对于铁磁金属薄膜纳米点连接的磁电阻

导读::本文分析和报告了运用电子束光刻技术和真空薄膜沉积技术制备的宽度在20纳米至250纳米之间的铁磁金属薄膜纳米连接在不同温度下的磁电阻现象和I-V特性,比较了铁磁金属薄膜纳米连接磁电阻的比例与其宽度之间的关系,得出了在我们所制备薄膜纳米连接样品的尺度范围内,样品的导电行为仍然是金属导体导电行为,受量子化电导效应的

作用较小,并且我们所观察到的磁电阻现象主要是铁磁金属薄膜的各向异性磁电阻行为。

关键词:真空薄膜,铁磁纳米连接,各向异性磁电阻

0 引言

自从试验室里在铁磁金属线“T”型结构纳米点接触中观察到的高达200%的磁电阻现象以来[1],无论是工业界还是学术界都对铁磁金属纳米连接和纳米点接触的自旋极化电子的输运特性都表现出极大的兴趣,近年来,在铁磁金属纳米点接触样品中更有超过100000%的磁电阻现象的报道[2 3],更增加了工业界和学术界对这一试验现象的关注,对在试验中观察到的如此大比例的磁电阻现象的起源进行了广泛的研究,目前基本上有两种观点,一种认为在变化的磁场作用下,铁磁金属线“T”形结构纳米点接触中存在着随磁场的改变而移动的磁畴-畴壁,当随磁场改变而发生移动的畴壁正好移动到纳米点连接处,畴壁的厚度也将减小到纳米尺度,正是由于纳米乃至原子尺度的畴壁对不同自旋极化取向的电子的透射率的极大差别,才会引起这种超大比例的磁电阻现象铁磁纳米连接,这种现象又称为弹道磁电阻现象[4];另一种观点认为由于存在着磁致伸缩和微磁力等因素,使铁磁金属点接触处的微观结构随着磁场的改变而发生变化,这些微观结构的变化同样会引起铁磁金属点接电阻的巨大变化[5]。点接触样品是指通过压力或其它方式使两个晶体表面之间直接形成导电通道,通常包括纳米尺度和原子尺度的点接触,典型的点接触样品的制作方法是机械[5]、电化学[6]和颗粒冷压[7 8],目前在运用这几种典型制作点连接样品方法制作的铁磁金属“T”形结构纳米点接触样品中普遍观察到了超大比例的磁电阻现象[1 2 3],但由于本身结构的缺陷,运用这几种方法制作的铁磁金属“T”形结构纳米点接触样品在变化的磁场作用下普遍存在着磁致伸缩和微磁力等因素引起的微观机械结构的变化,所观察到的超大比例磁电阻现象可能由这些微观机械结构的变化所引起,因此使用一种在测量磁电阻时可以避免磁致伸缩和微磁力等因素的制样方法对研究铁磁金属纳米点连接和点接触的磁电阻现象将起到关键作用;同时这三种典型的纳米点接触样品的制作方法均存在着和现代半导体工艺的兼容问题,在硅片衬底上制备的薄膜铁磁金属纳米连接,由于薄膜紧紧的贴在衬底的表面,从而可以避免在测量磁电阻时磁致伸缩和微磁力等因素引起的纳米点连接区域的微观结构的改变,使我们的研究更具参考和应用价值,但是制备尺度小于100纳米的纳米点连接难度极大,在实验室里制备稳定的原子点连接目前仍是一项挑战任务。基于以上考虑,本文运用现代半导体工业中普遍采用的电子束光刻技术和真空薄膜沉积技术制备了宽度在20纳米至250纳米之间的薄膜铁磁金属纳米连接,并对其在不同温度下的自旋极化电子输运特性进行了研究。

1试验及方法

采用了LOR/PMMA双层光刻胶剥离技术在硅片上制作平面型的铁磁金属Permalloy薄膜纳米连接,首先将硅片表面上旋涂一层30% LOR 3A, 涂胶速率是2000 r/min,旋涂时间为60S,然后将带有LOR 3A 涂层的硅片放在真空炉中在180oC的条件下烘烤以除去其中的有机溶剂,烘烤时间约为20分钟;接着,在LOR 3A 涂层表面上再旋涂上一层2.5%的PMMA 2041,涂胶速率是2000 r/min,旋涂时间为60 S,将制备好的双层光刻胶模版在真空炉中在180oC条件下烘烤1小时,在这种条件下得到典型的双层光刻胶LOR/PMMA厚度分别约为60/120纳米。电子束曝光设备使用的是LeicaCambridge公司的VB6电子束直写系统铁磁纳米连接,曝光条件是电子束加速电压100 Kv,曝光剂量500-2000μC/cm2,曝光过程结束以后,使用溶剂对曝光区域残留的光刻胶进行清洗,然后使用去离子水对整个表面进行清洗,最后使用N2气对样品进行干燥处理。Ti(2nm)/ NiFe(5-15nm) / Ti (2nm)多层薄膜沉积的设备使用的是Nordiko磁控溅射系统,待真空沉积过程结束以后,对样品进行脱模,清洗,和干燥等处理。待整个Permalloy 纳米连接制备完毕以后,我们运用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对样品进行了表征 ,测量了铁磁纳米连接在常温下和80K时的磁电阻,运用了磁力显微镜表征了纳米连接区域的微磁结构,并对不同宽度的铁磁纳米连接的磁电阻现象进行了比较。 2结果与讨论我们分别运用扫描电子显微镜和原子力显微镜对所制备的铁磁金属薄膜纳米点连接的表面进行了表征,图1是扫描电子显微镜的表征结果,图2是原子力显微

镜的表征结果,从图2可以清楚的看出薄膜纳米点连接的宽度约为20纳米,为了比较磁电阻的比例和薄膜纳米点连接宽度之间的关系,我们还制备了其它宽度的薄膜纳米点连接样品,典型的宽度在20纳米至250纳米之间。图3为样品在80K时的典型的I—V曲线,并没有发现非线性行为,表明薄膜纳米点连接样品在这个尺度范围内仍然是金属导体导电行为,受量子化电导效应作用较小。图4和图5分别为在300K和80K时采用两点法所测得的样品的磁电阻曲线,所施加的磁场平行于电流,在300K和80K时的磁电阻的比例分别约为0.6%和1.1%,从图中所示的磁电阻曲线形状以及磁电阻的比例,我们可以判断所测量的铁磁金属薄膜点连接样品仍然主要受各向异性磁电阻行为的支配。为了得出磁电阻的比例与铁磁金属薄膜纳米点连接的宽度和电阻之间的关系,我们在80K条件下测量了不同宽度的样品的电阻和磁电阻铁磁纳米连接,结果如图6所示,表明在亚微米区域,磁电阻的比例与样品的宽度和电阻之间没有必然的关系,也就是说在亚微米尺度,样品的磁电阻大小并不随尺度的减小而明显的增加。

图1:运用扫描电子显微镜对铁磁金属薄膜纳米点连接样品进行表征。

Fig.1:The morphology of the ferromagnetic point nanoconstriction by SEM.

图2:运用原子力显微镜对铁磁金属薄膜纳米点连接样品进行表征,纳米点连接的宽度在20 nm左右。

Fig.2:The morphology of the ferromagnetic nanoconstriction by AFM, the width is about20 nm.

图3:在80K时,铁磁金属薄膜纳米点连接样品的电流对电压的特性曲线。

Fig.3:The I-Vcurve of the ferromagnetic point nanoconstriction at 80K.

图4:在室温下(300K)铁磁金属薄膜纳米点连接的典型磁电阻曲线。

Fig.3:The typical magnetoresistance curves of the ferromagnetic point nanoconstrictionat room temperature (300K).

图5:在80K时铁磁金属薄膜纳米点连接的典型磁电阻曲线。

Fig.4:The typical magnetoresistance curves of the ferromagnetic pointnanoconstriciton at 80K.

图6:在80K时,不同宽度的铁磁金属薄膜纳米点连接对应的电阻和1000Oe磁场时的磁电阻,

表示样品的电阻, 表示样品的磁电阻。

Fig.5: The resistance andmagnetoresistance at 1000Oe of the ferromagnetic point nanoconstriction withdifferent width, is theresistance of the nanoconstriction, is the magnetoresistance of thenanoconstriction.

3 结论

小型化是信息产业的发展趋势,本文成功的运用双层光刻胶剥离技术在硅片表面上制作了最小尺度为20纳米的平面型铁磁金属薄膜纳米点连接,测量了样品的I-V特性和磁电阻曲线,结果表明在这个尺度范围内,样品的电导行为受量子化电导效应的作用较小,磁电阻行为主要是各向异性磁电阻效应,并且磁电阻的比例与样品的宽度也没有必然的关系。

参考文献:

1N. García,M. Mu?oz,and Y.-W. Zhao.Magnetoresistance in excess of 200% in Ballistic Ni Nanocontacts at RoomTemperature and 100 Oe[J]. Phys. Rev. Lett,82, 1999:2923-2926.

2Susan Z. Huaand Harsh DeepChopra. 100,000 % ballistic magnetoresistance instable Ni nanocontacts at room temperature[J]. Phys. Rev. B, 67, 2003:060401-060405.

3Harsh DeepChopra, M. R. Sullivan, J. N. Armstrong, and S. Z. Hua.The Quantum Spin-valvein Cobalt Atomic Point Contacts[J].Nature Materials, 4, 2005:832-837.

4tataraG,Zhao Y W,Mu?oz M,et al. Domain Wall Scattering Explains 300% BallisticMagnetoconductance of Nanocontacts [J]. Physical Review Letters,83, 1999: 2030-2033.

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