GMR自旋阀材料的制备及性能研究

发布时间：2022-12-09 18:45

　　自从1988年巨磁电阻（GMR）效应被发现之后,基于GMR效应的磁性传感技术引起了人们的广泛关注。由于自旋阀结构的GMR传感器具有灵敏度高、线性度高和能耗低的优点,已经在航空航天、汽车电子、自动化控制等领域得到了广泛的应用。而自旋阀薄膜材料作为自旋阀传感器的核心部分,其性能直接影响传感器的灵敏度、磁滞特性和工作范围,为了制备出高性能的自旋阀薄膜材料,本文对自旋阀材料的结构设计、制备工艺和结构特性进行了深入的研究。本文中首先介绍了巨磁电阻材料及器件的研究现状和应用前景,阐述了本课题研究的目的,对GMR效应的物理机制及自旋阀材料的工作原理进行了研究。我们设计了单自由层结构、复合自由层结构和人工合成反铁磁被钉扎层结构的自旋阀材料,采用磁控溅射方法在硅衬底上制备了单自由层结构的顶钉扎自旋阀薄膜材料,对自旋阀结构中各层材料厚度进行了的优化,并且分析了各层材料的厚度对自旋阀材料性能的影响。尤其是重点研究了复合铁磁自由层和人工合成反铁磁被钉扎层结构对自旋阀材料性能的影响,优化了自旋阀结构和制备工艺,自旋阀薄膜材料的磁电阻率达到了 6.73%。此外,本文还研究了自旋阀材料的磁场角度依赖特性。我们做了两... 

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 GMR效应研究历史与现状
    1.2 GMR效应的应用
        1.2.1 GMR磁头
        1.2.2 GMR传感器
        1.2.3 磁随机存储器(MRAM)
    1.3 GMR传感器的研究进展及应用前景
    1.4 本论文研究的目的及主要内容
第2章 GMR自旋阀材料
    2.1 GMR材料的物理机理
    2.2 GMR材料的分类
        2.2.1 多层膜结构的GMR材料
        2.2.2 自旋阀结构的GMR材料
        2.2.3 颗粒膜结构的GMR材料
    2.3 铁磁/反铁磁的交换偏置
    2.4 本章小结
第3章 自旋阀薄膜材料的制备与表征
    3.1 自旋阀薄膜材料的制备技术
        3.1.1 磁控溅射原理
        3.1.2 磁控溅射系统
    3.2 自旋阀薄膜的制备流程
    3.3 自旋阀薄膜材料的性能测试
        3.3.1 磁电阻测试系统
        3.3.2 磁电阻曲线的测试方法
    3.4 本章小结
第4章 自旋阀薄膜材料的制备与性能优化
    4.1 自旋阀材料结构设计及各层材料的选择
    4.2 自旋阀材料的性能参数
    4.3 Ta/NiFe/Cu/NiFe/IrMn/Ta结构自旋阀材料的性能优化
        4.3.1 反铁磁层IrMn的厚度对自旋阀材料性能的影响
        4.3.2 被钉扎层NiFe的厚度对自旋阀材料性能的影响
        4.3.3 自由层NiFe的厚度对自旋阀材料性能的影响
    4.4 Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/NiFe/IrMn/Ta结构自旋阀材料的性能优化
        4.4.1 复合自由层中CoFe厚度对自旋阀材料性能的影响
        4.4.2 被钉扎层CoFe厚度对自旋阀材料性能的影响
        4.4.3 复合被钉扎层中NiFe厚度对自旋阀材料性能的影响
        4.4.4 缓冲层Ta厚度对自旋阀材料性能的影响
    4.5 人工合成反铁磁钉扎自旋阀材料的性能优化
        4.5.1 SAF结构自旋阀材料的磁电阻曲线
        4.5.2 SAF结构中Ru层厚度对自旋阀材料性能的影响
        4.5.3 SAF结构中CoFe厚度对自旋阀材料性能的影响
    4.6 本章小结
第5章 自旋阀材料的磁场角度依赖特性研究
    5.1 外磁场方向对自旋阀材料磁电阻率的影响
        5.1.1 外磁场方向对自旋阀材料电阻曲线的影响
        5.1.2 自旋阀材料的磁电阻率与外磁场方向角的关系
    5.2 固定大小的旋转磁场下自旋阀材料的磁阻特性分析
        5.2.1 自旋阀材料电阻在旋转磁场下的变化情况
        5.2.2 被钉扎层的磁化方向随旋转磁场方向角的变化情况
    5.3 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
附录


【参考文献】：
期刊论文
[1]自旋电子学及其器件产业化[J]. 都有为.  科学中国人. 2016(13)
[2]自旋阀GMR传感器及免疫磁珠检测[J]. 杨峰.  测试技术学报. 2016(02)
[3]自旋——未来的科技明星[J]. 都有为.  科技导报. 2014(25)
[4]GMR/TMR材料及相关自旋电子芯片研究[J]. 钱正洪,白茹,孙宇澄,李源,杨昌茂.  功能材料. 2014(10)
[5]基于自旋阀材料的可编程灵敏度磁敏传感器[J]. 朱华辰,钱正洪,胡亮,李健平,白茹.  材料保护. 2013(S2)
[6]基于GMR传感器的三轴电子罗盘[J]. 林乾浩,钱正洪,龚天平,白茹,詹宏良,孟庆丰,孙宇澄,杨昌茂.  机电工程. 2013(01)
[7]NiFe/CoFe复合自由层自旋阀巨磁电阻效应研究[J]. 金立川,张怀武,唐晓莉,李晶.  磁性材料及器件. 2011(01)
[8]巨磁电阻效应及其应用和发展[J]. 刘要稳.  科学. 2008(04)
[9]从物理发现到成功应用——兼谈2007年度诺贝尔物理学奖授予巨磁电阻效应发现者[J]. 韩秀峰,刘东屏,温振超.  科技导报. 2007(24)
[10]巨磁电阻薄膜材料的研究进展[J]. 温艳玲,钟云波,任忠鸣,邓康.  上海金属. 2005(02)

博士论文
[1]自旋阀结构及GMR传感器研究[D]. 刘华瑞.清华大学 2006

硕士论文
[1]宽测量间距巨磁阻齿轮转速传感器的研制[D]. 窦珂.杭州电子科技大学 2012



本文编号：3715185