利用多靶磁控濺射系統制備了一系列坡莫合金薄膜樣品Ta(4nm)/ZnO(t)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(t)/Ta(3nm)，研究了ZnO插層厚度、基片溫度對坡莫合金薄膜各向異性磁電阻(AMR)和微結構的影響。利用四探針法測量薄膜樣品的AMR值，利用X射線衍射儀分析樣品的微結構。結果表明：由于ZnO插層的“鏡面反射”作用，選擇適當厚度的ZnO插層能夠大幅度提高坡莫合金薄膜AMR值，對于厚度為20nm的Ni81Fe19薄膜，在基片溫度為400℃時，通過插入2nm厚的ZnO插層使得AMR值較不加插層提高了11%。

　　目前，在新型功能材料領域，磁性材料一直占有一席之地。各向異性磁電阻(AMR)坡莫合金(NiFe)薄膜由于其高靈敏度和低飽和磁場性質，被廣泛應用于各種磁性傳感器和磁盤讀出系統。如今，雖然AMR作為磁頭的功能已經被自旋閥等其他磁電子元件取代，但其角度敏感性的特征因具有不可替代的優點和廣泛的應用前景而一直受到相關領域的關注。隨著電子器件集成化和小型化的發展趨勢，新型的磁性傳感器要求坡莫合金薄膜必須做得很薄，并且要保證其AMR值和靈敏度盡可能高，而坡莫合金薄膜的AMR對制備工藝條件和薄膜本身的參量特別敏感，尤其是隨著NiFe膜的厚度減小，其AMR值也會迅速下降。究其原因在于：厚度太薄的薄膜的結晶度較差，增加了電子散射強度；若NiFe膜的厚度太薄，則緩沖層與保護層的分流作用增強，導致AMR值減小；還有各層薄膜間的固相反應導致“磁死層”的出現破壞了薄膜微結構等。因此，需要探索出新的措施去解決這些問題，進而制備出厚度更薄，保持AMR值較大的坡莫合金薄膜。2002年，沈峰等[6]報道了利用納米氧化層(NOL)的“鏡面反射”作用制備出一種非連續納米氧化層自旋閥，其巨磁電阻(GMR)效應高達15%，較無此NOL的自旋閥提高近1倍，同時交換偏置場亦有所增強。2007年王東偉和2009年丁雷等將幾個納米厚的Al2O3層插入Ta/NiFe/Ta薄膜的Ta/NiFe界面，結果表明：適當厚度和結構狀態的Al2O3層可以提高薄膜的磁電阻值。與Al2O3比較，ZnO薄膜的結晶溫度較低，該優勢有利于抑制固相外擴散。如果以ZnO作為新的氧化插層，在提高坡莫合金AMR值和靈敏度的同時，可有效降低實驗條件。本實驗以ZnO作為Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)薄膜中Ta層和Ni81Fe19層界面處的納米氧化層，研究氧化層ZnO的插入對坡莫合金薄膜AMR的影響。

1、實驗

　　本實驗利用JGP-450型三靶磁控濺射系統在超薄康寧玻璃基片上制備Ta(4nm)/ZnO(tnm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(tnm)/Ta(3nm)薄膜。Ni81Fe19為直流磁控濺射靶，濺射功率為128W，濺射速率為0.273nm/s；Ta亦為直流磁控濺射靶，濺射功率為112W，濺射速率為0.258nm/s。ZnO為射頻磁控濺射靶，濺射功率為100W，濺射速率為0.133nm/s。薄膜厚度由濺射速率與濺射時間共同控制。實驗本底真空為5.8×10-4Pa，工作氣體為99.99%的高純氬氣，工作壓力為0.5Pa。在濺射的過程中，利用永磁鐵提供磁場強度為19kA/m的磁場作為誘導磁場，沿膜面在磁場方向感生出一條易磁化軸。室溫下，用非共線四探針法測量薄膜樣品的AMR值，用X射線衍射(XRD)儀分析薄膜結構。

2、實驗結果與討論

　　2.1、ZnO插層厚度對坡莫合金薄膜AMR的影響

　　為研究ZnO插層厚度對坡莫合金薄膜AMR的影響，我們制備了一組Ta(4nm)/ZnO(tnm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(tnm)/Ta(3nm)薄膜，其中ZnO插層厚度t分別為0，0.5，1，1.5，2，3，4nm。圖1是不同ZnO插層厚度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線。由圖可以看出，當t=0.5nm時，樣品的AMR值由3.06%降低到2.96%，然后隨著ZnO層厚度的增加，樣品的AMR值隨之升高，當t>2nm時，AMR值趨于穩定。

圖1 不同ZnO插層厚度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線

　　針對這一結果，分析如下：當ZnO層厚度0nm<t<0.5nm時，由于濺射到Ta層和Ni81Fe19層界面的ZnO分子較少，不足以形成形態穩定的薄膜，而是出現了Ta、Ni81Fe19、ZnO三種物質混合的不連續島狀結構，此結構嚴重影響Ni81Fe19層的正常生長，從而導致樣品AMR值降低；當0.5nm<t<2nm時，樣品的AMR值明顯升高，這是由于隨著ZnO層厚度增加，Ta層和Ni81Fe19層界面逐步形成連續的ZnO層，該層抑制界面處Ta與Ni81Fe19之間發生的固相反應，從而導致AMR值升高。此外，根據電子反射效應，插入的ZnO層，可以充當“鏡面”，將分流的電子反射回來，減小了Ta層的分流作用，也使得樣品的AMR值增大。當t>2nm時，隨著ZnO層厚度的增加，“鏡面反射”層對傳導電子的散射作用不再增強，使其處于一種較為穩定的狀態，最終使得樣品的AMR值不再明顯升高。對于薄膜厚度為20nm的薄膜，在基片溫度為400℃時，通過插入2nm厚的ZnO插層使得AMR值從3.06%提高到3.37%(其MR曲線如圖2所示)，提高了近11%。

圖2 Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)薄膜MR曲線(基片溫度400℃)

　　為研究ZnO插層厚度對坡莫合金薄膜AMR影響的微觀機制，對已制備薄膜樣品做了XRD分析。圖3是插入ZnO層前后20nmNiFe薄膜的XRD圖像。由圖可以看出，衍射角2θ為44.4°處對應衍射峰為(111)，其強度沒有很明顯的變化。也就是說，ZnO層的插入并沒有改變坡莫合金薄膜的微觀結構，使其仍能保持原來的磁性能。如上所述，插入ZnO層后，使得坡莫合金薄膜AMR值提高的主要因素在于：①Ta層和Ni81Fe19層界面形成連續的ZnO層可以抑制界面處Ta與Ni81Fe19之間發生的固相反應，從而導致AMR值升高。②插入的ZnO層充當“鏡面”，將分流的電子反射回來，減小了Ta層的分流作用，并改善了自旋電子的散射途徑，導致樣品的AMR值增大。

圖3 插入ZnO層前后20nmNiFe薄膜的XRD圖像

　　2.2、基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜AMR的影響

　　為研究基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜AMR的影響，在不同基片溫度下制備了一組Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)的薄膜樣品，其中基片溫度T分別取室溫(25℃)、250，300，350，400，450，500℃。圖4是不同基片溫度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線，其中a曲線為插入ZnO層的薄膜Ta(4nm)/ZnO(2nm)/Ni81Fe19(20nm)/ZnO(2nm)/Ta(3nm)；b曲線為未插入ZnO層的薄膜Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)。

圖4 不同基片溫度下坡莫合金薄膜AMR值的變化曲線

　　由圖4可知，對于插入ZnO層的a曲線，隨著基片溫度的升高，樣品的AMR值先升高后降低，當基片溫度為400℃時，該曲線達到峰值為3.37%；對于未插入ZnO層的b曲線，隨著基片溫度的升高，樣品AMR值也隨之升高，當基片溫度為450℃時，達到最大值3.27%，之后AMR值趨于穩定。比較插入ZnO層前后薄膜樣品的AMR值的變化曲線，很容易看出，整體上插入ZnO層后，相對于不加插層的樣品，其AMR值有明顯的提高，尤其是在基片溫度為300℃時，提高幅度最大為100%。

　　為了分析基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜AMR影響的微觀機制，對以上薄膜樣品做了XRD測試。圖5是插入2nm厚ZnO層后20nmNiFe薄膜的XRD圖像，圖中兩個衍射峰所對應的衍射角2θ分別為44.4°，51.8°，對應衍射面的衍射指數分別為(111)，(200)。由圖可以看出，基片溫度對插入ZnO層的坡莫合金薄膜的微觀結構有明顯的影響。當基片溫度低于300℃時，由于濺射的Fe、Ni原子在膜面隨機排列，未能夠形成長程有序程度較高的相鄰原子對，導致薄膜的結晶度很差，從而在圖中只呈現出強度很弱的(111)衍射峰。當基片溫度高于300℃時，(111)衍射峰的強度逐漸增大，這是因為隨著基片溫度的升高，一方面給濺射到基片上的原子提供的能量增強，促使其在基片表面做漂移運動，一方面有效減少了膜內晶粒間和膜與基片間的應力分布，使薄膜缺陷減少。根據散射機制，薄膜中晶界減少，從而減弱了對傳導電子的散射，導致薄膜的電阻降低，最終使AMR值升高。當基片溫度達到400℃時，XRD衍射譜仍在2θ=44.4°

　　處為單一的(111)擇優取向，而該取向正是坡莫合金薄膜的易磁化方向。隨著基片溫度的升高，譜線在2θ=51.8°處，出現(200)衍射峰，該峰的出現導致(111)擇優取向的單向性降低，從而影響了坡莫合金薄膜的各向異性。這正符合了圖4中，當基片溫度達到400℃時，AMR值達到最大值，然后隨著基片溫度的升高反而降低。此外，過高的基片溫度會使各層膜之間發生擴散，導致薄膜的各向異性降低。與Al2O3相比，ZnO可以在較低的基片溫度和濺射功率下生長成結晶度高，晶粒取向好的薄膜。一個好的氧化物結晶層的形成，可有效增強對傳導電子的反射，降低薄膜的電阻率，增大AMR值。從圖4可以看出，當基片溫度僅在300℃時，插入ZnO層后的NiFe薄膜的AMR值相對于無插層的NiFe薄膜提高了近100%。

圖5 不同基片溫度薄膜的XRD圖像

3、結論

　　在Ta(4nm)/Ni81Fe19(20nm)/Ta(3nm)薄膜界面處插入納米ZnO層，當基片溫度低于400℃時，可有效提高坡莫合金薄膜樣品的AMR值，其最佳ZnO插層厚度為2nm。在基片溫度為300℃時，AMR值提高幅度最大約為100%，當基片溫度為400℃時，薄膜AMR達到最大值。