利用多靶磁控濺射系統(tǒng)制備了一系列坡莫合金薄膜樣品Ta(4nm)/ZnO(t)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(t)/Ta(3nm)，研究了ZnO插層厚度、基片溫度對坡莫合金薄膜各向異性磁電阻(AMR)和微結(jié)構(gòu)的影響。利用四探針法測量薄膜樣品的AMR值，利用X射線衍射儀分析樣品的微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：由于ZnO插層的“鏡面反射”作用，選擇適當(dāng)厚度的ZnO插層能夠大幅度提高坡莫合金薄膜AMR值，對于厚度為20nm的Ni81Fe19薄膜，在基片溫度為400℃時，通過插入2nm厚的ZnO插層使得AMR值較不加插層提高了11%。

　　目前，在新型功能材料領(lǐng)域，磁性材料一直占有一席之地。各向異性磁電阻(AMR)坡莫合金(NiFe)薄膜由于其高靈敏度和低飽和磁場性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于各種磁性傳感器和磁盤讀出系統(tǒng)。如今，雖然AMR作為磁頭的功能已經(jīng)被自旋閥等其他磁電子元件取代，但其角度敏感性的特征因具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用前景而一直受到相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。隨著電子器件集成化和小型化的發(fā)展趨勢，新型的磁性傳感器要求坡莫合金薄膜必須做得很薄，并且要保證其AMR值和靈敏度盡可能高，而坡莫合金薄膜的AMR對制備工藝條件和薄膜本身的參量特別敏感，尤其是隨著NiFe膜的厚度減小，其AMR值也會迅速下降。究其原因在于：厚度太薄的薄膜的結(jié)晶度較差，增加了電子散射強(qiáng)度；若NiFe膜的厚度太薄，則緩沖層與保護(hù)層的分流作用增強(qiáng)，導(dǎo)致AMR值減小；還有各層薄膜間的固相反應(yīng)導(dǎo)致“磁死層”的出現(xiàn)破壞了薄膜微結(jié)構(gòu)等。因此，需要探索出新的措施去解決這些問題，進(jìn)而制備出厚度更薄，保持AMR值較大的坡莫合金薄膜。2002年，沈峰等[6]報道了利用納米氧化層(NOL)的“鏡面反射”作用制備出一種非連續(xù)納米氧化層自旋閥，其巨磁電阻(GMR)效應(yīng)高達(dá)15%，較無此NOL的自旋閥提高近1倍，同時交換偏置場亦有所增強(qiáng)。2007年王東偉和2009年丁雷等將幾個納米厚的Al2O3層插入Ta/NiFe/Ta薄膜的Ta/NiFe界面，結(jié)果表明：適當(dāng)厚度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的Al2O3層可以提高薄膜的磁電阻值。與Al2O3比較，ZnO薄膜的結(jié)晶溫度較低，該優(yōu)勢有利于抑制固相外擴(kuò)散。如果以ZnO作為新的氧化插層，在提高坡莫合金AMR值和靈敏度的同時，可有效降低實(shí)驗(yàn)條件。本實(shí)驗(yàn)以ZnO作為Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)薄膜中Ta層和Ni81Fe19層界面處的納米氧化層，研究氧化層ZnO的插入對坡莫合金薄膜AMR的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　本實(shí)驗(yàn)利用JGP-450型三靶磁控濺射系統(tǒng)在超薄康寧玻璃基片上制備Ta(4nm)/ZnO(tnm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(tnm)/Ta(3nm)薄膜。Ni81Fe19為直流磁控濺射靶，濺射功率為128W，濺射速率為0.273nm/s；Ta亦為直流磁控濺射靶，濺射功率為112W，濺射速率為0.258nm/s。ZnO為射頻磁控濺射靶，濺射功率為100W，濺射速率為0.133nm/s。薄膜厚度由濺射速率與濺射時間共同控制。實(shí)驗(yàn)本底真空為5.8×10-4Pa，工作氣體為99.99%的高純氬氣，工作壓力為0.5Pa。在濺射的過程中，利用永磁鐵提供磁場強(qiáng)度為19kA/m的磁場作為誘導(dǎo)磁場，沿膜面在磁場方向感生出一條易磁化軸。室溫下，用非共線四探針法測量薄膜樣品的AMR值，用X射線衍射(XRD)儀分析薄膜結(jié)構(gòu)。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1、ZnO插層厚度對坡莫合金薄膜AMR的影響

　　為研究ZnO插層厚度對坡莫合金薄膜AMR的影響，我們制備了一組Ta(4nm)/ZnO(tnm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(tnm)/Ta(3nm)薄膜，其中ZnO插層厚度t分別為0，0.5，1，1.5，2，3，4nm。圖1是不同ZnO插層厚度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線。由圖可以看出，當(dāng)t=0.5nm時，樣品的AMR值由3.06%降低到2.96%，然后隨著ZnO層厚度的增加，樣品的AMR值隨之升高，當(dāng)t>2nm時，AMR值趨于穩(wěn)定。

圖1 不同ZnO插層厚度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線

　　針對這一結(jié)果，分析如下：當(dāng)ZnO層厚度0nm<t<0.5nm時，由于濺射到Ta層和Ni81Fe19層界面的ZnO分子較少，不足以形成形態(tài)穩(wěn)定的薄膜，而是出現(xiàn)了Ta、Ni81Fe19、ZnO三種物質(zhì)混合的不連續(xù)島狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響Ni81Fe19層的正常生長，從而導(dǎo)致樣品AMR值降低；當(dāng)0.5nm<t<2nm時，樣品的AMR值明顯升高，這是由于隨著ZnO層厚度增加，Ta層和Ni81Fe19層界面逐步形成連續(xù)的ZnO層，該層抑制界面處Ta與Ni81Fe19之間發(fā)生的固相反應(yīng)，從而導(dǎo)致AMR值升高。此外，根據(jù)電子反射效應(yīng)，插入的ZnO層，可以充當(dāng)“鏡面”，將分流的電子反射回來，減小了Ta層的分流作用，也使得樣品的AMR值增大。當(dāng)t>2nm時，隨著ZnO層厚度的增加，“鏡面反射”層對傳導(dǎo)電子的散射作用不再增強(qiáng)，使其處于一種較為穩(wěn)定的狀態(tài)，最終使得樣品的AMR值不再明顯升高。對于薄膜厚度為20nm的薄膜，在基片溫度為400℃時，通過插入2nm厚的ZnO插層使得AMR值從3.06%提高到3.37%(其MR曲線如圖2所示)，提高了近11%。

圖2 Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)薄膜MR曲線(基片溫度400℃)

　　為研究ZnO插層厚度對坡莫合金薄膜AMR影響的微觀機(jī)制，對已制備薄膜樣品做了XRD分析。圖3是插入ZnO層前后20nmNiFe薄膜的XRD圖像。由圖可以看出，衍射角2θ為44.4°處對應(yīng)衍射峰為(111)，其強(qiáng)度沒有很明顯的變化。也就是說，ZnO層的插入并沒有改變坡莫合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，使其仍能保持原來的磁性能。如上所述，插入ZnO層后，使得坡莫合金薄膜AMR值提高的主要因素在于：①Ta層和Ni81Fe19層界面形成連續(xù)的ZnO層可以抑制界面處Ta與Ni81Fe19之間發(fā)生的固相反應(yīng)，從而導(dǎo)致AMR值升高。②插入的ZnO層充當(dāng)“鏡面”，將分流的電子反射回來，減小了Ta層的分流作用，并改善了自旋電子的散射途徑，導(dǎo)致樣品的AMR值增大。

圖3 插入ZnO層前后20nmNiFe薄膜的XRD圖像

　　2.2、基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜AMR的影響

　　為研究基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜AMR的影響，在不同基片溫度下制備了一組Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)的薄膜樣品，其中基片溫度T分別取室溫(25℃)、250，300，350，400，450，500℃。圖4是不同基片溫度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線，其中a曲線為插入ZnO層的薄膜Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)；b曲線為未插入ZnO層的薄膜Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)。

圖4 不同基片溫度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線

　　由圖4可知，對于插入ZnO層的a曲線，隨著基片溫度的升高，樣品的AMR值先升高后降低，當(dāng)基片溫度為400℃時，該曲線達(dá)到峰值為3.37%；對于未插入ZnO層的b曲線，隨著基片溫度的升高，樣品AMR值也隨之升高，當(dāng)基片溫度為450℃時，達(dá)到最大值3.27%，之后AMR值趨于穩(wěn)定。比較插入ZnO層前后薄膜樣品的AMR值的變化曲線，很容易看出，整體上插入ZnO層后，相對于不加插層的樣品，其AMR值有明顯的提高，尤其是在基片溫度為300℃時，提高幅度最大為100%。

　　為了分析基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜AMR影響的微觀機(jī)制，對以上薄膜樣品做了XRD測試。圖5是插入2nm厚ZnO層后20nmNiFe薄膜的XRD圖像，圖中兩個衍射峰所對應(yīng)的衍射角2θ分別為44.4°，51.8°，對應(yīng)衍射面的衍射指數(shù)分別為(111)，(200)。由圖可以看出，基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的影響。當(dāng)基片溫度低于300℃時，由于濺射的Fe、Ni原子在膜面隨機(jī)排列，未能夠形成長程有序程度較高的相鄰原子對，導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶度很差，從而在圖中只呈現(xiàn)出強(qiáng)度很弱的(111)衍射峰。當(dāng)基片溫度高于300℃時，(111)衍射峰的強(qiáng)度逐漸增大，這是因?yàn)殡S著基片溫度的升高，一方面給濺射到基片上的原子提供的能量增強(qiáng)，促使其在基片表面做漂移運(yùn)動，一方面有效減少了膜內(nèi)晶粒間和膜與基片間的應(yīng)力分布，使薄膜缺陷減少。根據(jù)散射機(jī)制，薄膜中晶界減少，從而減弱了對傳導(dǎo)電子的散射，導(dǎo)致薄膜的電阻降低，最終使AMR值升高。當(dāng)基片溫度達(dá)到400℃時，XRD衍射譜仍在2θ=44.4°

　　處為單一的(111)擇優(yōu)取向，而該取向正是坡莫合金薄膜的易磁化方向。隨著基片溫度的升高，譜線在2θ=51.8°處，出現(xiàn)(200)衍射峰，該峰的出現(xiàn)導(dǎo)致(111)擇優(yōu)取向的單向性降低，從而影響了坡莫合金薄膜的各向異性。這正符合了圖4中，當(dāng)基片溫度達(dá)到400℃時，AMR值達(dá)到最大值，然后隨著基片溫度的升高反而降低。此外，過高的基片溫度會使各層膜之間發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致薄膜的各向異性降低。與Al2O3相比，ZnO可以在較低的基片溫度和濺射功率下生長成結(jié)晶度高，晶粒取向好的薄膜。一個好的氧化物結(jié)晶層的形成，可有效增強(qiáng)對傳導(dǎo)電子的反射，降低薄膜的電阻率，增大AMR值。從圖4可以看出，當(dāng)基片溫度僅在300℃時，插入ZnO層后的NiFe薄膜的AMR值相對于無插層的NiFe薄膜提高了近100%。

圖5 不同基片溫度薄膜的XRD圖像

3、結(jié)論

　　在Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)薄膜界面處插入納米ZnO層，當(dāng)基片溫度低于400℃時，可有效提高坡莫合金薄膜樣品的AMR值，其最佳ZnO插層厚度為2nm。在基片溫度為300℃時，AMR值提高幅度最大約為100%，當(dāng)基片溫度為400℃時，薄膜AMR達(dá)到最大值。