對于鐵磁金屬薄膜納米點連接的磁電阻

1、對于鐵磁金屬薄膜納米點連接的磁電阻導(dǎo)讀:本文分析和報告了運用電子束光刻技術(shù)和真空薄膜沉積技術(shù)制備的寬度在20納米至250納米之間的鐵磁金屬薄膜納米連接在不同溫度下的磁電阻現(xiàn)象和I-V特性,比擬了鐵磁金屬薄膜納米連接磁電阻的比例與其寬度之間的關(guān)系,得出了在我們所制備薄膜納米連接樣品的尺度范圍內(nèi),樣品的導(dǎo)電行為仍然是金屬導(dǎo)體導(dǎo)電行為,受量子化電導(dǎo)效應(yīng)的作用較小,并且我們所觀察到的磁電阻現(xiàn)象主要是鐵磁金屬薄膜的各向異性磁電阻行為。:真空薄膜,鐵磁納米連接,各向異性磁電阻0 引言自從試驗室里在鐵磁金屬線“T型結(jié)構(gòu)納米點接觸中觀察到的高達(dá)200%的磁電阻現(xiàn)象以來1,無論是工業(yè)界還是學(xué)術(shù)界都對鐵磁金屬納米

2、連接和納米點接觸的自旋極化電子的輸運特性都表現(xiàn)出極大的興趣,近年來,在鐵磁金屬納米點接觸樣品中更有超過100000%的磁電阻現(xiàn)象的報道2 3,更增加了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對這一試驗現(xiàn)象的關(guān)注,對在試驗中觀察到的如此大比例的磁電阻現(xiàn)象的起源進(jìn)行了廣泛的研究,目前根本上有兩種觀點,一種認(rèn)為在變化的磁場作用下,鐵磁金屬線“T形結(jié)構(gòu)納米點接觸中存在著隨磁場的改變而移動的磁疇-疇壁,當(dāng)隨磁場改變而發(fā)生移動的疇壁正好移動到納米點連接處,疇壁的厚度也將減小到納米尺度,正是由于納米乃至原子尺度的疇壁對不同自旋極化取向的電子的透射率的極大差異,才會引起這種超大比例的磁電阻現(xiàn)象鐵磁納米連接,這種現(xiàn)象又稱為彈道磁電阻現(xiàn)象

3、4;另一種觀點認(rèn)為由于存在著磁致伸縮和微磁力等因素,使鐵磁金屬點接觸處的微觀結(jié)構(gòu)隨著磁場的改變而發(fā)生變化,這些微觀結(jié)構(gòu)的變化同樣會引起鐵磁金屬點接電阻的巨大變化5。點接觸樣品是指通過壓力或其它方式使兩個晶體外表之間直接形成導(dǎo)電通道,通常包括納米尺度和原子尺度的點接觸,典型的點接觸樣品的制作方法是機械5、電化學(xué)6和顆粒冷壓7 8,目前在運用這幾種典型制作點連接樣品方法制作的鐵磁金屬“T形結(jié)構(gòu)納米點接觸樣品中普遍觀察到了超大比例的磁電阻現(xiàn)象1 2 3,但由于本身結(jié)構(gòu)的缺陷,運用這幾種方法制作的鐵磁金屬“T形結(jié)構(gòu)納米點接觸樣品在變化的磁場作用下普遍存在著磁致伸縮和微磁力等因素引起的微觀機械結(jié)構(gòu)的變化

4、,所觀察到的超大比例磁電阻現(xiàn)象可能由這些微觀機械結(jié)構(gòu)的變化所引起,因此使用一種在測量磁電阻時可以防止磁致伸縮和微磁力等因素的制樣方法對研究鐵磁金屬納米點連接和點接觸的磁電阻現(xiàn)象將起到關(guān)鍵作用;同時這三種典型的納米點接觸樣品的制作方法均存在著和現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝的兼容問題,在硅片襯底上制備的薄膜鐵磁金屬納米連接,由于薄膜緊緊的貼在襯底的外表,從而可以防止在測量磁電阻時磁致伸縮和微磁力等因素引起的納米點連接區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)的改變,使我們的研究更具參考和應(yīng)用價值,但是制備尺度小于100納米的納米點連接難度極大,在實驗室里制備穩(wěn)定的原子點連接目前仍是一項挑戰(zhàn)任務(wù)?；谝陨峡紤],本文運用現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中普遍采

5、用的電子束光刻技術(shù)和真空薄膜沉積技術(shù)制備了寬度在20納米至250納米之間的薄膜鐵磁金屬納米連接,并對其在不同溫度下的自旋極化電子輸運特性進(jìn)行了研究。1試驗及方法采用了LOR/PMMA雙層光刻膠剝離技術(shù)在硅片上制作平面型的鐵磁金屬Permalloy薄膜納米連接,首先將硅片外表上旋涂一層30% LOR 3A, 涂膠速率是2019 r/min,旋涂時間為60S,然后將帶有LOR 3A 涂層的硅片放在真空爐中在180oC的條件下烘烤以除去其中的有機溶劑,烘烤時間約為20分鐘;接著,在LOR 3A 涂層外表上再旋涂上一層2.5%的PMMA 2041,涂膠速率是2019 r/min,旋涂時間為60 S,將

6、制備好的雙層光刻膠模版在真空爐中在180oC條件下烘烤1小時,在這種條件下得到典型的雙層光刻膠LOR/PMMA厚度分別約為60/120納米。電子束曝光設(shè)備使用的是LeicaCambridge公司的VB6電子束直寫系統(tǒng)鐵磁納米連接,曝光條件是電子束加速電壓100 Kv,曝光劑量500-2019C/cm2,曝光過程結(jié)束以后,使用溶劑對曝光區(qū)域殘留的光刻膠進(jìn)行清洗,然后使用去離子水對整個外表進(jìn)行清洗,最后使用N2氣對樣品進(jìn)行枯燥處理。Ti(2nm)/ NiFe(5-15nm) / Ti (2nm)多層薄膜沉積的設(shè)備使用的是Nordiko磁控濺射系統(tǒng),待真空沉積過程結(jié)束以后,對樣品進(jìn)行脫模,清洗,和枯

7、燥等處理。待整個Permalloy 納米連接制備完畢以后,我們運用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)對樣品進(jìn)行了表征 ,測量了鐵磁納米連接在常溫下和80K時的磁電阻,運用了磁力顯微鏡表征了納米連接區(qū)域的微磁結(jié)構(gòu),并對不同寬度的鐵磁納米連接的磁電阻現(xiàn)象進(jìn)行了比擬。 2結(jié)果與討論 我們分別運用掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對所制備的鐵磁金屬薄膜納米點連接的外表進(jìn)行了表征,圖1是掃描電子顯微鏡的表征結(jié)果,圖2是原子力顯微鏡的表征結(jié)果,從圖2可以清楚的看出薄膜納米點連接的寬度約為20納米,為了比擬磁電阻的比例和薄膜納米點連接寬度之間的關(guān)系,我們還制備了其它寬度的薄膜納米點連接樣品,典型的寬

8、度在20納米至250納米之間。圖3為樣品在80K時的典型的IV曲線,并沒有發(fā)現(xiàn)非線性行為,說明薄膜納米點連接樣品在這個尺度范圍內(nèi)仍然是金屬導(dǎo)體導(dǎo)電行為,受量子化電導(dǎo)效應(yīng)作用較小。圖4和圖5分別為在300K和80K時采用兩點法所測得的樣品的磁電阻曲線,所施加的磁場平行于電流,在300K和80K時的磁電阻的比例分別約為0.6%和1.1%,從圖中所示的磁電阻曲線形狀以及磁電阻的比例,我們可以判斷所測量的鐵磁金屬薄膜點連接樣品仍然主要受各向異性磁電阻行為的支配。為了得出磁電阻的比例與鐵磁金屬薄膜納米點連接的寬度和電阻之間的關(guān)系,我們在80K條件下測量了不同寬度的樣品的電阻和磁電阻鐵磁納米連接,結(jié)果如圖

9、6所示,說明在亞微米區(qū)域,磁電阻的比例與樣品的寬度和電阻之間沒有必然的關(guān)系,也就是說在亞微米尺度,樣品的磁電阻大小并不隨尺度的減小而明顯的增加。圖1:運用掃描電子顯微鏡對鐵磁金屬薄膜納米點連接樣品進(jìn)行表征。Fig.1:The morphology of the ferromagnetic point nanoconstriction by SEM.圖2:運用原子力顯微鏡對鐵磁金屬薄膜納米點連接樣品進(jìn)行表征,納米點連接的寬度在20 nm左右。Fig.2:The morphology of the ferromagnetic nanoconstriction by AFM, the width i

10、s about20 nm.圖3:在80K時,鐵磁金屬薄膜納米點連接樣品的電流對電壓的特性曲線。Fig.3:The I-Vcurve of the ferromagnetic point nanoconstriction at 80K.圖4:在室溫下(300K)鐵磁金屬薄膜納米點連接的典型磁電阻曲線。Fig.3:The typical magnetoresistance curves of the ferromagnetic point nanoconstrictionat room temperature (300K).圖5:在80K時鐵磁金屬薄膜納米點連接的典型磁電阻曲線。Fig.4:The

11、 typical magnetoresistance curves of the ferromagnetic pointnanoconstriciton at 80K.圖6:在80K時,不同寬度的鐵磁金屬薄膜納米點連接對應(yīng)的電阻和1000Oe磁場時的磁電阻,表示樣品的電阻, 表示樣品的磁電阻。Fig.5: The resistance andmagnetoresistance at 1000Oe of the ferromagnetic point nanoconstriction withdifferent width, is theresistance of the nanoconstri

12、ction, is the magnetoresistance of thenanoconstriction.3 結(jié)論小型化是信息產(chǎn)業(yè)的開展趨勢,本文成功的運用雙層光刻膠剝離技術(shù)在硅片外表上制作了最小尺度為20納米的平面型鐵磁金屬薄膜納米點連接,測量了樣品的I-V特性和磁電阻曲線,結(jié)果說明在這個尺度范圍內(nèi),樣品的電導(dǎo)行為受量子化電導(dǎo)效應(yīng)的作用較小,磁電阻行為主要是各向異性磁電阻效應(yīng),并且磁電阻的比例與樣品的寬度也沒有必然的關(guān)系。1N. García,M. Mu?oz,and Y.-W. Zhao.Magnetoresistance in excess of 200% in Balli

13、stic Ni Nanocontacts at RoomTemperature and 100 OeJ. Phys. Rev. Lett,82, 2019:2923-2926.2Susan Z. Huaand Harsh DeepChopra. 100,000 % ballistic magnetoresistance instable Ni nanocontacts at room temperatureJ. Phys. Rev. B, 67, 2019:060401-060405.3Harsh DeepChopra, M. R. Sullivan, J. N. Armstrong, and

14、 S. Z. Hua.The Quantum Spin-valvein Cobalt Atomic Point ContactsJ.Nature Materials, 4, 2019:832-837.4tataraG,Zhao Y W,Mu?oz M,et al. Domain Wall Scattering Explains 300% BallisticMagnetoconductance of Nanocontacts J. Physical Review Letters,83, 2019: 2030-2033.5Egelhoff JrW F, Gana L, Ettedguia H, e

15、t al. Artifacts that mimic ballistic magnetoresistanceJ.Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 287, 2005: 496500.6Khotkevich A V and Yanson I K. Atlas of Point Contact Spectra ofElectron-Phonon Interaction in Metals M. KluverAcademic Publishers,Boston/Dordrecht/London , 20197Mészáros G,Kronholz S,Karth?user S,et al. Electrochemical fabrication and characterization of nanocontacts andnm-sized gapsJ. Ap