磁电阻效应传感器材料结构及性能的研究

发布时间：2019-04-02 03:01

【摘要】：从19世纪中期开始，人们就对磁电阻效应进行了深入的研究，并且将其广泛应用到各个领域。比如利用巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应可以制备磁传感器并且将其应用在生产研究的各个领域。磁传感器的种类很多，比如硬盘磁头、电流传感器、位置传感器、角度传感器等。虽然现在人们在磁电阻效应方面取得了很多骄人的成果，但是仍有很多问题需要解决，比如GIG(nano-granular in gap)传感器的灵敏度过低，其中颗粒膜体系磁电阻比值较小、稳定性较差等；线性磁敏传感器的线性输出范围过窄，灵敏度偏低以及传感器结构设计比较复杂等。这些问题都限制了磁电阻效应的实际应用，为了解决以上问题，我们研究了GIG传感器的颗粒膜磁电阻材料，分析了磁性金属／半导体颗粒膜的室温磁电阻效应，以便更好地理解颗粒膜磁电阻效应的物理机制并获得稳定的高室温磁电阻值；设计并制备了垂直取向的硬磁材料和面内取向的软磁层分别作为上下铁磁层的磁性隧道结线性传感器单元，即以L10-CoPt和Co分别作为上下铁磁层，MgO或ZnO为中间势垒层，研究了该三明治结构的制备方法、结构以及磁学性质等。因此，本论文主要研究磁电阻效应传感器材料的设计、结构以及性能等，在第一部分主要研究了GIG传感器核心部分的性质，即磁性金属／半导体颗粒膜磁电阻效应及其与电阻的依赖关系，，我们采用磁控溅射的方法在玻璃基片上制备了[Co(0.6nm)/ZnO(x)]60(x=0.3～2.5nm)薄膜体系。实验中固定Co层厚度，在不同溅射气压沉积不同厚度的ZnO，制备出大量室温磁电阻比值高于8%的薄膜样品，发现薄膜的室温磁电阻率与薄膜的电阻率(ρ)具有明显的相关性，当0.08Ω·cmρ0.5Ω·cm，室温磁电阻值较大，薄膜的电阻率过大或偏小时，磁电阻效应明显减弱，可以通过调节薄膜的电阻率制备高室温磁电阻率的薄膜。磁电阻效应源于电子在磁性金属纳米颗粒间通过半导体势垒层的隧穿输运，而电子在半导体中自旋无关的高阶跳跃以及磁性颗粒间的类金属连接都会减弱薄膜的磁电阻效应，并由此把磁电阻值进行了分区（隧穿区tunneling,跳跃区hopping,金属区metallic）。在第二部分我们研究了磁性隧道结线性磁电阻效应传感器，首先利用磁控溅射方法沉积了一系列Ag/CoPt薄膜，研究了基片，Ag底层厚度、CoPt厚度以及退火条件对CoPt薄膜结构和磁性能的影响。通过优化实验条件，制备出了理想的垂直取向的Ag(50nm)/CoPt(20nm)薄膜，在450oC高真空条件下退火得到具有大矫顽力，好矩形比且表面光滑的（001）取向L10-CoPt相薄膜，其矫顽力和矩形比分别达到15000Oe和1，然后通过分步沉积的方法制备出以L10-CoPt和Co分别作为上下铁磁层， MgO或ZnO为中间势垒层的Ag/CoPt/MgO(ZnO)/Co隧道结，磁滞回线具有明显的台阶变化，这说明L10-CoPt基隧道结的制备过程中分步沉积法可以有效避免层间扩散，形成理想的层间界面结构。总之，我们研究了磁性金属/半导体颗粒膜的磁电阻效应及磁电阻值与电阻率的依赖关系，设计和制备了L10-CoPt基隧道结线性传感器，研究了其结构和磁学性能，这都将进一步推进磁电阻效应在磁敏传感器器件中的应用。
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【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212;TB383.2

【参考文献】