·814· 北京科技大学学报 第34卷 料以提高材料的性能，选择与NiFe同为金属材料且 NiFe(12nm)/Ta(5nm)薄膜为例，分别给出了 热膨胀系数相近的NiFeCr作为缓冲层 Ta(5 nm)/NiFe (12 nm)/Ta (5 nm)NiFeCr 本文制备了性能优良的NiFeCr/NiFe/Ta薄膜 (4.5nm)/NiFe(12nm)/Ta(5nm)的磁电阻曲线，如 材料，并与传统的Ta/NiFe/Ta薄膜进行了性能对 图2所示.NiFeCr(4.5nm)/NiFe(12nm)/Ta(5nm) 比.利用X射线光衍射研究了不同缓冲层对NiFe 薄膜的各向异性磁电阻值为3.45%，而Ta(5nm)/ 薄膜织构的影响；通过高分辨透射电镜获得了 NiFe(12nm)/Ta(5nm)薄膜的各向异性磁电阻值为 Ta(NiFeCr)/NiFe/Ta薄膜的微观结构信息，从而从 2.44%,相比之下提高了41%. 原子尺度解释了其具有优良性能的原因.对不同缓 5.D h 冲层的Nig,Fes/Ta薄膜进行热处理，以NiFeCr为缓 4.5 冲层的Nig,Fe1gTa薄膜，在350℃热处理后可以很 4.0 好地保持Nig,Feg薄膜的磁电阻变化率值，改善薄膜 30 的热稳定性. 2.5 2.0 1实验 1.5 (a)Ta(5 nm)/NiFe(t)/Ta(5 nm) 1.0 (b)NiFeCr(4.5 nmyNiFe(tTa(5 nm) 实验样品由美国ATC-1800F型磁控溅射仪制 05 备.使用金属Ta靶、Nig:Feg合金靶制备Ta层及 1015202530 NiFe厚度/m Nig,Feg层，NiFeCr层通过在Nig,Feg合金靶表面对 图1不同缓冲层的NF薄膜的厚度对各向异性磁电阻值的变 称放置形状规整的Cr片溅射获得，通过调整Cr片 化关系 所占靶面积控制其成分，靶材纯度优于99.9%，除 Fig.1 Dependence of AMR values on NiFe film thickness with dif- 特殊说明外本文中NiFe均为Nig!Feg,NiFeCr的成 ferent buffers 分（质量分数）为Ni0.48%,Fe0.12%,Cr0.4%. 基片使用Si/SiO,基片.溅射时系统本底真空优于 4.5 (a)Ta(5 nm/NiFe(12 nmVTa(5 nm) 4.0 (b)NiFeCr(4.5 nmyNiFe(12 nm)/Ta(5 nm) 1.0×10-5Pa,工作气体为高纯氩气，工作气压为 3.5 (b) 0.26Pa;在基片位置沿平行膜面方向施加有约 3.0 16kA·m-的磁场，以诱导NiFe薄膜的易磁化方向. 2.5 承片台可施加射频功率对基片进行反溅清洗，本实 验中反溅功率为30W,时间为3min. 1.0 0.5 样品的磁电阻性能由标准四探针法测量；样品 磁滞回线使用振动样品磁强计进行测量(VSM,ADE 0.5 -20 -10 0 10 2 DMS4HF);样品微观结构通过常规X射线衍射 磁场强度(104)A,m (XRD)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM, 图2两种薄膜样品各向异性磁电阻值曲线 JEM-2010)进行表征. Fig.2 AMR curves of the two thin films 2结果与讨论 为了找到不同缓冲层对薄膜磁电阻变化率值影 响的原因，本文对薄膜进行了X射线衍射分析.图 在Si/SiO,基片上分别制备以NiFeCr和Ta为 3为Ta(5nm)/NiFe(12nm)/Ta(5nm)和NiFeCr 缓冲层的NiFe(t)/Ta(5nm)薄膜（括号里数值表示 (4.5nm)/NiFe(12nm)/Ta(5nm)的X射线谱.X 该元素层厚度)，研究不同厚度NFe薄膜的磁学性 射线衍射分析表明：与Ta缓冲层相比，NiFeCr缓冲 能，得到各向异性磁电阻值(AMR)随NiFe薄膜厚 层可以诱导更强的NiFe(1I1)织构.这有利于降低 度的变化曲线.图1为不同缓冲层的NFe薄膜的 NFe薄膜的电阻R,同时提高其电阻变化△R,从而 各向异性磁电阻值随NFe厚度的变化曲线，NiFe 显著提高NiFe薄膜性能o-o 厚度分别为4、6、8、10、12、15、20和30nm.由图1 此外，本文对不同缓冲层的NiFe(12nm)/ 可以看出，对于相同厚度的NFe薄膜，和传统材料 Ta(5nm)薄膜进行了电镜分析.图4为Ta(5nm)/ Ta相比用NiFeCr作缓冲层时薄膜的各向异性磁电 NiFe (12 nm)/Ta (5 nm)NiFeCr (4.5 nm)/ 阻值有显著的提高.并以NiFeCr（4.5nm)/ NiFe(12nm)/Ta(5nm)薄膜截面的高分辨透射电镜北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 料以提高材料的性能，选择与 NiFe 同为金属材料且 热膨胀系数相近的 NiFeCr 作为缓冲层． 本文制备了性能优良的 NiFeCr/NiFe /Ta 薄膜 材料，并与传统的 Ta /NiFe /Ta 薄膜进行了性能对 比． 利用 X 射线光衍射研究了不同缓冲层对 NiFe 薄膜 织 构 的 影 响; 通过高分辨透射电镜获得了 Ta( NiFeCr) /NiFe /Ta 薄膜的微观结构信息，从而从 原子尺度解释了其具有优良性能的原因． 对不同缓 冲层的 Ni81Fe19 /Ta 薄膜进行热处理，以 NiFeCr 为缓 冲层的 Ni81Fe19 /Ta 薄膜，在 350 ℃ 热处理后可以很 好地保持 Ni81Fe19薄膜的磁电阻变化率值，改善薄膜 的热稳定性． 1 实验 实验样品由美国 ATC--1800F 型磁控溅射仪制 备． 使用金属 Ta 靶、Ni81 Fe19 合金靶制备 Ta 层及 Ni81Fe19层，NiFeCr 层通过在 Ni81 Fe19合金靶表面对 称放置形状规整的 Cr 片溅射获得，通过调整 Cr 片 所占靶面积控制其成分，靶材纯度优于 99. 9% ，除 特殊说明外本文中 NiFe 均为 Ni81 Fe19，NiFeCr 的成 分( 质量分数) 为 Ni 0. 48% ，Fe 0. 12% ，Cr 0. 4% ． 基片使用 Si /SiO2基片． 溅射时系统本底真空优于 1. 0 × 10 － 5 Pa，工作气体为高纯氩气，工作气压为 0. 26 Pa; 在基片位置沿平行膜面方向施加有约 16 kA·m － 1 的磁场，以诱导 NiFe 薄膜的易磁化方向． 承片台可施加射频功率对基片进行反溅清洗，本实 验中反溅功率为 30 W，时间为 3 min． 样品的磁电阻性能由标准四探针法测量; 样品 磁滞回线使用振动样品磁强计进行测量( VSM，ADE DMS4HF) ; 样品微观结构通过常规 X 射 线 衍 射 ( XRD ) 和高分辨透射电子显微镜 ( HRTEM， JEM--2010) 进行表征． 2 结果与讨论 在 Si /SiO2基片上分别制备以 NiFeCr 和 Ta 为 缓冲层的 NiFe( t) /Ta( 5 nm) 薄膜( 括号里数值表示 该元素层厚度) ，研究不同厚度 NiFe 薄膜的磁学性 能，得到各向异性磁电阻值( AMR) 随 NiFe 薄膜厚 度的变化曲线． 图 1 为不同缓冲层的 NiFe 薄膜的 各向异性磁电阻值随 NiFe 厚度的变化曲线，NiFe 厚度分别为 4、6、8、10、12、15、20 和 30 nm． 由图 1 可以看出，对于相同厚度的 NiFe 薄膜，和传统材料 Ta 相比用 NiFeCr 作缓冲层时薄膜的各向异性磁电 阻值有显著的提高 ． 并 以 NiFeCr ( 4 . 5 nm ) / NiFe( 12 nm) / Ta ( 5 nm) 薄 膜 为 例，分 别 给 出 了 Ta( 5 nm) / NiFe ( 12 nm ) /Ta ( 5 nm ) 和 NiFeCr ( 4. 5 nm) /NiFe( 12 nm) /Ta( 5 nm) 的磁电阻曲线，如 图 2 所示． NiFeCr( 4. 5 nm) /NiFe( 12 nm) /Ta( 5 nm) 薄膜的各向异性磁电阻值为 3. 45% ，而 Ta( 5 nm) / NiFe( 12 nm) /Ta( 5 nm) 薄膜的各向异性磁电阻值为 2. 44% ，相比之下提高了 41% ． 图 1 不同缓冲层的 NiFe 薄膜的厚度对各向异性磁电阻值的变 化关系 Fig． 1 Dependence of AMR values on NiFe film thickness with dif￾ferent buffers 图 2 两种薄膜样品各向异性磁电阻值曲线 Fig． 2 AMR curves of the two thin films 为了找到不同缓冲层对薄膜磁电阻变化率值影 响的原因，本文对薄膜进行了 X 射线衍射分析． 图 3 为 Ta ( 5 nm) /NiFe ( 12 nm) /Ta ( 5 nm) 和 NiFeCr ( 4. 5 nm) /NiFe( 12 nm) /Ta( 5 nm) 的 X 射线谱． X 射线衍射分析表明: 与 Ta 缓冲层相比，NiFeCr 缓冲 层可以诱导更强的 NiFe( 111) 织构． 这有利于降低 NiFe 薄膜的电阻 R，同时提高其电阻变化 ΔR，从而 显著提高 NiFe 薄膜性能［9--10］． 此外，本文对不同缓冲层的 NiFe ( 12 nm) / Ta( 5 nm) 薄膜进行了电镜分析． 图 4 为 Ta( 5 nm) / NiFe ( 12 nm ) /Ta ( 5 nm ) 和 NiFeCr ( 4. 5 nm ) / NiFe( 12 nm) /Ta( 5 nm) 薄膜截面的高分辨透射电镜 ·814·