多層納米磁結(jié)構(gòu)單體的磁電輸運特性研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的迅速發(fā)展以及市場對電子學(xué)器件高集成、低能耗的強烈需求，促使器件逐漸趨于微型化，這為功能器件的研究和制造帶來很大的困難：一方面組成其器件的基本組成單元尺寸已經(jīng)減小到相應(yīng)的物理臨界尺寸或更小，顯示出一些特異的性質(zhì)，另一方面功能器件中的納米單體的操縱需要更為精細(xì)的技術(shù)，因此在納米尺度對組成功能器件的納米單體的原位、實時、動態(tài)可視化的操作和性質(zhì)測量是目前亟待解決的問題。本論文主要圍繞多層納米線以及多層薄膜在微納尺度下磁電輸運

2、特性的研究展開，設(shè)計并制造了在納米尺度對其磁電輸運性質(zhì)測量的電鏡原位磁輸運性質(zhì)測量儀(簡稱磁輸運儀)。主要內(nèi)容有：
　　(1)基于掃描電鏡原位磁輸運儀的設(shè)計與制造。磁輸運儀主要包括：納米操縱器、局域化磁化裝置、電源控制系統(tǒng)以及測量等附屬系統(tǒng)。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：納米操縱器可以實現(xiàn)三維運動，運動精度可達到0.18nm；局域化磁化裝置，能施加任意角度的均勻外加磁場，最大磁場可達1756Oe；電源控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)-350V~350V高壓輸出范

3、圍內(nèi)的線性放大，具有頻率響應(yīng)范圍大，負(fù)載能力強等優(yōu)點。在掃描電鏡對磁輸運儀運動、磁-電輸運測試性能等進行測試，基本達到預(yù)期目標(biāo)。
　　(2)電化學(xué)沉積法制備Fe30Co61Cu9/Cu多層納米線、微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)表征及其磁學(xué)性質(zhì)。多層納米線中Fe30Co61Cu9層為體心立方，Cu層為面心立方，F(xiàn)e30Co61Cu9層與Cu層間的界面過渡層厚度為2~4nm。粒徑分布統(tǒng)計結(jié)果表明，在Cu納米線中晶粒尺寸為48nm左右，而在多層納米線中的C

4、u層僅為6.7nm左右。在單相的Fe30Co61Cu9納米線和多層納米中的Fe30Co61Cu9層中的平均晶粒尺寸為6nm。這些詳細(xì)的微結(jié)構(gòu)信息為之后的多層納米線電學(xué)性質(zhì)的模擬計算提供實驗參數(shù)。Fe30Co61Cu9/Cu多層納米線與Fe30Co61Cu9納米線的磁學(xué)性質(zhì)對比研究表明，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)它們的磁化翻轉(zhuǎn)是一致轉(zhuǎn)動，分別可以用余弦模型和Stoner-Wolhfarth模型來描述。
　　(3)單根Fe30Co61Cu9/Cu多層

5、納米線的電學(xué)及其磁阻性質(zhì)研究。通過磁輸運儀分別對單根Fe30Co61Cu9/Cu多層納米線、Fe30Co61Cu9納米線以及Cu納米線的電學(xué)輸運特性進行對比研究，得到了它們的電阻率以及最大熔斷電流，其中多層納米線的電阻率最大ρMNW=5.41×10-7Ωm和最小的最大熔斷電流密度Jmax(MNW)=1.51×1011Am-2。利用Mayadas-Shatzkes(MS)模型對Cu納米線電阻率進行模擬計算得到的Cu納米電阻率與測量結(jié)果基本

6、相等，因此可用MS模型計算得到多層納米線中Cu層和Fe30Co61Cu9層中的電阻率，經(jīng)分析可知多層納米線中的界面過渡層具有極大的電阻率，這也驗證了多層納米線發(fā)生熔斷處往往在界面過渡處的現(xiàn)象，這表明界面過渡層對多層納米線的電學(xué)性質(zhì)有重要的影響。同時利用磁輸運儀在原位測量得到了多層納米線的磁電阻，磁電阻值較小，僅為0.97％，通過顆粒膜磁電阻模擬計算得到結(jié)果為1.03%，與實驗值基本吻合。
　　(4)多層薄膜納米結(jié)構(gòu)中界面過渡層的可

7、控制備及其微觀結(jié)構(gòu)。從前面多層納米線磁電輸運特性的研究中發(fā)現(xiàn)，界面過渡層對多層結(jié)構(gòu)的磁電學(xué)性質(zhì)重要影響。但是由于電化學(xué)沉積方法制備的多層納米線界面形狀不規(guī)則且不可控，這不利于界面層性質(zhì)的研究。為了更好的研究界面對多層結(jié)構(gòu)的磁、電學(xué)性質(zhì)的影響，利用磁控濺射的方法制備了不同Cu層厚度的Fe70Co30/Cu/Fe70Co30/SiO2、Fe70Co30/Cu/Fe70Co30/Cu/Fe70Co30/SiO2兩類多層薄膜。結(jié)果表明：磁控濺射

8、得到的多層薄膜具有嚴(yán)格的周期性結(jié)構(gòu)，F(xiàn)eCo層的厚度均為5.6nm，界面過渡層的厚度隨著Cu層厚度的增加而增大，厚度在0.5~2.6nm。這一形狀規(guī)則的界面過渡層為研究其對多層結(jié)構(gòu)中磁、電學(xué)性質(zhì)的影響提供了良好的基礎(chǔ)。
　　(5)多層薄膜納米結(jié)構(gòu)中界面過渡層對其磁電輸運性質(zhì)的影響系統(tǒng)研究。研究不同溫度下多層薄膜的磁電阻特性，表征了多層薄膜磁電阻隨著體系中Cu層厚度、溫度以及層數(shù)變化過程，結(jié)果表明：界面過渡層對多層薄膜體系中的磁電輸