关键词：巨磁电阻；Au/Fe;磁性多层膜；颗粒膜

中图分类号：TG14；TB43 文献标识码：A文章编号：1671-4776（2003）11-0040-03

1引言

1988年M.N.Baibich等人首先在Fe/Cr磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应（ＧＭＲ，Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）［１］，随后又在金属颗粒膜［２］中发现了巨磁电阻效应。由于ＧＭＲ效应在高灵敏传感器、高密度读取磁头和随机读取存储器等领域有着广阔的应用前景，十几年来一直是国际材料科学领域的研究热点［３～５］。与多层膜相比，颗粒膜由于具有高ＧＭＲ值，制备方便，重复性高和热稳定性好等优点，逐渐成为研究的重点。颗粒膜的ＧＭＲ值与颗粒的大小、形态、界面状态等微结构密切相关。如何更好地控制磁性颗粒的尺寸和浓度以获得ＧＭＲ值，就成为颗粒膜研究中的主要问题。
目前，对于多层膜和颗粒膜的研究，基本上都采用对样品的离线测量。这种非在线的测量得到的是不连续的数据，不能及时反映出实验过程中可能出现的有价值的反常现象，也不利于确定各种临界值和极值等重要参数。

本文利用本实验室研制的磁性多层膜转变为颗粒膜过程的电磁物性在线测量系统［３］，通过将Ａｕ＋注入Ａｕ／Ｆｅ磁性多层膜，观察从多层膜到颗粒膜转化过程中的巨磁电阻效应，并研究了它与注入时样品的磁场强度、注入剂量等参数之间的关系。

2.1样品制备

在DMDE 450型光学多层镀膜机上，选用Ｆｅ，Ａｕ两种金属，在硅衬底上进行蒸镀，得到Ａｕ／Ｆｅ磁性多层膜。其中，Ｆｅ和Ａｕ的组分比是２０∶８０，厚度分别是６ ｎｍ和１０ ｎｍ，为１０层交替结构，衬底上的层为Ｆｅ，外层为Ａｕ，总厚度为８０ ｎｍ，以Ｆｅ２０Ａｕ８０Ｘ表示，Ｘ为样品中的杂质。

2.2离子束混合条件

选择１ ＭｅＶ的Ａｕ＋作为注入离子，这样既不会对样品引来新的杂质，也利于实验结果的分析。由Ｓｒｉｍ２０００（Ｔｈｅ Ｓｔｏｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｒａｇｅ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｍａｔｔｅｒｓ）程序计算得到，１ ＭｅＶ的Ａｕ＋在Ａｕ／Ｆｅ多层膜中的平均射程是８０５ ｎｍ，刚好可以穿过整个薄膜，达到的混合效果。

本工作是在北京大学１７ ＭＶ串列静电加速器［４］上完成的，在该设备上产生和注入Ａｕ＋，离子束流强度为１００ ｎＡ。

2.3外加磁场

磁场由钕铁硼永磁体来产生，通过微调改变永磁体和样品之间的距离，来控制磁场的大小。在Ｂ＝０ Ｔ（不加磁铁），０５ Ｔ，１ Ｔ时进行测量，分别代表无磁场，弱磁场和强磁场的情况。

2.4实验测量与分析

利用本实验室的在线测量系统［３］，在离子注入的同时，实时采集实验数据，进行分析和计算。巨磁电阻效应由公式ΔＲ／Ｒ０＝（ＲＨ－Ｒ０）／Ｒ０来计算，其中Ｒ０为样品初始电阻，ＲＨ为离子注入和加入磁场时的样品电阻。

3.1不同磁场下，巨磁电阻效应与注入剂量之间的关系

由～３可以看到，在离子束混合时，电阻的变化都是先减小，当到达一值后，电阻开始上升。而电阻变化率随注入剂量的变化与外加磁场的大小有关。

对于多层膜，作为一个简化模型，可以将薄膜中的Ａｕ层和Ｆｅ层都看作是单个的电阻，每层之间有一个接触电阻与之相联，那么总电阻就由这样的电阻网络组成。当离子束混合开始时，由于各种级联碰撞的发生，造成层结构被破坏，接触电阻被短路，于是电阻迅速下降。随着混合剂量的加大，随之带来的是层状结构的破坏、颗粒膜结构的建立和非晶膜的形成，这将使得和层状结构相联系的短路效应的作用逐渐减弱。而另一种效应，由高能重离子注入造成的缺陷及缺陷迁移的效应开始显现出来，缺陷的产生将使电子散射大大增加，表现出来的是电阻的增加。这三种相互作用的结果，就可看到电阻在离子束混合时出现一个变化的极值。离子束混合时中碰撞效应是快过程，而缺陷的迁移是慢过程［５］，所以会先看到下降，然后才看到增加，而且下降的速度要快于增加的速度。

在离子束混合时加入一个外加磁场时，就不仅有离子束混合时常见的粒子和缺陷的迁移，而且，由于外加磁场的作用，薄膜中的磁性Ｆｅ离子将会沿磁场方向排列。这时的电阻变化就需要考虑电子与自旋相关的散射对其的影响。

对于强磁场的情况，这种散射相比起来会大大减少，其实这也就是巨磁阻产生的原因。在实验中看到的结果就是在外加强磁场的情况下，电阻的变化要比没有磁场时大一倍，由约１０％变成２０％。而且当离子束混合形成的纳米颗粒越多时，这种效应越明显。但由于受离子束混合时粒子碰撞造成粒子排列无序的影响，电阻的变化同样有一个极小值。这也同时解释了为什么电阻不会是单调地减小，而且下降的速率相对较慢的问题。

而对于相对较弱的磁场，磁场的作用根本抵消不了由于碰撞混合产生的无序粒子的作用，其结果是离子束混合后，粒子的排列比混合前更加无序，自旋相关的散射反而增强了，反映到实验结果上就是电阻的变化比没有加磁场还要小。

3.2巨磁阻效应与磁场强度（磁感应强度）的关系

表明在外加磁场（B=1T）的作用下，样品电阻的变化率增大了将近一倍。这说明磁场的作用是相当明显的。根据磁性金属电阻的理论［６］分析，样品电阻主要由三部分构成：剩余电阻，热声子（晶格振动）对电子的散射产生的电阻和自旋相关电阻。其中自旋相关电阻率主要为自旋无序散射或自旋相关散射所致，这部分对磁有序程度非常敏感。图中表现出的电阻变化差异，主要是磁场的影响造成的，也是样品的自旋相关电阻差异的表现。由于磁场的作用使样品的磁性颗粒排列趋向有序，从而使自旋无序电阻率显著降低。

本文通过研究发现，Au／Fe磁性多层膜在离子束注入和外加磁场的作用下，表现出明显的巨磁电阻效应，巨磁电阻效应的大小与磁场强度和离子的注入剂量有着密切的关系：在离子注入的条件下，多层膜表现出一定的巨磁电阻效应，在一定剂量时，达到值；在外加磁场达到一定强度（～1T）时，将显著增大巨磁电阻效应。