采用NiFeNb 材料為坡莫合金薄膜的緩沖層，利用磁控濺射系統(tǒng)制備了一系列( Ni81 Fe19)80. 7 Nb19. 3( x) /NiO( y) /Ni81Fe19( 20 nm) /NiO( y) /Nb( 3 nm) 坡莫合金薄膜樣品，研究了( Ni81Fe19)80. 7Nb19. 3緩沖層厚度、NiO 插層厚度和基片溫度對(duì)坡莫合金薄膜各向異性磁電阻和微結(jié)構(gòu)的影響。用非共線四探針?lè)�測(cè)量薄膜樣品的各向異性磁電阻值( AMR) ，用X 射線衍射儀分析樣品的微結(jié)構(gòu)，用FD-SMOKE-A 表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量不同基片溫度下制備的薄膜的磁滯回線。結(jié)果表明：( Ni81Fe19)80. 7Nb19. 3緩沖層及NiO 插層都可有效的提高坡莫合金薄膜的AMR 值； 對(duì)于厚度為20 nm 的Ni81 Fe19坡莫合金薄膜，在NiFeNb 緩沖層厚度為2 nm，NiO 層厚度為4 nm，基片溫度為450℃的條件下，其AMR 值最大達(dá)到5. 25%，比以Ta 為緩沖層的薄膜的AMR 值提高了60. 6%。此時(shí)的坡莫合金薄膜出現(xiàn)了較好的( 111) 織構(gòu)和大晶粒現(xiàn)象，減少了晶界對(duì)傳導(dǎo)電子的散射，導(dǎo)致薄膜的AMR 值提高。

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS) 是目前應(yīng)用最為廣泛的定向、定位系統(tǒng)，但也存在著嚴(yán)重的問(wèn)題，如GPS極易被干擾； 定位衛(wèi)星容易被摧毀失效； 在水下、地下、太空等弱/無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的環(huán)境下無(wú)法使用等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)新的、安全可靠的定向、定位導(dǎo)航技術(shù)在未來(lái)導(dǎo)航領(lǐng)域變得越來(lái)越重要和緊迫。地磁場(chǎng)為矢量場(chǎng)，是地球固有的公共資源，是天然的“GPS”，具有全天時(shí)、全天候、全地域的特征。所以利用地磁場(chǎng)進(jìn)行定位導(dǎo)航，能夠完全獨(dú)立GPS，并且可以在水下、地下、近太空中使用。事實(shí)上，將GPS與地磁導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，二者相互補(bǔ)充并組合使用是導(dǎo)航領(lǐng)域的理想選擇。地磁場(chǎng)有兩個(gè)特點(diǎn)： 一是磁場(chǎng)強(qiáng)度非常弱，尤其是空間的磁場(chǎng)更弱，大概零點(diǎn)幾個(gè)高斯； 二是具有矢量性，不同方向其大小不同。因此，為了研制出高精度的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)，必須開(kāi)發(fā)出對(duì)弱磁場(chǎng)及方位都敏感的磁性材料。

　　各向異性磁電阻(AMR) 材料對(duì)方位( 或地磁方向) 很敏感，且各向異性磁電阻率與角度有定量關(guān)系：ρ( θ) = ρ⊥ + Δρcos2θ，因此各向異性磁電阻材料是研制地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的理想材料。由于坡莫合金薄膜具有價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高和飽和磁場(chǎng)低等優(yōu)點(diǎn)，所以坡莫合金NiFe 薄膜材料是目前應(yīng)用最廣泛的各向異性磁電阻材料之一。2000 年，Lee 等研究發(fā)現(xiàn)： 在提高坡莫合金薄膜各向異性磁電阻方面，NiFeCr 為緩沖層要優(yōu)于Ta； 隨后，又有一些學(xué)者報(bào)道了以NiFeCr 為緩沖層的坡莫合金薄膜的研究； 2004 年，劉俊等報(bào)道了以NiFeNb 為緩沖層時(shí)Nb 含量對(duì)納米級(jí)NiFe 薄膜ρ 和磁電阻的影響；2013 年，Wang 等又對(duì)這一緩沖層做了進(jìn)一步研究。2004 年以來(lái)，S. Yuasa 等研究了MgO 對(duì)鐵磁薄膜的作用，近幾年研究發(fā)現(xiàn)，將MgO，Al2O3或ZnO 與NiFe 結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)為T(mén)a /Al2O3 /NiFe /Al2O3 /Ta，Ta /MgO/NiFe /MgO/Ta 或Ta /ZnO/NiFe /ZnO/Ta 結(jié)構(gòu)時(shí)，NiFe 薄膜的磁場(chǎng)靈敏度(Sv) 有明顯提高。考慮到若以NiO 作為新的氧化插層，可有效降低NiO 中的氧原子與鄰層NiFe 中的Ni 原子的氧化反應(yīng)。因此，本文選擇( Ni81 Fe19)80. 7 Nb19. 3作為緩沖層，NiO 為氧化插層，Nb 作為保護(hù)層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了影響坡莫合金薄膜各向異性磁電阻值的因素和條件，并取得了較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即在相對(duì)較低的本底真空度5 × 10^-4Pa 下， 20 nm 厚的NiFe 薄膜AMR 值最大達(dá)到5.25%。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)中，采用磁控濺射系統(tǒng)在康寧玻璃基片上制備( Ni81 Fe19)80. 7 Nb19. 3( x) /NiO( y) /Ni81 Fe19( 20nm) /NiO( y) /Nb(3 nm) 樣品薄膜，濺射靶材分別為金屬靶Nb、陶瓷靶NiO 和合金靶Ni81Fe19，純度均高于99. 95%。薄膜中NiFeNb 緩沖層由Nb 靶和Ni81Fe19靶共同濺射獲得。Ni81 Fe19靶的濺射速率為0. 231 nm/s，Nb 靶的濺射速率為0. 088 nm/s，NiO靶的濺射速率為0. 103 nm/s。實(shí)驗(yàn)本底真空為5 ×10 ^-4 Pa，工作氣體是純度為99. 99%的高純氬氣，并保持0. 5 Pa 的工作壓力。在濺射過(guò)程中，利用永磁鐵在基片位置沿平行膜面方向提供磁場(chǎng)強(qiáng)度約為14. 3 kA/m 的磁場(chǎng)作為誘導(dǎo)磁場(chǎng)。

　　薄膜樣品的AMR 利用非共線四探針?lè)�測(cè)量，薄膜結(jié)構(gòu)及晶粒大小利用X 射線衍射( XRD) 儀分析獲得，不同基片溫度下制備的薄膜的磁滯回線由FD - SMOKE-A 表面磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量。以上所有的測(cè)量都在室溫下進(jìn)行。

2、結(jié)論

　　( Ni81Fe19)80. 7 Nb19. 3緩沖層和NiO 插層都可以有效的提高坡莫合金薄膜的AMR 值。對(duì)于20 nm厚度的Ni81 Fe19薄膜，當(dāng)NiFeNb 緩沖層厚度為2nm，NiO 插層厚度為4 nm，基片溫度為450℃時(shí)，薄膜的AMR 值達(dá)到最大值5. 25%，比以Ta 為緩沖層的Ta ( 4 nm) /Ni81 Fe19( 20 nm) /Ta ( 3 nm) 薄膜的AMR 值提高了60. 6%。微觀機(jī)制分析表明，坡莫合金薄膜( 111) 織構(gòu)的增強(qiáng)以及晶粒的增大是AMR值升高的主要原因。