W/NiFe/W的各向異性磁電阻效應分析

王一飛 姜宏偉

摘 ?要：文章采用鎢（W）作為NiFe合金的緩沖層和覆蓋層制備W/NiFe/W系列膜，同時制備了Ta/NiFe/Ta系列膜作對照，研究W/NiFe/W中W對NiFe薄膜AMR的影響，并對樣品的磁性和微結(jié)構(gòu)進行了測試和表征。通過觀察可以看出，利用電阻率大、表面能大的鎢作為緩沖層以及覆蓋層可以很好地保證NiFe薄膜優(yōu)異的軟磁性能，其AMR值與利用鉭元素時的結(jié)果相近。經(jīng)過退火處理后，W/NiFe/W薄膜的磁性死層更小，磁性能更穩(wěn)定。結(jié)果表明，W也適合作NiFe薄膜的緩沖層以及覆蓋層。

關(guān)鍵詞：各向異性磁電阻;W;磁性死層

中圖分類號：TM721 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）06-0075-03

1 ?實驗背景概述

各向異性磁電阻（AMR）效應指的是鐵磁材料的電阻率隨著自身磁化強度與電流方向夾角改變而改變的現(xiàn)象。AMR效應在1857年被William Thomson在鐵和鎳中發(fā)現(xiàn)，后來到20世紀70年代開始進入傳感器市場，20世紀90年代初作為磁頭應用于磁記錄中。

如今，雖然AMR磁頭的功能已經(jīng)被自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR材料取代，但是AMR材料在傳感器方面的研究仍備受關(guān)注。目前，AMR效應在地磁導航、位置測量、大容量存儲磁帶機等方面被廣泛應用。

通常認為，AMR效應的微觀機制是自旋-軌道耦合相互作用導致的傳導電子自旋相關(guān)散射的各向異性。由于坡莫合金（Ni81Fe19）價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，具有比較可觀的AMR效應、低矯頑力等優(yōu)越性能，所以一直是被用于實際應用。而Ta是磁電阻結(jié)構(gòu)中最常用的緩沖層、保護層材料。

采用Ta/NiFe/Ta多層膜結(jié)構(gòu)，可以很好地保證NiFe薄膜的優(yōu)異軟磁性能。底層利用Ta作為緩沖層可極大改善NiFe薄膜的結(jié)晶性和誘發(fā)（111）織構(gòu);由于Ta膜表面容易鈍化，所以在NiFe層上覆蓋Ta層可以保護NiFe層不被氧化。并且Ta的電阻率遠大于NiFe薄膜，使得Ta層分流效應不明顯，可見緩沖層和覆蓋層對NiFe層至關(guān)重要。

在實際應用中，為了減小NiFe薄膜的退磁場效應，需要將其沉積的盡量薄。但是由此帶來的問題是，隨著NiFe薄膜厚度的減小，薄膜的磁電阻隨之急劇下降。并且，在Ta和NiFe的接觸界面會出現(xiàn)磁性死層，磁性死層對坡莫合金薄膜的磁性能會產(chǎn)生不利的影響。經(jīng)過高溫退火處理后，由于界面原子擴散使得磁性死層厚度進一步增加，因此，減小磁性薄膜中界面間互混現(xiàn)象，使磁性能更穩(wěn)定是當前AMR研究的一個內(nèi)容。

通過之前的研究發(fā)現(xiàn)，表面能較小，熔點較低的元素在退火過程中會發(fā)生嚴重的擴散，本文利用表面能、熔點均大于Ta的W作NiFe薄膜的緩沖層和覆蓋層，對比研究兩種元素對NiFe薄膜AMR的影響。結(jié)果顯示，W/NiFe/W結(jié)構(gòu)可以很好的保證NiFe薄膜的軟磁性能。相較于Ta，其磁性能更穩(wěn)定。

2 ?實驗細節(jié)

本研究的樣品結(jié)構(gòu)為W（4 nm）/NiFe（X）/W（4 nm）與Ta（4 nm）/NiFe（X）/Ta（4 nm），其中，X=4 nm，7 nm，10 nm，15 nm，20 nm，30 nm，40 nm。襯底采用表面附有SiO2氧化膜的單晶硅Si基片，樣品采用直流磁控濺射方法生長，濺射系統(tǒng)的背景真空好于5×10-5 Pa，濺射工作介質(zhì)Ar氣壓為0.5 Pa。真空腔內(nèi)裝有4個靶槍，可以一次性沉積16個多層膜樣品。

所有靶的純度均為99.99%。在薄膜生長時，襯底處施加了一個平行于襯底表面的磁場（30 kA·m-1）以誘導NiFe層的單軸各向異性。部分樣品在氣壓為3×10-5 Pa的真空爐中以350 ℃退火一個小時，退火過程中沿樣品易軸方向施加80 kA·m-1外磁場。用振動樣品磁強計（VSM）測量樣品的磁滯回線，四探針法測量其磁電阻。不同襯底和覆蓋層對NiFe層微結(jié)構(gòu)的影響通過X射線衍射儀（XRD）測量，采用常規(guī)鏡面反射式2θ/θ衍射（specular diffration），X射線光源為Cu靶Kα線。

3 ?實驗結(jié)果和討論

W/NiFe/W和Ta/NiFe/Ta（NiFe厚度均為20 nm）樣品在制備態(tài)和退火后的磁電阻曲線如圖1所示?？梢钥闯?，在制備態(tài)時，利用W作為NiFe合金的緩沖層和覆蓋層的樣品AMR數(shù)值與利用Ta作為NiFe合金的緩沖層和覆蓋層的樣品AMR數(shù)值相近。經(jīng)過350 ℃退火后，W/NiFe/W和Ta/NiFe/Ta兩個樣品的AMR效應均有不同程度的下降，但是差別較小。W/NiFe/W薄膜和Ta/NiFe/Ta薄膜在制備態(tài)和退火后的AMR隨NiFe厚度變化關(guān)系如圖2（a）、（b）所示。在制備態(tài)時，W/NiFe/W與Ta/NiFe/Ta兩組薄膜樣品的AMR基本相同。一般來說，Ta/NiFe/Ta多層膜在高溫退火后的AMR效應會有不同程度的下降。如圖2（b）所示，W/NiFe/W多層膜經(jīng)過高溫退火后AMR效應也有所下降，其AMR比值相比于Ta相差不多。并且在NiFe層較薄的時候（小于10 nm）兩種樣品的AMR比值基本相同。下面從幾個角度來對比研究利用W或Ta作緩沖層和覆蓋層對NiFe薄膜AMR性質(zhì)的影響。

首先，通過X射線衍射研究分別利用W、Ta兩種元素作為緩沖層和覆蓋層對NiFe層微結(jié)構(gòu)的影響。為制備態(tài)NiFe厚度為20 nm時以W作為緩沖層、覆蓋層和Ta作為緩沖層、覆蓋層的鏡面反射衍射譜如圖3所示。從圖中可以看出，如圖3（a）所示，制備態(tài)的兩種多層膜沿NiFe（111）方向有很好的取向。而坡莫合金的易磁化方向正是（111）方向，說明兩種多層膜都有較好的磁性能。W/NiFe/W多層膜的（111）峰位在44.280 ？觷處，Ta/NiFe/Ta多層膜的（111）峰位在44.260 ？觷處，峰位基本相同，說明兩種多層膜中的NiFe的晶格參數(shù)基本相同。這是由于Ta、W的晶格常數(shù)十分接近，晶體結(jié)構(gòu)都為體心立方，所以NiFe在兩種緩沖層上生長的效果基本一樣。

根據(jù)圖3（a）和（b）的比較，我們發(fā)現(xiàn)，退火后，利用W作為緩沖層、覆蓋層的多層膜樣品，NiFe（111）峰位向高角度移動了0.14 ？觷。而利用Ta作為緩沖層、覆蓋層，NiFe（111）峰位向高角度移動了0.2 ？觷。這說明NiFe的晶格參數(shù)有所減少?？梢钥闯觯?jīng)過退火處理后多層膜中的Ta、W都有一定擴散，這是樣品AMR下降的一個原因。

Ta/NiFe/Ta薄膜在高溫退火過程中通常伴隨著NiFe晶粒長大和界面擴散這兩個過程。如圖3（b）所示，為兩種NiFe薄膜在350 ℃退火后的鏡面反射衍射譜。兩種多層膜樣品在退火后峰寬均變窄：W/NiFe/W樣品的半峰寬（FWHM）在退火前是0.606 ？觷，退火后是0.507 ？觷;Ta/NiFe/Ta樣品的峰寬在退火前是0.540 ？觷，退火后是0.508 ？觷根據(jù)Scherrer公式，兩種樣品的垂直膜面方向晶粒大小均超過10 nm，比膜厚略小。退火過程中峰寬變寬意味著NiFe晶粒有所增大。從以往的研究中我們知道，晶粒尺寸的大小會影響AMR效應。晶粒尺寸增大會使得AMR值增加，但退火后樣品AMR比值均下降，進一步證明其原因是由于界面擴散所導致。

W/NiFe/W和Ta/NiFe/Ta（NiFe厚度均為20 nm）樣品在制備態(tài)和退火后的磁滯回線如圖4所示。經(jīng)過退火處理后，樣品W/NiFe（20 nm）/W易軸方向矯頑力由2.240 e增至2.460 e;樣品Ta/NiFe（20 nm）/Ta易軸方向矯頑力由1.780 e增至2.000 e，可以看出，兩種多層膜樣品退火后仍保持比較優(yōu)異的軟磁性，矯頑力變化不太大。利用W做緩沖層、保護層的效果與Ta相近。

一般在多層膜的界面處會出現(xiàn)磁性死層，并且經(jīng)過退火處理后死層厚度會增加。而磁性死層會影響NiFe層的有效厚度，導致AMR值的下降。當NiFe層較薄時，影響更加明顯。樣品Ta（4 nm）/NiFe/Ta（4 nm）和W（4 nm）/NiFe/W（4 nm）系列多層膜NiFe薄膜的磁矩與厚度的關(guān)系曲線如圖5所示，數(shù)據(jù)已經(jīng)被線性擬合，其中實線為制備態(tài)，虛線為退火后。從圖中我們可以看出，NiFe薄膜的磁矩和厚度之間幾乎呈線性關(guān)系。而直線沒有通過原點，這說明Ta（4 nm）/NiFe/Ta（4 nm）和W（4 nm）/NiFe/W（4 nm）系列多層膜中均在界面處存在磁矩損失，即存在磁性死層。利用W作緩沖層、覆蓋層的多層膜樣品在制備態(tài)時，磁性死層厚度為0.30 nm。退火處理后，死層厚度增至1.16 nm。而以Ta作緩沖層、覆蓋層的多層膜樣品經(jīng)過退火處理后，死層厚度由1.56 nm增至2.12 nm。

可以看出，不論是在制備態(tài)還是退火后，W/NiFe/W系列薄膜的磁性死層厚度更小，磁性更穩(wěn)定。膜間的擴散難易程度和材料的表面能、熔點有一定關(guān)系。

常溫時，Ta的表面能為3.018 J·m-2，W的表面能為3.468 J·m-2;Ta的熔點為3 269 K，W的熔點為3 683 K?？梢钥闯?，W的表面能和熔點均稍大于Ta，所以在退火過程中W更不容易擴散到NiFe薄膜中去，從而死層厚度更小，提高了樣品磁性的溫度穩(wěn)定性。

4 ?結(jié) ?語

綜上所述，通過對比研究W/NiFe/W和Ta/NiFe/Ta系列樣品，發(fā)現(xiàn)制備態(tài)時AMR值基本相同，退火后W/NiFe/W的AMR比值比Ta/NiFe/Ta稍差，但在NiFe層較薄時（小于10 nm）效果基本相同。并且，利用W作緩沖層、保護層所產(chǎn)生的磁性死層更小，磁性能更穩(wěn)定。

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