D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.02.020 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 巨磁电阻自旋阀多层膜的结构和磁性 孟宪梅)柴春林)朱逢吾)林岚2)姜宏伟)赖武彦) 1)北京科技大学应用科学学院，北京1000832)中国科学院物理研究所，北京100080 摘要用磁控溅射镀膜方法，制成了巨磁电阻自旋阀多层膜Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta. 它具有优良的特性，其室祖磁电阻比率MR>2%,自由层矫顽力H,<I60A/m,自由层零磁场 漂H<800A/m和钉扎层交换场L、≈20×103A/m.作为新型磁功能材料，它满足高灵敏磁 性传感器和硬盘读出头的要求，对多层膜制备的方法也作了系统研究，并讨论了缓冲层和钉扎层 的制备工艺和微结构对磁性能的影响， 关键词巨磁电阻，自旋阀，磁功能材料，多层膜 中图分类号TM271 1988年在F/Cr周期性金属多层膜中发现，随外磁场增加，膜电阻下降达50%，此现象 称为巨磁电阻(Giant Magnetoresistance)效应).这一奇特现象已成为物理学研究的一个热 点.单个周期厚度仅仅2~3m的人工多层膜也吸引了材料科学家的兴趣.巨磁电阻的形 成原因，一般认为是在多层膜的每一铁磁层中，磁矩基本上平行一致排列，而相邻磁层间磁矩 是反平行排列，此时电阻较高，外磁场作用下，通常为几千高斯，各磁性层的磁矩趋于平行一 致，此时电阻大幅度下降.物理机制与电子自旋相关的散射过程有关鬥.从应用角度看，人们 必须克服外加磁场过大这一缺点， IBM公司B.Dieny等人)提出一个简化的四层结构称为自旋阀，即磁层MI/非磁性中间 层/磁层M2/反铁磁层P.其中，层P具有较强的单方向各向异性，它通过各向异性交换作用 将M2磁矩“钉扎”在易磁化方向.由于非磁性中间层（通常为铜层）的隔离，M1与M2层磁作 用很弱，称为自由层.弱的外磁场就可以使自由层M1的取向平行或反平行于M2磁矩方向， 分别对应于低电阻态和高电阻态，虽然，自旋阀的磁电阻比率不高，但是由于磁矩运动过程是 一致转动，克服了巴克豪森噪音，达到极高的信噪比.加之外磁场只需几个奥斯特就可使自由 层磁矩旋转，因而灵敏度（单位场下的电阻变化率）极高，给磁信息记录技术带来重大突破[1， 本文报道了我们的研制结果.首先优化工艺，获得了性能良好的巨磁电阻自旋阀多层膜， 研究了缓冲层对表面粗糙度及磁性的影响.其次研究了磁性层及钉扎层溅射电流的作用. 1样品的制备和测量 自旋阀多层膜是用磁控溅射法制成，玻璃基片经过清洗后依次镀膜为Ta/NiFe/Cu/NiFe 1997-03-28收稿 第一作者女26岁。博士 中国科学院KJ-1-401项目资助第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 巨 磁 电阻 自旋 阀多层膜 的结构和 磁性 ’ 孟 宪梅 柴春林 ’ 朱逢吾 ’ 林 岚 姜宏伟 “ 赖 武彦 北京 科技大 学 应用 科 学学 院 ， 北 京 中 国科学 院物理研 究所 ， 北 京 摘要 用 磁 控溅 射镀 膜 方法 ， 制 成 了 巨 磁 电阻 自旋 阀多层 膜 它 具有 优 良的特性 · 其室 温 磁 电阻 比率 ， 自由层 矫顽 力 凡 ， 自由层零 磁 场 漂 坪 和 钉扎层 交换场 、 、 ’ 作为新 型 磁 功 能材料 ， 它满足 高灵敏 磁 性 传感器 和 硬 盘读 出头 的要求 对多层 膜制 备的方法 也作 了系统研究 ， 并 讨论 了缓冲层 和 钉扎 层 的制备工 艺和 微结 构对磁性 能 的影 响 关键词 巨磁 电阻 ， 自旋阀 ， 磁 功能材料 ， 多层膜 中图分类号 年在 周 期 性 金 属 多 层 膜 中发现 ， 随外 磁 场增 加 ， 膜 电阻下 降达 ， 此现 象 称 为 巨 磁 电 阻 效应〔 ’〕 这 一 奇 特 现 象 已 成 为 物 理 学 研 究 的 一 个 热 点 单个 周 期 厚度 仅仅 一 的 人 工 多层 膜 也 吸 引 了 材 料 科 学 家 的兴 趣 巨 磁 电阻 的形 成原 因 ， 一般认 为是 在 多 层膜 的每 一铁磁层 中 ， 磁 矩基本上 平 行 一致 排 列 ， 而 相 邻磁 层 间磁矩 是 反 平行 排 列 ， 此 时 电阻 较 高 外磁 场作 用下 ， 通 常 为几 千 高斯 ， 各磁 性 层 的磁 矩 趋 于 平 行 一 致 ， 此 时 电阻 大 幅度 下 降 物理 机 制 与 电子 自旋 相 关 的散 射 过 程 有 关 从 应 用 角 度 看 ， 人们 必须 克服 外 加磁 场过 大这 一缺点 公 司 以 等 人’ 提 出一 个 简化 的 四 层结构称 为 自旋 阀 ， 即磁 层 非磁性 中间 层 磁 层 反 铁 磁层 其 中 ， 层 具 有 较 强 的单 方 向各 向异性 ， 它 通 过 各 向异性 交换作 用 将 磁矩 “ 钉扎 ” 在 易磁 化方 向 由于 非磁性 中 间层 通 常 为铜层 的隔离 ， 与 层 磁作 用 很 弱 ， 称 为 自由层 弱 的外 磁 场 就 可 以 使 自由层 的取 向平行 或反 平行 于 磁 矩 方 向 ， 分别对应 于 低 电阻 态 和 高 电阻态 虽 然 ， 自旋 阀的磁 电阻 比率不 高 ， 但 是 由于 磁 矩 运 动过 程是 一致转动 ， 克服 了 巴 克豪森 噪音 ， 达到极 高 的信噪 比 加之外磁 场只需 几个 奥斯特就 可 使 自由 层磁矩 旋 转 ， 因而 灵 敏 度 单位 场下 的 电阻变 化率 极 高 ， 给 磁信息 记 录技 术带来 重 大 突 破 本文报道 了我们 的研 制结果 首先优化 工 艺 ， 获得 了性 能 良好 的 巨 磁 电阻 自旋 阀多层 膜 ， 研究 了缓冲层 对表 面粗糙 度及磁性 的影 响 其次研 究 了磁性层及 钉扎层 溅射 电流 的作 用 样品 的制备和测量 自旋 阀多层膜是 用磁 控溅射法 制成 ， 玻璃 基 片经过 清洗 后 依次镀膜 为 断 两 一 一 收稿 第 一作 者 女 岁 博 士 中国科学 院 一 一 项 目资助 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．02．020