToney M FTameerug Pet al．High magnetoresistance permalloy films deposited on a thin NiFeCr or NiCr underlayer．J Appl Phys200087（9）：6992 ［4］ Dai BCai J WLai W Y．The dependence of exchange bias of Ni81Fe19／Ni100— x Mn x bilayers on the Mn content and the thickness of Ni100— xMn x．Acta Phys Sin200352：478 （代波蔡健旺赖武彦．Ni81Fe19／Ni100— xMn x 双层膜的交换偏 置对 Ni100— xMn x 层 Mn 成分和厚度的依赖．物理学报2003 52：478） ［5］ Dai BCai J WLai W Y．Structural and magnetic properties of NiFe／NiMn bilayers with different seed and cap layers．J Magn Magn Mater2003257：190 ［6］ Kitakami OOkamoto SShimada Y．Effect of surface free energy of underlayer materials on crystal growth of Co polycrystalline films．J Appl Phys199679：6880 ［7］ Kitada M．Reaction and magnetic properties of Ti／permalloy bilayer thin films．Thin Solid Films1985131：21 ［8］ Li S XYan M LYu C Tet al．Effect of interface on the properties of Ti／NiFe thin films．J Appl Phys199475：6504 ［9］ Michelini FRessier LDegauque Jet al．Permalloy thin films on MgO （001） Epitaxial growth and physical properties．J Appl Phys200292：7337 ［10］ Gong HLitvinov DKlemmer T Jet al．Seed layer effects on the magnetoresistive properties of NiFe films． IEEE T rans Magn200036：2963 ［11］ Nagura HSaito KTakanashi K．Influence of third elements on the anisotropic magnetoresistance in permalloy films．J Magn Magn Mater2000212：53 ·516· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷