D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1997.04.031 第19卷第4期 北京科技大学学报 Vol.19 No.4 1997年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1997 低饱和场巨磁电阻金属多层膜 NisoFe2.o/Cu的结构与磁电阻* 姜宏伟)阁明朗) 赖武彦)柴春林 0朱逢吾2) 1)中国科学院物理研究所，北京1000802)北京科技大学应用科学学院，北京100083 摘要采用磁控溅射方法，获得了具有低饱和场巨磁电阻的Ni,F,/Cu金属多层膜.在室温下，其 磁电阻和层间耦合状态随Cu层厚度的增加呈振荡变化.在Cu层厚度a=l.0nm,2.2m时磁电 阻出现2个峰值分别为19.4%和11.7%，饱和场约为6.4x10Am和8x103Am,低温下(77K)磁电 阻为33.2%和27.6%.系统地研究了iF层厚度和周期数对多层膜磁电阻的影响.用真空退火方 法对样品进行热处理，发现多层膜的磁电阻性能有明显改变. 关键词低饱和场，巨磁电阻，多层膜 中图分类号TM271 自1988年Baibich等人W,在Fe/Cr金属多层膜中发现“巨磁电阻效应”(Giant magnetoresistance effect缩略为GMR)以来，具有低饱和场、高磁电阻比率的磁性金属多层膜 系统一直是人们研究的热点，这类人工材料在超高密度磁记录技术中有着极为重要的应用. 最早用磁控溅射方法制取并研究Ni-Fe/Cu多层膜的是S.S.Parkin,他发现多层膜中 相邻F层之间的耦合状态，随着Cu层厚度的增加从铁磁耦合到反铁磁耦合反复变化，磁 电阻也相应产生振荡变化.Nakatani等人在同样的系统中获得了类似的结果.通常认为，在 具有巨磁电阻效应的金属多层膜系统中，发生在磁层和非磁层间的界面处的电子自旋相关散 射起主要作用.S.A.Hossain等人研究了NiFeCo/Cu多层膜的热处理，发现适当的退火处 理可以明显地改善磁电阻特性和热稳定性.这对低饱和场GMR材料的实用化很有意义 本文系统地研究了N,F©/Cu金属多层膜，采用磁控溅射方法制备了具有典型的巨磁电 阻振荡现象的样品，并初步探索了多层膜的热处理效应， 1样品制备 样品是在磁控溅射仪上制备的.该设备有3个直流靶和】个射频(R靶，有16个基片位 置.即每抽一次真空可以制备16个样品.这有效地保证了实验数据的-一致性和可比性， 系统的本底真空高于5×10-5Pa,工作气体为高纯氩气，溅射气压为2.5×10-Pa.基片 1997-05-24收稿第一作者男30岁博士 ·中国科学院K951-A-401基金资助课题
第 19 卷 第4 期 1 9 9 7 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s i ty o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 1 9 N o . 4 A u g . 1 9 7 低饱和 场 巨磁 电阻金属 多层膜 N i 8 0F e 2 0 /C u 的结构 与磁 电阻 ’ 姜宏 伟 `) 阎 明 朗 `) 赖 武彦 2 ) 柴春林2) 朱逢吾2) l ) 中国科学院物理研究所 , 北京 10 0 0 5 0 2 ) 北京科技大学应用 科学学院 , 北京 10 0 0 5 3 摘要 采用 磁控溅射方法 , 获得 了具 有低饱 和 场巨磁 电阻的 瓦80 eF oz/ uC 金属多层膜 · 在室温下 , 其 磁 电阻和层 间藕合状态 随 C u 层厚度 的增加呈 振荡变化 . 在 C u 层厚度 lcu =l . o nl , .2 2 nm 时磁 电 阻出现 2 个峰值分别为 19 .4 % 和 1 7 % , 饱 和场约为 6 . 4 xl 0 4月 In 和 8 x 10 3 户“ 111 , 低温下 (7 )K 磁 电 阻为 3 . 2 % 和 27 . 6 % . 系统地研究了 预 eF 层厚度和 周期数对多层膜磁电 阻 的影响 . 用 真空退火方 法对样 品进行热处理 , 发现 多层膜 的磁 电阻性能有明显改变 . 关键词 低饱和场 , 巨磁 电阻 , 多层膜 中图分类号 T M 2 7 1 自 19 8 年 B ia ib ch 等 人 1 , 在 eF c/ r 金 属 多 层 膜 中 发 现 “ 巨 磁 电 阻 效 应 · (。 an m ag ne ot er is at cn e e fe ct 缩 略为 G M )R 以 来 , 具有 低 饱和 场 、 高磁 电阻 比率 的磁性 金 属多层 膜 系 统一 直是人 们研 究 的热点 . 这类 人工 材料 在超高 密度 磁记 录技 术 中有着 极为 重要 的应用 . 最 早 用磁 控 溅射 方法 制取 并 研究 瓦 一 eF c/ u 多 层膜 的是 5 . s . aP r ik nlz 〕 , 他 发现多 层膜 中 相邻 惭 eF 层 之 间的藕合状 态 , 随着 C u 层 厚 度的 增加 从铁磁 藕合到 反铁 磁祸 合反复变化 , 磁 电阻 也 相应 产 生振 荡 变化 . aN ak at in 等 人 3[] 在 同样 的系统 中获得 了类 似 的结 果 . 通常 认为 , 在 具有 巨 磁 电阻 效应 的金 属多 层膜 系统 中 , 发 生在磁 层 和非磁 层 间 的界面处 的电子 自旋 相 关散 射起 主要 作 用川 . S . A . H os s ia n 等 人 5[] 研究 了 预 eF C o/ C u 多层 膜 的 热处理 , 发现 适 当的退 火处 理 可 以 明显 地 改善磁 电阻 特性 和热 稳定 性 . 这 对低 饱和 场 G M R 材料 的实 用化很 有意义 . 本文系 统地 研究 了 两 80 eF 20 C/ u 金 属多 层膜 , 采用 磁控 溅射方法 制备了具有典型的 巨 磁 电 阻振荡 现象 的样 品 , 并 初步 探索 了多 层膜 的热处理效 应 . 1 样品 制备 样 品是在 磁控 溅射 仪 上制备 的 . 该设 备有 3 个 直流 靶和 l 个射 频 ( R )F 靶 , 有 16 个 基 片位 置 . 即每 抽一 次真 空可 以 制 备 16 个样 品 . 这 有效地 保证 了 实验 数据 的一致 性 和可 比性 . 系 统的本 底真 空高 于 5 x 10 ” P a , 工作 气体 为高 纯氢 气 , 溅 射气 压 为 2 . 5 x I O 一 ’ aP . 基片 19 9 7 一 0 5 一 2 4 收稿 第一作者 男 30 岁 博士 * 中国科学院 9K 5卜 lA 一 4 01 基 金 资助课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 04. 031
Vol.19 No.4 姜宏伟等：低饱和场巨磁电阻金属多层膜NisFez/Cul的结构与磁电阻 ·361· 选用普通盖玻片，衬底采用循环水冷却.靶材为Ni,Feo合金、高纯度Cu和纯Fe.溅射速率分 别NiFe为0.22nm/s;Cu为0.11nm/s;Fe为0.17nm/s.速率由台阶仪测厚结合X射线小角衍 射谱而定.在制膜之前先在基片上镀一层厚l0nm的Fe作为缓冲层(buffer layer).磁电阻的 测量采用标准四探针法， 2实验结果与分析 2.1巨磁电阻效应一大的磁电阻值及其振荡 图1是Fe(10nm)[NiFe(1.5nm)/Cu(2.2nm]30的X射线小角衍射谱.由图1可以看到一 级衍射峰很尖锐，这表明多层膜的周期结构良好， 定义磁电阻为：△RWR(%),AR=R-R,R为零场电阻，R为饱和场电阻.图2是室温下 Fe(l0nm)/儿NiFe(1.5nm)/Cu(tnm)]30多层膜的磁电阻与Cu层厚度的关系曲线.这是典型的 巨磁电阻振荡曲线，多层膜的磁电阻值随Cu层厚度的变化而振荡，周期为1.2nm.在Cu层厚 度t=1,2.2nm时出现2个峰值分别为19.4%和11.7%，饱和场分别为~6.4×104Am,~8 ×103A/m.在77K下磁电阻值分别为33.2%和27.6%.图3(a),(b)分别是第1,2峰的磁电阻 与外场关系的曲线.这些结果基本上与Parkin,Nakatani)等人的工作相一致，但是本文图3 中第2峰的磁电阻更大一些. 300 20 200 15 10 100 kothnwwwpwh 0 0 3 6 0.51.01.52.02.53.03.54.0 20/(°） Cu层厚Wnm 1 Fe(10 nm)[NiFe(1.5 nm)/Cu(2.2 nm)] 图2室温下Fe(10nm)/INiFe(I.5nm)/Cu(tnm)l 30的X射线小角衍射谱 30多层膜的饱和磁阻与Cu层厚度的关系曲线 30 ●77K 30 ·室温 ·77K 。室温 20 20 10 10 0 -24-16-8081624 -24-16 -80 16 HW×I0kAm HW×10(kA·m- 图3磁电阻与外加磁场强度的关系曲线 (a)Fe(10nm)[NiFe(1.5nm)/Cu(1nm)l30样品；(b)Fe(10nm)NiFe(1.5nm)/Cu(2.2nm)l30样品
v ol . 19 No .4 姜宏伟等 : 低饱和 场 巨磁 电阻金属 多层膜 冲80 eF 2 夕c u 的结构 与磁 电阻 . 3 61 · 选用普通 盖玻 片 , 衬 底采 用循 环 水冷却 . 靶 材为 两 80 eF 2。 合金 、 高纯 度 C u 和 纯 eF · 溅 射速率 分 别 M eF 为 .0 2 2 n耐;5 c u 为 0 . 1 11 m / s ; eF 为 o . 17 n耐 5 . 速率 由台 阶仪 测厚 结 合 x 射线 小角 衍 射谱而定 . 在 制膜 之前 先 在基 片上 镀 一层厚 10 nr 的 eF 作 为缓冲 层 (b u fe r l a ye )r . 磁 电阻的 测量 采用 标准 四 探 针法 . 2 实验 结果与分析 2 . 1 巨磁电阻 效应— 大 的磁 电阻值及其振荡 图 1 是 eF ( 10 nm ) 〔预 eF (l . s nl )/ C u (2 . 2 nm )] 30 的 X 射线 小角 衍射 谱 . 由图 1 可 以 看到 一 级 衍射 峰很 尖锐 , 这表 明多 层膜 的周期 结 构 良好 . 定义 磁 电阻 为: △刃凡(% ) , d R 一 凡一 尺 , 凡 为零场 电阻 , 尺 为 饱和 场 电阻 . 图 2 是 室温 下 eF ( 10 nm )[/ 瓦eF (l . S ilm ) C/ u( t n m )] 30 多 层膜 的磁 电阻 与 C u 层 厚 度 的 关系 曲线 . 这是 典 型 的 巨 磁 电阻 振 荡 曲线 . 多层 膜 的磁 电阻值 随 C u 层厚 度 的变化 而振 荡 , 周期 为 1 . 2 nm . 在 C u 层 厚 度 t =l , .2 2 nm 时出现 2 个峰 值 分 别 为 1.9 4 % 和 1 . 7 % , 饱 和 场分 别 为 一 6 .4 x 10 4 刀m , 一 8 x 10 ’ 户山n . 在 7 K 下磁 电阻值分 别 为 3 . 2 % 和 27 . 6 % . 图 3( a) , (b) 分 别是 第 1 , 2 峰 的磁 电阻 与外 场 关系 的 曲线 . 这些结 果基 本 上 与 P a ikr nlz 〕 , Na ka 腼 3[] 等 人 的工作 相 一致 , 但是 本文 图 3 中第 2 峰 的磁 电阻更大 一些 . n éù、0 ù f o ,一, . 1 国密樱岁、 nUē” é 0C 乙, l . `n 侧票、 3 2口/ ( o ) 0 5 1 0 1 5 2 . 0 Z j 3 . 0 C u层厚 t/ lun 3 . 5 4 . 0 图1 F e 3 0 小角宕骗 “ C u `, · , n m ” 图 2 室温下 F e ( 1 0 n m ) 1 I N I F e ( 1 . 5 n m ) 1 C u ( t n m )l 3 0多层膜 的饱和磁阻与 C u层厚度 的关 系曲线 国留翅岁、 . 7 7 K 。 室 温 ? . 7 7 K 二 人 _ ’ “ 一 2 4 一 16 一 8 1 6 2 4 on é八UC 、一、, 1 . 1 国密祖岁、 一 2 4 一 16 一 8 0 8 16 24 付 x 10 4 (kA · m 一 ’ ) 付 x 一0 4 (认 · m 图3 磁 电阻与外加磁场强度的关系 曲线 ( a ) Fe 。 o n m )IN I F e (l . s n m )/ C u 。 n m )130样品 ; ( b ) F e 。 o n m ) IN I F e ( l . s n m )z C u ( 2 . 2 n m )130样品
·362· 北京科技大学学报 1997年第4期 2.2多层膜的结构与巨磁电阻效应 为研究多层膜结构与磁电阻的关系，我们固定Cu层厚度为Inm,改变NiFe厚度：t= 0.7nm,0.9m,l.1nm,1.3nm,1.7nm制备了Fe(10nm)/NiFe(tnm)/Cu(1nm)]30系列样品.结 果发现，随NF层厚度的增加磁电阻在达到某一极大值后开始衰减，见图4.这一结果与 Parkins在Fe/Cr多层膜中得到的结果相类似，可以认为这一结果是传导电子自旋相关散射发 生在界面上的证据.因为随NFe层厚度的增加，界面与体积之比变小，对GMR效应产生“稀 释”作用.当然，NFe层厚度的增加将导致织构和界面状态的变化，这也会引起磁电阻的变 化. 为研究周期数对多层膜磁电阻的影响，制备了如下两个系列的样品：(a)Fe(I0nm) NiFe(lnm)/Cu(0.8nm]N(b)Fe(10nm)/[NiFe(1nm)/Cu(0.9nm)】N.在样品(a)中，周期数N =10,15,20,25,30,35,40;在样品(b)中，N=5,10,15,20,30,35.所得结果如图5所示.2组 样品的磁电阻都在N=30时达到最大值，然后随周期数N的增加磁电阻开始衰减.这与 Parkin61在Fe/Cr多层膜中得到的结果不一样.他的结论是当周期数N达到某一值后磁电阻趋 于饱和， 20 。样品a ·样品b 15 民电 10 0.5 1.0 1.5 2.0· 0 10 20 30 40 NiFe层厚度/nm 周期数N 图5多层膜的周期N与磁电阻的关系曲线 图4磁电阻与NiFe层厚度的关系曲线. 样品a为：Fe(10 nm)[NiFe(1nm)/Cu(0.8nm)lN 样品：Fe(10nm)/[NiFe(t nm)/Cu(1nm)月30 样品b为：Fe(10nm)/[NiFe(1nm)/Cu(0.9nm)lN 我们认为，当多层膜的周期数较少时，样品总的膜厚度较薄，远小于传导电子的平均自由 程，此时表面对传导电子散射所占的比重较大，因此膜电阻较大，导致磁电阻很小，当N增加 时膜的厚度增加，此时膜电阻变小，磁电阻增大，当周期数N增加到使膜的厚度大于电子的平 均自由程以后，磁电阻对膜的厚度变化已不再敏感，所以磁电阻存在极大值.当>30后磁 电阻的衰减可能是结构上的原因，由于磁控溅射镀膜过程是一个非平衡过程，在膜内会产生 晶格畸变和许多缺陷.随周期数N增加，晶格畸变和缺陷会累积，当达到一定程度后，多层膜 的周期结构将被破坏，导致多层膜的磁电阻变小，此外，当膜较厚时，膜中的晶粒尺度，晶界情 况都与膜较薄时不同，这些因素对磁电阻的影响也是不容忽视的，对于这个问题的进一步认 识还需要对多层膜的微结构进行深人细致的研究
. 3 6 2 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 7年 第 4期 2 . 2 多层 膜的结构 与巨磁电阻效应 为研 究 多 层膜 结 构 与 磁 电阻 的 关 系 , 我 们 固 定 C u 层 厚 度 为 I nm , 改 变 M eF 厚 度 : t = 0 . 7 imr , o . g unt , l . l nm , l . 3 nm , 1 . 7 n m 制 备了 eF ( 10 n m ) / [瓦R ( t n m ) /C u ( I n m ) ] 3 0 系 列样 品 . 结 果 发 现 , 随 预eF 层 厚 度 的增 加 磁 电 阻 在 达 到某 一极 大 值 后 开 始 衰 减 , 见 图 4 . 这 一 结 果 与 aP ikr n[ 6 ]在 eF /C r 多层 膜 中得到 的结果 相类 似 , 可 以认 为这 一结 果是 传导 电子 自旋相 关散 射发 生在 界 面上 的证 据 . 因为 随 断 eF 层 厚度 的增 加 , 界 面 与体积 之 比变 小 , 对 G M R 效 应 产生 “ 稀 释 ” 作 用 . 当然 , 瓦eF 层 厚 度 的增 加 将 导致 织 构 和 界 面状态 的变 化 , 这 也 会 引 起 磁 电阻 的变 化 . 为 研 究 周 期 数 对 多 层 膜 磁 电 阻 的 影 响 , 制 备 了 如 下 两 个 系 列 的 样 品 : (a) eF (l o nm ) / [瓦eF ( I n m ) /C u ( o . s n m ) ] ;N (b) eF ( l o nm ) /[嘶 eF ( I nm ) /C u( o . 9 nm ) ] 瓜 在 样 品 (a) 中 , 周 期 数 入 = 10 , 1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 , 3 5 , 4 0 : 在样 品 ( b ) 中 , N = 5 , 10 , 1 5 , 2 0 , 3 0 , 3 5 . 所 得结果 如 图 5 所示 . 2 组 样 品 的磁 电 阻 都在 N = 30 时 达 到 最 大 值 , 然 后 随周 期 数 N 的 增 加 磁 电 阻 开 始 衰 减 . 这 与 aP ikr nle 〕在 eF /C r 多层 膜 中得 到 的结果 不一 样 . 他 的结 论是 当周期 数 N 达到某 一值后 磁 电阻趋 于饱和 . 国密粗岁、 : :! 厂\ { 国 】 、 } 翻 } 气 ! 粗 , } \ } ’ { 一 ~ · { O L es es es es 一 - 一一 - J - - - - 一 一 - . 一一法 一一 一 - - - - - - - 曰 0 . 5 1 . 0 1 5 2 . 0 . 样 品a ~ 少气 M eF 层厚度扩 nI 图4 磁 电阻与 NI F e 层厚度的关系曲线 . 样品: F e ( 1 0 n m ) 2 IN I F e ( t n m ) 2C u ( 1 n m )1 3 0 周期数N 图5 多层膜 的周期刀 与磁 电阻的关 系曲线 样品a 为 : F e ( 10 n m ) 2 I N I F e ( 1 n m )l C u (0 . 8 n m )IN 样 品b 为: F e 。 o n m )zl N IF e ( I n m )z e u (0 . g n m )IN 我们 认为 , 当多 层膜 的周 期数 较 少时 , 样 品总 的膜 厚度 较 薄 , 远小 于传导 电子 的平均 自由 程 . 此时 表面 对传 导电子 散射所 占的 比重较 大 , 因此 膜 电阻 较大 , 导致 磁 电阻很 小 . 当 N 增 加 时膜 的厚 度增 加 , 此 时膜 电阻变小 , 磁 电阻增 大 . 当周期 数 N 增 加到使膜 的厚度大 于 电子 的平 均 自由程 以 后 , 磁 电 阻对 膜 的厚 度变 化 已 不 再敏 感 , 所 以 磁 电阻存 在极 大值 . 当 N > 30 后磁 电 阻的 衰减 可 能是 结 构上 的 原 因 , 由于磁 控溅 射 镀膜 过程 是 一个 非 平衡 过程 , 在膜 内会产生 晶格 畸 变和许多 缺 陷 . 随周期 数 N 增加 , 晶 格 畸变 和缺 陷会 累积 , 当达到 一定 程度 后 , 多层 膜 的周 期结 构将 被破 坏 , 导致多 层膜 的 磁 电阻变小 . 此外 , 当膜较 厚 时 , 膜 中的 晶粒尺 度 , 晶界情 况都 与 膜较 薄 时不 同 , 这些 因素 对磁 电阻 的 影 响也是 不 容 忽视 的 . 对于 这个 问题 的 进 一步认 识还 需要 对多 层膜 的微 结构 进行 深人 细致 的研究
Vol.19 No.4 姜宏伟等：低饱和场巨磁电阻金属多层膜5 oFe/Cu的结构与磁电阻 ·363· 2.3热处理对磁电阻的影响 采用磁控溅射方法制取的薄膜样品一般处于亚稳态，有时较低温度长时间的热处理对于 改善样品的质量是一种有效的方法，我们希望通过热处理使原子产生微小移动以消除局部应 力.由于多层膜中单层的厚度只有1~2m,因而热处理的温度不宜太高，否则将引起不同层 之间原子的长程互扩散，破坏多层膜的周期结构，使膜的质量变坏.此外，不同层之间原子的 短程互扩散可以改变相邻磁层间的初始间距，导致层间耦合状态的改变，或者使界面结构状 况发生变化，从而引起磁电阻的变化 真空条件下对样品Fe(10nm)[NFe(1.3nm)/Cu(2.4nm]30退火3h.选择的退火温度为 100℃，150℃，200℃，250℃，300℃.结果发现在退火温度为200℃以下时，样品的磁电阻变 化不明显；当退火温度为250℃时，样品的磁电阻由初始的1.9%变为5.2%，而且饱和场也 明显变小；当退火温度为300℃时，样品的磁电阻降为0.5%（王海、王艾玲、郑鹉.私人通信） 这时的Fe层和Cu层可能已经在相当程度上合金化了.至于退火处理引起了何种微结构上 的变化有待进一步深入研究. 4 结论 通过对NisF/Cu金属多层膜的系统研究，我们优化了制备工艺，获得了结构和物性都 很好的Ni,Fe/Cu金属多层膜样品，并且对多层膜的热稳定性进行了初步的研究， 感谢尹林同志在真空技术方面给予的大力帮助，本项目受到中国科学院KJ951-A1401项目的资助， 参考文献 1 Baibich M N.Broto J M,Fert A,Nguyen van Dau F,et al.Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001) Cr Magnetic Superlattices.Phys Rev Lett,1988,61:2472 2 Parkin SS.Oscillations in Giant Magnetoresistance and Antiferromagnetic Coupling in [Ni,Fe/Cu] Nmultilayers.Appl Phys Lett.1992.60(4):512 3 Ryoichi Nakatani,Toshiyuki Dei,Toshio Kobayashi,et al.Giant Magnetoresistance in Ni-Fe/Cu Multilayers Formed by Ion Beam Sputtering.IEEE Trans Mag,1992,28:2668 4 Miyamoto Y,Yoshitani Y,Nakagawa S,et al.Investigations of GMR Characteristics and Crystal Structures for Nis Fe/Cu Multilayers with Ar Ion Bombardment on Interfaces.IEEE Trans Mag, 1996,32:4719 5 Hossain SA.Pirkle B H,Yanget J,et al.Giant Magnetoresistance Multilayers of High Thermal Stability with Thicker Magnetic Layers.J Appl Phys,1979(8):5817 6 Parkin SS.Giant Magnetoresistance.In:Aspects of Modern Magnetism,Lecture Notes of the English Chinese International Summer School of Physics.Beijing:World Scientific,1995.118
V o l . 1 9 N 0 . 4 姜宏伟等 : 低饱 和场 巨磁 电阻金属 多层膜 M o Fe Z夕 c u的结构 与磁 电阻 2 . 3 热处理 对磁电 阻的影 响 采用 磁控 溅射 方 法制 取 的薄膜 样 品一般 处于 亚稳 态 , 有 时 较低温 度 长 时间 的热处理 对于 改善 样 品 的质 量是 一 种有 效 的方法 . 我们 希望 通过 热处理使原 子产生 微 小移 动 以 消除 局部应 力 . 由于 多层 膜 中单层 的厚 度 只有 1 一 Z nm , 因而 热处理 的温度 不宜 太 高 , 否 则将 引起 不 同层 之 间原 子 的长 程 互扩 散 , 破 坏多 层膜 的周 期结 构 , 使膜 的质量 变 坏 . 此 外 , 不 同层 之 间原 子 的 短程 互 扩 散可 以 改 变相邻 磁 层 间 的初 始间距 , 导致 层 间祸合状 态 的 改变 , 或 者使 界 面结 构状 况 发生 变化 , 从而 引起 磁 电阻 的变化 . 真 空条 件 下 对样 品 eF ( 10 nm ) 【预 eF (l . 3 nm ) c/ u( 2 . 4 unI )] 30 退火 3 h . 选择 的退 火 温 度 为 10 ℃ , 1 50 ℃ , 20 0 ℃ , 25 0 ℃ , 30 0 ℃ . 结果 发现 在退火 温度 为 20 0 ℃ 以 下 时 , 样 品的磁 电阻变 化 不 明显 ; 当退 火温 度为 2 50 ℃ 时 , 样 品的磁 电阻 由初 始 的 1 . 9 % 变为 5 . 2 % , 而且 饱和 场也 明显变小 ; 当退 火温度 为 3 0 ℃ 时 , 样 品 的磁 电阻 降为 0 . 5 % ( 王 海 、 王 艾玲 、 郑 鹉 . 私 人 通信 ) 这 时的 两 eF 层 和 C u 层 可能 已 经在 相 当程度 上合金化 了 . 至于退 火处理 引起 了何种 微 结构上 的变 化有 待进 一步 深人 研究 . 4 结论 通 过 对 瓦 80 eF 20 C/ u 金 属 多层 膜 的系 统研究 , 我 们 优化 了制 备 工艺 , 获 得 了结构 和 物性 都 很好的 捕80 eF 20 C/ u 金属多 层膜 样 品 , 并且 对多 层膜 的热稳 定 性进 行 了初 步 的研究 . 感谢尹林 同志在真空 技术方面 给予 的大力帮助 . 本项 目受到 中国科学 院 KJ 9 5 1 一 lA 一 4 01 项 目 的资助 . 参 考 文 献 B ia b i e h M N , B or ot J M , eF rt A , gN u y e n v an 压 u F , e t a l . 肠an t M a g n e ot re s i s` I n c e o f ( 0 0 1 )eF /( 0 0 1 ) C r M ag n e it e S u pe ir a tit e e s . P h y s 掩v 玫 t , 19 8 8 , 6 1 : 2 4 7 2 汽南 n 5 5 . o s c il l a it o n s i n o a n t M铭 n e ot er s i s ant c e a n d A n it fe or m a g n e it c C o 叩l i n g i n [嘶 8 , eF l g /C u ] N ll l ul it l a y e sr . A PP I P h y s eL t . 19 9 2 , 6 0 ( 4 ) : 5 1 2 yR o i e ih N a k a atn i , T o s ih y咖 eD i , T o s h i o oK ab y as h i , e t a l . G an t M ag n e ot er s i s ant e e i n 两 一 eF / C u M u l it l a y e sr oF mr e d by I o n B e am S Pu tet ir n g . IE E E T ar n s M ag , 1 9 9 2 , 2 8 : 2 6 6 8 诵 y am o ot y , Y o s拓 at n i y , N ak ag aw a S , e t a l . I n v e s it g a it o n s o f G M R C h a r a c te ir s it e s an d C ry s atl s ctrU treU s of r iN s , eF . , / C u M l l lit l a y e sr w iht A r I o n B o m恤r d ll l e n t o n I n et ir 认c e s . I E E E T咖 5 M a g , 1 9 9 6 , 3 2 : 4 7 19 oH s s ia n S A , R klr e B H , Y an g e t J , e t al . G a n t M ag n e ot re s i s at cn e M ul it lay e 巧 o f 比g h hT e rm al Sat bi li ty w i ht 刀 1 1 c k e r M a g ne it e aL y e rs . J A P I P场s , 19 7 9 ( 8 ) : 5 8 17 P a r k i n 5 5 . Q a n t M ag n e ot re s i s at n e e . I n : A s pe e ts o f M od e rn M ag n e it s m , eL e t u er N o et s o f ht e E n g l i s 卜 C l l ine s e In et nr a it o n a l S u m e r S c h o o l o f P h y s i e s . B e ij i n g : W o lr d S c i e n it if e , 1 9 9 5 . 1 1 8
·364· 北京科技大学学报 1997年第4期 Giant Magnetoresistance Effect and Microstructure for Metallic Multilayers NigoFe/Cu with Low Saturation Field Jiang Hongwei Yan Minglang Lai Wuyan Chai Chunlin2 Zhu Fengwu 1)Institute of Physics.Chinese Academy of Sciences.Beijing 100080.China 2)Applied Sciences School.UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The [Nigo Fe2o/Cul multilayers with low saturation field and giant magnetoresistance effect have been successfully prepared by magnetron sputtering method. The oscillatory changes of its magnetoresistance and interlayer exchange coupling with copper thickness increasing have been observed at room temperature while saturation magnetoresistance values reach 19.4%and 11.7 and saturation fields are approximately 64 000 A/m and 8 000 A/m when the Cu layer thickness equals I and 2.2 nm respectively. Saturation magnetoresistance values are 33.2 and 27.6%at low temperature(77K). Dependence of giant magnetoresistance on microstructure,including NiFe layer thickness and then number of period N,has been studied systematically.Changes in GMR characteristics have been observed after vacuum annealing KEY WORDS low saturation field,giant magnetoresistance,multilayer *子******+************* 《北京科技大学学报》（中文版） 荣获国家优秀科技期刊评比一等奖 由国家科委、中宣部、新闻出版署联合举办的第二届全国优秀期刊评比工作已 于1996年11月圆满结束.1973年3月在北京科技会堂举行隆重表彰大会.我校学 报编辑部作为一等奖单位应邀出席表彰大会. 中宣部副部长龚心瀚、国家科委副主任惠永正、新闻出版署副署长梁衡，在会上 分别作了重要讲话. 我校学报（中文版）继1996年年中被冶金部评为一等奖（第一名）后，这次又荣 获第二届国家优秀期刊评比一等奖. 全国现有公开出版的科技期刊4400多种.这次评比先由国务院各部门、全国性 科技协会、中国科学院、中国人民解放军总政治部和各省、市、自治区、直辖市经初评 后，按其所属科技期刊总量的15%推荐参加全国评比.这届获奖期刊共417种，占 科技期刊总量的9%.其中一等奖60种，二等奖119种，三等奖238种. 获一等奖的冶金、材料学科的学术期刊有《金属学报》、《中南工业大学学报》和 《北京科技大学学报》：技术类期刊有《稀有金属材料与工程》
. 3 6 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7 年 第4 期 G i a n t M a g n e t o r e s i s t a n e e E f e e t a n d M i e r o s t ru c tu r e f o r M e t a lli c M u lt i l a y e r s N i s o F e Z o /C u W i t h L o w S a tu r a t i o n F i e l d iJa n g Ho n g w e i , ) aY n iM n g l a n g ’ ) 山i 环欢厂a n Z ) hC a i hC u n li n Z ) 及 u eF n g w u , ) l ) I n s it t u et o f P h y s i e s , C hi n e s e A e a d e m y o f S c i e n e e s , B e ij i n g 10 0 0 8 0 , hC i n a 2 ) A P P li e d S c i e nc e s S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij 一n g 10 0 0 8 3 , C ih n a A B sT R A C T hT e t两 8。 eF Z。 /C u ] 、 m u lit l a y e rs w i t h IOw s atu ar it o n if e l d a n d g i a n t m a g n e t o re s i s at n e e e fe e t h a v e be e n s u c c e s s fu lly P re P a re d b y m ag n e otr n s uP te ir n g m e ht od · hT e o s e ill a t o ry c h a n g e s o f i ts m ag n e t o re s i s atn e e a n d i n te rl ay e r e x e h a n g e c o u P li n g w iht e o Ppe r 面 e k n e s s i n e re as i n g h va e be e n o b s e vr e d a t or o m te m pe ar tu re w ih l e s a tu ar it o n m a g n e t o re s i s at n e e v a lue s re ac h 19 . 4 % a n d 1 1 . 7 % an d s a tu ar t l o n if e ld s a re a PPor x im a te ly 6 4 0 0 0 A/ m an d 8 0 0 0 A/ m w h e n t h e C u l a y e r iht e 知e s s e q u al s 1 an d 2 . 2 nm re s pe c it v e l y . S a tu r a t l o n m a g n e t o re s i s at n c e v a lue s a re 3 3 . 2 % an d 2 7 . 6 % a t l o w te m pe ar tu re ( 7 7 )K . 氏 pe n d e n e e o f g i a n t m ag n e t o re s i s at n e e o n m i e or s t cru tu re , i n e l u d i n g 瓦eF l ay e r iht e k n e s s an d ht e n n um be r o f pe ir o d N, h as be e n s ut d i e d s y s et m a it e a lly . C h an g e s i n G M R e h a r ac et ir s it e s h a v e be e n o b s e vr e d a fet r v ac u um an n e a li n g . K E Y W O R D S l o w s a ut ar it o n fl e ld , g i a n t m ag n e ot er s i s at n e e , m u lit l a y e r 半平半幸半半半半半半半平半幸半幸半半平半半半半半半半半半半半半半半半平半半半半半半平平半半半半半半半平半半半半半 《北京科技大学学 报》 ( 中文 版) 荣获 国家优秀科技期 刊评 比一 等奖 由 国 家科 委 、 中宣部 、 新 闻 出版署 联合 举 办 的第 二届 全 国 优 秀期 刊评 比工 作 已 于 19 9 6 年 1 月 圆满 结 束 . 19 7 3 年 3 月在 北 京科 技 会堂 举行 隆 重表 彰大 会 . 我 校学 报 编辑 部作 为 一等奖 单位 应邀 出席 表彰大 会 . 中宣部 副 部长 龚心瀚 、 国家科 委副 主任 惠永 正 、 新 闻 出版署 副署 长梁衡 , 在会 上 分 别作 了重 要讲话 . 我 校学 报 (中 文版 ) 继 19 9 6 年年 中被 冶 金部 评 为一 等 奖 (第 一 名 ) 后 , 这 次 又荣 获第 二届 国家 优 秀期刊评 比一等奖 . 全 国 现有 公 开出版 的科 技期 刊 4 4 0 0 多 种 . 这 次评 比先 由国务 院各部 门 、 全 国性 科 技 协会 、 中国 科学 院 、 中 国 人 民解 放 军总政 治部 和各 省 、 市 、 自治 区 、 直 辖市 经初 评 后 , 按其 所 属科 技 期 刊总 量 的 15 % 推 荐参加全 国评 比 . 这 届 获 奖期 刊 共 4 17 种 , 占 科技 期 刊总量 的 9 % . 其 中一等奖 60 种 , 二 等奖 1 19 种 , 三等奖 2 38 种 . 获 一等 奖 的冶 金 、 材料 学科 的学 术期 刊有 《金 属 学报》 、 《 中南 工 业大 学学 报》 和 《北 京科 技大 学学 报》 ; 技 术类 期 刊有《 稀有金 属材 料 与工程》