一种磁电阻薄膜的制备及平面霍尔效应提高的方法，属于磁性薄膜领域。其特征是在基片/NiFe或NiCo和NiFe或NiCo/Ta界面上插入MgO、Al2O3、SiO2、ZnOPt、Ir、Au等。利用强“镜面散射”的纳米氧化物材料和强自旋-轨道耦合的材料改善薄膜中输运电子的散射途径，延长电子的自由程，进而达到提高Ni81Fe19和NiCo薄膜的PHE灵敏度、改善其热稳定性的目的，以满足磁传感器的性能和产品需求。薄膜结构为：基片/（1.0～20.0nm）MgO或Al2O3、SiO2、ZnO、Pt、Ir、Au等/（1.0～200.0nm）Ni81Fe19或NiCo/（1.0～20.0nm）MgO或Al2O3、SiO2、ZnO、Pt、Ir、Au等/（1.0～20.0nm）Ta。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁性薄膜领域，涉及磁电阻薄膜的制备方法，特别是涉及磁性薄膜材料的平面霍尔效应的提高。
技术介绍
自1954年戈登堡等人发现平面霍尔效应(PHE)之后，人们利用PHE效应制成各类传感器。近十几年来，利用PHE效应制成的传感器具有好的频率响应特性、线性度以及热稳定性，且材料成本低，制备工艺简单，可以广泛应用在信息、机电、电子、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。与巨磁电阻(GMR)和各向异性磁电阻(AMR)等传感器相比，PHE传感器具有低热漂移、更易获得线性响应、高的信噪比等优点，更适合测量微小磁场下沿电流方向的磁化偏移、微米或纳米磁系统下的反向磁化和磁畴结构。此外，PHE传感器在测量磁珠和生物分子、研究生物分子之间的反应上具有其独特的优势，在磁性生物传感器方面有很好的发展前景。目前文献所报导的PHE传感器的灵敏度普遍较低(大约为340V/AT)，与半导体霍尔效应传感器的灵敏度(大约为1000V/AT)相比还有很大差距。因此，要想推广PHE传感器的应用，必需采取适当的措施提高其灵敏度。具有较高灵敏度的PHE材料的制备是一项非常关键的工作，它是PHE传感器应用的基础。目前国际上还在不断地挖掘磁性PHE薄膜的潜力，提高其磁场灵敏度和热稳定性等，以扩大其应用领域。为了提高其灵敏度，采用适当的措施增大其信号大小或者降低其饱和场，或者通过合适的插层、退火等方法可以达到上述目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有较高的PHE灵敏度和热稳定性的NiFe和NiCo薄膜材料。 制备PHE传感器的传统材料是基片/Ta/NiFe (或NiCo) /Ta (下层的Ta做为缓冲层，上层的Ta做为保护层)。考虑到Ta有一定的分流作用，在制备Ni81Fe19和NiCo薄膜材料过程中，我们只保留了上层的Ta做为保护层。此外，在基片/NiFe (或NiCo)和NiFe (或NiCo)/Ta界面上插入一层具有强“镜面散射”的纳米氧化物材料如Mg0、Al203、Si02、Zn0等；或者在基片/NiFe (或NiCo)和NiFe (或NiCo) /Ta界面上插入具有强自旋-轨道耦合的材料Pt、Ir、Au等。利用强“镜面散射”的纳米氧化物材料和强自旋-轨道耦合的材料金属材料改善薄膜中输运电子的散射途径，延长电子的自由程，进而达到提高Ni81Feli^PNiCo薄膜的PHE灵敏度、改善其热稳定性的目的。，其特征是采用原子百分比。采用玻璃或单晶硅基片做为基底材料，在基底上沉积纳米氧化物或金属插层如MgO (或者A1203、Si02、ZnO> Pt、Ir、Au 等),再沉积 Ni81Fe19 或 NiCo 层，再沉积 MgO (或者 A1203、Si02、ZnO, Pt、Ir、Au等)，用Ta做保护层。实施方案是，溅射靶材为Ta靶、Ni81Fe19靶、NiCo靶、MgO 靶、Al2O3 靶、SiO2 靶、ZnO 靶、Pt 靶、Ir 靶、Au 革巴等。具体制备过程是在磁控溅射仪中进行，在清洗干净的玻璃基片或单晶硅基片上依次沉积，(1.0 20.0 nm) MgO (或者 Al2O3' SiO2' Zn。、Pt、Ir、Au 等)、(L O 200.0 nm)Ni81Fe19 (或者 NiCo)、(l.0 20.0 nm) MgO (或者 Al203、Si02、Zn0、Pt、Ir、Au 等)和(1.0 20.0 nm) Ta，其中Ta层作为防氧化保护层。溅射室本底真空度为1.0X 10_4 9.9X 10_4Pa或者1.0X 10_5 9.9X 10_5 Pa，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5 I小时，维持在气压0.1 1.5 Pa ;溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为0.2 2.7 Pa，溅射沉积速率为0.03 0.33 nm/分钟；基片用循环去离子水冷却，平行于基片平面方向加5 60 kA/m的磁场，以诱发一个易磁化方向；薄膜厚度由溅射时间控制。在真空退火炉中对薄膜进行不同温度、不同时间退火处理，并在磁场中随炉冷却。与现有技术相比，本专利技术使得在薄膜很薄时，如厚度为5 nm的Ni81Fe19，具有较高的灵敏度。对于样品结构为Mg0(3nm)/NiFe(5nm)/Mg0(3nm)/Ta(3nm)薄膜，当退火温度为500°C、2h的灵敏度为865V/AT，远远高于纯Ni81Fe19薄膜的灵敏度350V/AT。本专利技术方法制备的薄膜材料能够使得薄膜很薄时具有较高的PHE灵敏度和好的热稳定性等综合性能，以满足PHE传感器的产品需求。附图说明图1 分别是(a) Ta (3nm) /NiFe (5nm) /Ta(3nm)薄膜制备态的 PHE 曲线和(b)MgO(3nm) /NiFe (5nm) /MgO(3nm) /Ta(3nm)薄膜 500°C、2h 退火的 PHE 曲线。图2 是 SiO2 (3nm) /NiFe (5nm) /SiO2 (3nm) /Ta (3nm)薄膜的薄膜 500°C、2h 退火的PHE曲线。图3 是 Al2O3 (3nm) /NiFe (5nm) /Al2O3 (3nm) /Ta (3nm)薄膜的薄膜 500°C、2h 退火的PHE曲线。图4 是 Pt (3nm) /NiFe (5nm) / Pt (3nm)/Ta (3nm)薄膜的薄膜 500°C、2h 退火的PHE曲线。具体实施例方式具体实施方式:在磁控溅射仪中制备坡莫合金Ni81Fe19薄膜。首先将玻璃基片用有机化学溶剂和去离子水超声清洗，然后装入溅射室样品基座上。基片用循环去离子水冷却，平行于基片方向加有16 kA/m的磁场，并且基片始终以18转/分钟的速率旋转，溅射沉积速率为0.17nm/分钟。溅射室本底真空4.0X 10_5 Pa，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5小时，维持在气压0.5 Pa。在溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为0.2 Pa的条件下依次沉积5 nm厚度的Ta和200 nm厚度的NixFe100_x。通过对200 nm的NixFe100_x化学分析，找出薄膜成分符合81N1: 19Fe、并且薄膜杂质含量小于0.1%的情况下所对应的NixFe1(l(l_x合金靶。利用这个选出的坡莫合金靶来沉积Ni81Fe19薄膜。溅射室本底真空度为6.0 X 10_5 Pa，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5小时，维持在气压0.6 Pa;溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为0.2 Pa ;基片用循环去离子水冷却，平行于基片平面方向加有16 kA/m的磁场，以诱发一个易磁化方向。在真空退火炉中对薄膜进行退火处理，退火温度为500°C，退火时间为2h，并在磁场中随炉冷却。退火炉本底真空为3.0X 10_5 Pa,退火时沿薄膜的易轴方向加55 kA/m的磁场。 图1(a)为Ta(3 nm)/NiFe(5 nm)/Ta(3 nm)薄膜制备态的PHE曲线，薄膜的灵敏度350V/AT。图1 (b)为 MgO (3nm) /NiFe (5nm) /MgO (3nm) /Ta (3nm)薄膜 500°C、2h 退火的 PHE曲线，薄膜的灵敏度为865V/AT，远远高于纯Ni81Fe19薄膜的灵敏度350V/本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁电阻薄膜的制备及平面霍尔效应提高的方法，其特征是采用原子百分比，用Ta做保护层；在Ni81Fe19或者NiCo两边表面沉积MgO或者Al2O3、SiO2、ZnO、Pt、Ir、Au；实施方案是，溅射靶材为Ta靶、Ni81Fe19靶、NiCo靶、MgO靶、Al2O3靶、SiO2靶、ZnO靶、?Pt靶、Ir或Au靶，其中Al2O3、MgO、SiO2、ZnO纳米氧化层采用直接溅射氧化物靶材的方法；Ni81Fe19靶、NiCo靶、Pt靶、Ir?靶、Au靶或Ta靶采用磁控溅射方法；化学分析确定最终沉积薄膜成分为81Ni:19Fe，并且控制薄膜杂质含量小于0.1%。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李明华，于广华，马琳，冯春，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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