巨磁阻效应

第 1 9

37

卷第 2期年 6月

常J O tJ R NA L’

州

技

术

师

范

学

院

学OFu

报l E C H N 0 10 C Y,

O于 C H A N (;Z H O U

T E A CH E R S

C O IJ五 G E

J U ll

y。

‘ 3 No,

.

2

19 9 7

效应及恒流电被制备具有巨磁阻效应的 C u N IC O/ C u多层膜委正松(常州技术师范学院化学工程系常州2 13 ) l) X (

巨磁阻

熊曹水(中国科技大学

李如康合肥 6 3 0 1) 2

摘效应i NZ十。、

要Z十

本文叙述金属与合金的各向异性的磁电阻效应,

,

磁性金属/金属多层膜的。,

巨磁阻十、

恒流电镀制备巨磁队金属多层膜以及巨磁阻金属多层膜应用

在室温条件下用含有 C了一

u C

离子的化合物作电解质恒流电镀,

。

u具有巨磁阻效应的 C一

o C

一

i/ N C.

u

多层膜生长在。

抛光的铜基质上在室温条件下磁场强度为

,

O

T l

,

测得电磁阻变化率达到 2 4 5%

关键词0

磁电阻

,

巨磁阻效应

,

多层膜恒流电镀

,

引言[首]尽管 1 86 5年就发现了磁场影响电阻率的磁电阻效应而该效应得到重视是 1 9 7 1年 Hu n tl,

先提出利用磁电阻效应作为磁盘读出磁头ZG B/ i厅2的高记录密度 1。

,

19 8 5

B M公司将它实用化年美国的 Ir

。

19男〕年,

BM公 I

司将感应式的写人薄膜磁头与坡莫合金所制成的磁电阻式读出磁头组合成双元件磁头9 8年巴西学者 1,

实现了,

i Bb i aM’

] 3 h从 (F c e/ C )多层膜中发现了巨磁阻现象以来 ln

巨磁阻得到了广泛的研究和应用

。

19 9 4,

B年 I

公司宣布利用 G M R效应研制成硬磁盘读出磁头的,

原型,

,

可将磁盘记录密度提高 1 7倍,

0、 it/ i达到 1 z n。

即每平方英寸面积内可存储 1 0亿个数据,

点超越现存的光盘记录是计算机工业的重大突破

在理论上阐明了巨磁阻效应的物理机理在。,

于传导电子自旋平行与反平行局域磁化矢量具有不同的散射几率

本文将介绍金属,

、

金属合金和金属多层膜的磁电阻效应。

比较制备巨磁阻金属多层膜的方

法阐述巨磁阻金属多层膜的应用和恒流电镀多层膜

1

金属合金金属多层膜的磁电阻效应收稿日期:

、

、

19 7

.

3 0

.

20

巨磁阻效应

常

州

技

术。

师

范

学

院

学

报

(自然科学版 )。

第3卷

磁电阻是指磁场对电阻率的影响

不同的金属磁电阻的变化率并

不相同,,。

非磁性金属的磁电阻效应研究表明磁电阻值是相当小磁场对电阻率的影响可归因于运动电子受到洛仑兹力的作用而改变其运动轨迹所致

对金属导线设<

,

p,

/

,

p土分别代表磁场平行或,

垂直于导线中电流方向的电阻率强电阻率增加磁电阻。,

,

实验结果为 p/>

p土

,

且△p土△户/均为正值,

即随磁场增,

。

与非磁性金属不同磁性金属与合金的 P/,

p土

,

通常 p/为正值l s

p土为负值

称各向异性

它的磁电阻的变化率通常是很小一

。

i例如坡莫合金 (N,

e F,

g l

] )薄膜的各向异性磁电 4合金[

阻效应室温值为 2%,,

3%

。

当磁性金属和非磁性金属成层状排布时。,

即一层磁性金属,,

一层非磁性金属,

,

它们的每层厚,

度达到一定要求时磁层通过非磁层进行交换作用为巨磁阻效应为负。,

当磁层在合适厚度时二近邻磁层之间存在,

反磁性祸合在外磁场的作用下测量磁电阻随外磁场变化磁电阻变化率最大可达 5 0%故命名。

金属多层膜巨磁阻不仅数值大而且其电阻率随磁场增大而减小即电阻变化率,。

,

此外磁电阻基本上各向同性即 p/二 p土

2

巨磁阻金属多层膜的应用感应式磁头的读出信号是取决于感应电动势大小,

而感应电动势与磁通量的变化率成正,

比

。

目前计算机磁盘发展的趋势是记录密度日趋增高而盘的尺寸却日趋变小随着磁盘直径变,,

,

,

小线速度下降感应式磁头读出信号下降信噪比减弱记录中,。,,,,

,

。

因此感应式磁头无法应用于高密度的磁。

磁电阻式磁头信号输人仅与磁通量有关与磁盘相对于磁头的运动速度无关。,,

因此作

,

为高密度读出磁头是十分有利的此外它有很好的信噪比

磁电阻传感器除作为高密度读出磁,

头外其他方面应用也十分广泛如作为位移传感器用于数控机床作为角度传感器用于汽车测

速与控速

。

因信号输人与磁电阻变化率成正比关系 C MR比 A M R大一个数量级从而可增大信号输出,,

,

简化信号接收和处理有利于器件小型化廉价化活力。

,

、

。

巨磁阻效应的发现为此领域的研究注人新的

,

3

具有巨磁阻效应金属多

层膜的制备方法巨磁阻多层膜是三明治结构。

即一层非磁性金属一层磁性金属相同金属厚度相同并且在,

,

,

,

几.

10

一

‘。

m

到几十,

10

一

’。

m。

之间具有严格的周期性;每层生长均匀纯净,

。

通常制备的方法为分子

:

束外延溅射电沉积法3 1] 5分子束外延[

,

用

VG8

M 0

M BE

设备生长伪/ C。

u

多层膜基压为 3,

x

10一

一

”

浏比 r详细的生长条件和 X射线衍射。,

图能在文献〔]中发现生长多层膜的 C 6 o层厚度为巧 10

‘。

m

Cu

厚度为

5

一

0 2

10

一

0 1

m

,

磁电阻变

化率可达 2 0%3 2.

。

溅射[

7

一],,

在室温条件下 C。与 C u分别被溅射沉积到 (11 1 )硅基质上和任意织构的硅基质上生成膜的

巨磁阻效应

第

2

期x

C劝/ C u多层膜娄正松熊曹水李如康:巨磁阻效应及恒流电镀制备具有巨磁阻效应的 C u N I

3

6结构 13 3.

(In o m C。

/

n Z

n l

:u〔

)研究发现任意方向的多层膜展示明显的反铁磁性偶合巨磁阻变化,,,,

率为 2 0%

而 (1 1 1 )方向的多层膜是铁磁性偶合巨磁阻变化几乎为零,

。

电沉积法电镀是一种简单而廉价的方法因为它与溅射和分子束外延相比不需要真空系统并能生长,,’

l最短周期为巧 1 9均匀超晶格金属/金属多层膜[ 0,

一

’ o

m

。

电镀可分为恒流电镀和恒压电镀它们都,

,

是根据不同金属的还原电位不同通过控制阴极电极电势分别电镀不同的金属膜 i恒压电镀 N,

。

一

凡

一

Cu/ C

u

多层膜 I] 0 1,

。

在恒压电源控制下阴极选择 (1 0 )织构的铜片铜属于,,

贵金属类型它需要低的负的过电势还原反应就能进行而镍和铁需要比较高的过电势还原反应才能进行层。,

,

,

他们用,

一

O

.

V和 4

一

2

.

V (相当于标准甘汞参比电极 )分别电解 5,,

Cu

层和凡,

一

i N

一

C。

在电镀过程中为了控制电压恒定电流将发生变化给控制电荷数带来困难需用计算机控。

制电荷量,

通过 X射线分析证实 F e1 4%.

一

i N

一

Cu/ C

u

多层膜周期低于 3 0

10

一

‘。

m

。

在

s

x

IJ

奥斯特的

磁场下电磁阻变化率达到

。

4

i恒流电镀 C。一 N我们用恒流电镀 C o一

一

Cu

u

/ Cu,

多层膜,

i N

一

Cu/ C

多层膜在恒流条件下分别用 4 n lA和《腼 A的电流

电镀 C u,

层和 Cu

一

i N

一

C O层多层膜生长在多晶铜上。

在室温条件下磁场强度为 0,

一

T l

,

测得电磁阻变化

率达到4.

2

.

5% 4

。

1

实验部分

在室温条件下使用恒流电源用数字电压表测量阴极的过电势纯铜片用作阳极 0,,,

。

.

1

的铜片经过机械抛光再用抛光剂抛光并用去离子水冲洗后用作阴极

,

,

。

用氨基磺酸盐和硫酸盐:

~

厚

作电解质该溶液中含有 O多,,

+

、

N产

+

、

C了离子

+

,

它们的摩尔浓度比例是。

1

1

:

0。

.

8 0

。

电镀池采用标

准三极法用标准的甘汞电极作参比电极 (标准的参比电极与阴极相距 s制电镀 Cu一

i N

一

o和 C

C

u

的时间以控制多层膜的厚度

,

m

)用计时装置分别控1:

具体的构造见图

恒流电源

u基质 c

铜电极

匕一}

{劝断二三一一/

l 1

洲口

‘

一一

电解质溶液

标准甘汞参比电极

图 1生长 C o

一

i N

一

Cu

C/

u

多层膜的装置示意图

巨磁阻效应

常

州

技

术

师

范

学

院

学

报,

(自然科学版 )

第

3

卷

由于在阴极上还原的金属离子随着电极电势的不同而异多层膜成为可能一。

这就使通过改变电极电势来生长,

我们用电流强度为 3,

一

6

ll

A。

恒流电流,、

,

相对于标准甘汞电极n 1

阴极过电势为,

0

.

13,

V 5

电极阴极电极过电势为一一u

一

0

.

16 5 V

在阴极电沉积的仅是 C u一

5恒电流强度为 3Co、

A

一

5伪认

时相对于标准甘汞

,

1 4 5V。

.

一

一

1 75 V.

i左右 N,

C

u

三种金属都电沉积到铜的基质上形。

C合金膜 i成一层伪 N我们通过改变电流来控制阴极电极电势用时间的长短来控制不同的电沉积的厚度

当一种。

金属电沉积的厚度符合要求时就可以通过改变电流来电沉积不同的金属到要求后取出铜片并把多层膜和铜片分离,,,

,

。

当多层膜的总厚度达,、

。

为了避免在测量磁阻过程中铜基质导致短路。,,

尽管阳极铜不断溶解到溶液中使溶液中的铜离子浓度增大;溶液中的 C o电镀到铜的基质使溶液中,

i离子不断地被 N

z o C

+

、

N产,

‘

不断减少

然而我们采用简单离子浓溶液作电解液生成,。

膜的重量在,

10 1唱以。

2时电镀几个样品后溶液就重新配制内面积 c,

也就是说离子浓

度变化的,

影响可以不考虑

离子浓度的变化引起过电势改变非常小。,

。

在电镀过程中分别测量阴极过电势,

的值阴极过电势降低很小

在室温条件下0.

用

胡几

0 3

一

10

稳流电源提供直流电源,

通过线圈而产生磁场。

,

磁场强度为。

一

T用 l,.

ZL S

智能比 R测量仪测量电阻用四极法测量多层膜的磁阻多层膜是粘附在玻璃上

4 24.

结果分析1

2

多层膜的周期性和结构x,

通过

a=射线衍射图来检测多层膜的周期性和结构用 C u K射线 (入。、、

1

.

8 4 1 5

10

一

’。

m

)作为 X

一射线源工作的管压管流分别为《服 VC

1 0氏11 A

。

X

射线衍射图见图

2

:

Pg》 2 (兀减

三

n u。 u o a 150 0‘材叫 \扮

100 0

20

5o

~

咨一一 L一曰‘ - L一工一 J一一上一 J一一上一二- J‘曰匕

8 3

0 4图 2

5 420

0 5

5

(d e

g

r e e

)

c多层膜的 x R D谱图 ( p s为 2以刃

巨磁阻效应

第

2

期

娄正松熊曹水李如康:巨磁阻效应及恒流电镀制备具有巨磁阻效应的,。

o u/ CN心 C u

多层膜

5 3

从 X射线衍射图可见形成的多层膜并不具有严格的周期结构这可能是时间控制欠准确所致部分样品存有超晶格峰如图但并不明显,,,。

(2 ( ) )布拉格峰较弱说明 (1 0 )的贡献较小高强度 (1 1 1 X )布拉峰表明多层膜 (1 1 1 )织构的取,

向占主导地位4.

。

2 2

.

多层膜的制备及其性质,

我们用电流强度控制阴极的过电势用时间的长短控制多层膜的厚度表l:

。

多层膜的生成条件见

表样品种类2又,

1

恒流制备多层膜的生长条件电镀c u/

电镀 Cu

电镀 Cu电流

u c

一

i N

一

。

电镀 c u/ c

u一

i N

一

o c

时间 ( )

t

(m A4

)

时间 (t )7

电流 ( 1 A)n

总层数

4 6 3 5

0 4

0 2

,‘

2

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率阻变磁化

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…。”

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认场强度才),

’“

图 3

样品 ( 1) ( 2 ) (3 )多层膜的磁阻变化率与磁场强度的关系

巨磁阻效应

36

常2 3.

州

技

术

师

范

学

院

学

报

《自然科学版 )

第

3

卷

4

.

多层膜磁阻变化率与铜层厚度的关系一

当C o,

Ni

一

Cu

层一定时巨磁阻的变化率随铜层厚度变化是曲线变化当电镀,

,

,

Cu

层时间为,

3秒时巨磁阻的变化率正好在波峰上 51 1 1那样绘出铜层变化曲线能象文献〔,

因此巨磁阻的变化率就大

。

由于时间和条件的限制不,,

。

他们是用计算机控制阴极电势监测从阳极迁移到阴极一

的电荷数从而精确控制镀层的厚度从图 3三个样品的磁阻变化率可以看出在 C o一定时样品的巨磁阻变化率随着 C厚度的变化呈曲线变化,

。

i N

一

u层 C

u

。

4 2 4..

巨磁阻与阴极铜基质的关系X ))布拉格峰较弱说明 (1 0 )的贡献较小高强度 (1 1 1射线衍射图可知 (2‘ )布拉峰表明多,

X

,

,

层膜 (1 1 1 )织构的取向占主导地位2.

,

但仍具有 ( 10 )方向的织构,,

,

所以多层膜磁阻变化率仅为。

5% 4,,

。

2」文献 L1报道 (1 1 1 )方向的多层膜是铁磁性偶合电阻变化率几乎为零由于在铜基质上。

镀膜生成样品的织构与基质的织构一致所以我们应该选择 (1 0 )织构占主导地位的铜片作阴极使生成多层膜 ( 1 0 )方向也占主导地位4.

2 5.

恒流电镀与恒压电镀的比较,

电镀过程中随着沉积的金属膜不断增厚阴极电势向负方向变化维持电解电流恒定外电压不断增加,,

,

。

我们用恒电流电镀为,

,

,

由于金属膜很薄二

,

电解液是简单离子浓溶液。

阴极电势变:

化很小较小的阴极电势改变不会对电流效率产生大的影响=,,

根据法拉第电解定律,

i总电量 Q l Q有效= F Q有效刀 Q n在恒电流条件下由于时间很容易精确控制电荷数就能控制得很准确而电流效率几乎不

变化长。

,

这样就可以计算出每层的沉积金属的厚度,,

,

并且能够精确控制每层的厚度使之均匀生,

而恒电压电镀时为了控制电压恒定电流将发生变化给控制电荷数带来困难流电镀较之文献,,

。

因此恒电

f1 1,

中采用的恒电势电镀具有许多明显的优点。,

。

它不需要复杂的计算机控制电,

荷量得到的膜厚仅用改变时间即可控制总之恒流电解仪器装备简单,

操作方便,

。

我们将用计算机来控制时间提高实验的精确,。

度并把铜层通过诸如锻造等方法进行加工增加 (1 0 )织构所占比例以提高磁阻变化率

5

结束语0年代人们对巨磁阻金

属膜进行了广泛的研究 9,

。

磁场对电阻率的影响归结于电子输出过,

程中与自旋相关的散射益扩大其应用领域。

。

利用巨磁阻效应研制成的磁电阻传感器成为新兴的高科技产品,,,

正日

在制备上。

尤其是恒流电镀法它不仅需要的设备简单而且使生产金属多

层膜工业化成为可能

巨磁阻效应

第

2

期

u IC委正松熊曹水李如康:巨磁阻效应及恒流电镀制备具有巨磁阻效应的 C u N O/ C多层膜

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