巨磁电阻材料在高密度记录读出磁头、磁传感器(霍尔探测器、超微磁场探 测器等)、巨磁电阻随机存储器(MRAM)、无接触磁控元件、自旋晶体管、磁光信 息存储、汽车、数控机床、自动控制系统自动测量、卫星定位、导航系统、家 用电器、商标识别、磁性开关等方面有着广阔的应用前景。出于高频应用的考 虑，本论文研究了Fe-M-O中Fe(Co)-Al(Zr)-0系列颗粒薄膜TMR材料。 本论文共分为六章，工作主要内容为： 综述了巨磁电阻效应各种体系与研究中的现状与问题。采用玻璃和Si(100) 等做基板，利用射频磁控溅射法制备了系列Fe(Co)-Al(Zr)-O颗粒薄膜样品， 并对其在真空中于不同温度下进行了退火处理，样品的表面形貌和微观结构经 过透射电子显微镜(TEM)(JEOL 4000 EX)、选区电子衍射(SAD)和X射线衍射 (Rigaku D/Max2000，CuKa)观察研究。成份使用X射线能量散射谱(EDS)和X射 线光电子能谱(XPS)分析。磁性质和磁电阻性质分别使用振动样品磁强计、磁 导计等和标准直流四探针方法运行测量。从结构与工艺角度研究探讨了磁性与 磁电阻性能问题，对于材料设计与应用提出了新的结构与性能理念，即通过材 料性能的研究来选择结构与工艺，这种初步探索对材料的应用和新的材料测 量与设计观念的构建很有裨益。 研究了溅射输入功率对Fe-Al-O膜磁性等性能的影响。以溅射输入功率4.9 W/cm2沉积获得的纳米晶Fey5.9Al1.5O26膜饱和磁化(4πMs)为19.6 kG(Guass)，有 效磁导率μeff在100 MHz为1100(高斯单位制，下同)。表明Fe-Al-O膜适用 于高密度记录磁头。 研究了Co-ME(ME=Al，Si，B，Ge，或Sn)-(N或O)膜的磁性能。在0基 薄膜中，只有含Al的薄膜中在有限的O2流量比的范围内有软磁性；在N基薄膜中， 不只含Al的薄膜有软磁性，而且含Si的薄膜也有软磁性，而且N浓度可以在较 宽的范围内变化，大于O基的薄膜。O含量在30-50at.％的Co85Al15-O薄膜中可观 察到清晰的颗粒状结构，粒子尺寸的分布相对比较窄，观察到O含量超过50 at.％ 的薄膜中包含氧化物相。在O和N系统Co-(N或O)薄膜中ρ值的不同，可以 归于它们形貌特征的不同和两个系统的晶粒间组成不同。观察到Co-Al-O颗 粒膜的电阻率随O2流量比的增加有两个增加阶段。呈现软磁性的Co-Al-(N或O) 薄膜完全由沿(111)择优取向的fcc相组成，这时的各向异性能最低。结果显 示Co-Al-O软磁性薄膜高的ρ和Bs和Hk值有利于改善μ-f响应特性。另外一 种有效改良μ-f响应特性的方法是热处理。 Fe70Co.30合金和Al2O2粉末做复合靶材制备了FeCoAlO薄膜，从TFM图像中看 到FeCoAlO薄膜晶粒具有形状各向异性，晶粒的长轴方向和短轴方向长度分别 为15 nm-30 nm和5 nm-15 nm不等。B-H曲线上得到的难轴各向异性场Hkh约为 20Oe。难轴矫顽力Hch小于1Oe，倾斜角在±3度。这说明FeCoAlO溅射膜在 基片上磁各向异性的离散性很低，均匀性好。用直径为3nm的电子束进行X射 线能量散射谱(EDS)分析，FeCoAlO溅射颗粒膜磁性各向异性不是起因于磁性颗 粒之间的各向异性耦合，起因于形状各向异性。300℃退火后FeCoAlO溅射颗粒 膜软磁性能无退化现象。FeCoAlO溅射膜的频率响应曲线证实从10MHz到1 GHz 复磁导率实部μ’大于1000，抗腐蚀性能好，好的温度稳定性使其能够经受磁 头制作处理工艺，可适用于高密度存储上的高速写磁头。 (Fe0.65C0.35)96Zr1O3颗粒膜退火后由谢乐公式计算可以看到与(Fe0.65Co0.35)99O1 膜相比应力释放较小。这是由于(Fe0.65Co0.35)99O1膜沉积时氧化物颗粒溶解在α -Fe(Co)相中，形成内应力，退火后形成氧化物CoFe2O4，游离出α-Fe(Co)相， 释放出内应力。而对(Fe0.63Co0.35)96Zr1O3膜，锆原子吸引α-Fe(Co)相中的氧原子， 由于锆原子扩散缓慢，退火后α-Fe(Co)相中溶解的氧依然未变。从矫顽力Hc与 退火温度Ta的关系图也可以看出退火对矫顽力Hc影响较小。(Fe0.65Co0.35)96Zr1O3的 选区衍射图(SAD)也可以看出退火前后微结构几乎无变化，这是由于Zr的加入。 与S.Chikazumi的理论相一致，存在一个最佳退火温度，此时它所含有的畴壁 能和磁弹性能之和最小，相应这时的矫顽力也最小，矫顽力的变化也符合Herzer 模型。 施加静磁场时热处理对沉积Fe-Al-O薄膜的单轴磁各向异性的强度和分 布影响很小，所以，各向异性不是由于磁退火效应引起的。沉积态和退火态施 加磁场方向对Fe-Al-O颗粒膜磁各向异性Ku的影响很小；单轴各向异性只与溅 射入射角〈θ〉有关，而与其它溅射条件如基板形状和直流静磁场无关。溅射入 射角〈e〉引起粗糙度变化对Fe-Al-O颗粒膜磁各向异性Ku的影响较大。说明斜 入射引起Fe-Al-O颗粒膜各向异性。工艺上可以通过改变衬底倾斜角度控制颗 粒膜磁各向异性。研究表明，Fe(Co)Al(Zr)O系薄膜磁各向异性是由形状各向 异性引起的。可对溅射Fe(Co)Al(Zr)O系颗粒膜进行后热处理进而研究薄膜的磁 性能及磁电阻性能。通过改变纳米Fe(Co)颗粒的尺寸大小可有效控制这种新型 复合材料的磁特性，以满足在信息和电子技术中的特殊需求。Fe-Al-N颗粒膜容 易腐蚀，而且4πMs值较低，Fe-M-O颗粒膜M中的Hf资源稀缺，Fe(Co)Al(Zr)O系 薄膜是实现高频应用目标的高磁导率、高磁感应强度、高电阻率、低损耗理想 铁基磁性材料。 Co-A-O颗粒膜的X射线光电子能谱表明，组成为CoO-AlOx，体相CoO虽为 反铁磁体，但当变为纳米颗粒时，表面原子对静磁矩的贡献很大，可以从反铁 磁变为铁磁性，CoO内米颗粒在AlOx母相中显示出巨大的隧道磁电阻效应。退火 下Co-A-O颗粒膜直到300℃仍可保持稳定，进一步退火温度升高，在Ta＞450℃ 时，形成尖晶石结构Co1-xAl2-xO1绝缘阻挡层的崩溃，TMR急剧下降，500℃下退火 时化学变化显著地影响磁电阻性质。在Co含量为44％、退火温度约为300℃时， Co-Al-O颗粒膜隧道磁电阻效应TMR值达到最大值-6.3％。 有了磁性颗粒膜磁性和磁电阻性能与化学组成和工艺的知识，对下一步根 据特定需要设计纳米磁结构和MRAM结构等都有帮助。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：颗粒膜，磁性隧道型磁电阻，高密度读出磁头，Fe(Co)-Al(Zr)-O，微 观结构，退火