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自1988年在磁性/非磁性多层膜材料中发现巨磁电阻(Giant Magneto Resistance,GMR)效应以来,巨磁电阻材料在传感器、存储器件等领域迅速获得了产业化和商业应用,由于其重要的学术研究价值和广阔的市场应用前景吸引了高校、科研院所和高科技公司相关科研人员的广泛关注和投入。1991年,B.Dieny提出了磁性层/非磁性隔离层/磁性层/反铁磁层的四层薄膜的自旋阀(Spin Valve)材料结构,相比于1988年发现的磁性/非磁性多层膜材料,自旋阀材料因灵敏度高、对磁场方向敏感及饱和场低等优势,在汽车电子、工业控制、消费电子以及生物医学等领域具有广泛应用前景。本文的主要工作就是开展自旋阀材料的制备、优化以及自旋阀传感器设计及制备工艺研究。本文主要研究包括:自旋阀材料的结构设计、材料选择与工艺优化,获得高性能的自旋阀材料;探索在柔性衬底上生长自旋阀材料,为柔性传感器的研制奠定基础;对基于自旋阀材料的传感器的设计及制备工艺流程进行研究,为下一步开展传感器制备及性能研究工作奠定基础。本文首先介绍了GMR效应的研究背景和应用前景,基于自旋阀材料在传感器领域的应用前景提出本课题研究目的及意义。接下来分析了GMR效应产生的物理机制以及自旋阀材料的基本工作机理。在自旋阀材料的结构设计、材料选择与工艺优化部分,为了增强材料在器件应用时的磁场稳定性,选用人工合成反铁磁材料作为被钉扎层,通过高真空磁控溅射方法在硅基衬底上制备了结构为“衬底/Ta/Ni Fe/Co Fe/Cu/Co Fe/Ru/Co Fe/Ir Mn/Ta”的SAF结构顶钉扎自旋阀材料,通过自由层、Cu层、被钉扎层和钉扎层等各层的优化,尤其是对SAF三明治结构Co Fe/Ru/Co Fe进行了重点优化,获得的自旋阀材料巨磁电阻比为6.4%、交换偏置场为950Oe。在对SAF三明治结构Co Fe/Ru/Co Fe进行优化时,通过调控两个Co Fe层的相对厚度,获得了具有正巨磁电阻效应和负巨磁电阻效应的不同性能的自旋阀材料,从而为自旋阀传感器的设计提供了一种新的研究思路。本文基于硅基衬底自旋阀材料的工艺优化结果,采用柔性聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalata,PET)衬底,生长了SAF结构的自旋阀材料,材料的巨磁电阻比为5%、交换偏置场为500Oe,相比于硅基衬底,材料的交换场有所降低,这与衬底表面的平整度及自旋阀材料的生长界面状态有关,要想提高材料性能,还需要进一步的优化。进一步地,本文对基于自旋阀材料的传感器的结构设计及制备工艺流程进行了研究,提出了采用正巨磁电阻效应材料和负巨磁电阻效应材料设计传感器,以及设置芯上在位磁场调制结构减小传感器的噪声,并设计了自旋阀传感器的制造工艺流程,为下一步开展自旋阀传感器的制备及性能分析奠定了基础。