CN103235274B - 一种基于反铁磁自旋转向现象的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于反铁磁自旋转向(spin？flop)现象的传感器，由人工反铁磁多层膜组成，其中，所述人工反铁磁多层膜采用磁控溅射制备而成，其结构由下至上包括：基片、缓冲层、第一铁磁层、非磁金属层、第二铁磁层和盖帽层。本发明的传感器可以在发生spin？flop时使电阻值产生迅速变化。

Description

一种基于反铁磁自旋转向现象的传感器

技术领域

本发明涉及磁电子学领域，具体的说涉及一种基于反铁磁spinflop(自旋转向)现象的传感器。

背景技术

磁传感器已经深入到现代社会的方方面面，而将它与生物医药领域的标记分子探测相结合，对于特殊病症的诊断和慢性病的早期发现都有很大帮助。其具体的工作方式和原理如下：采用特殊的方法将直径在几十纳米范围的磁性颗粒与包含特定生物素的有机分子结合制备成所谓的“磁性生物标记分子”。因为这些“磁性生物标记分子”中包含特定的生物素，如果这类生物素只与病灶部位的蛋白质结合的话，那么人体服用了以后，它将随着血液循环到达病灶并停留在那里。这样一来，施加一个适合的外磁场(H₀)使纳米磁性颗粒磁化，颗粒被磁化后会产生杂散场(ΔH)，那么用磁传感器探测杂散场(ΔH)的来源位置和大小，就可以知道纳米磁性颗粒所在的位置和数量，从而就知道病灶的位置和病变程度。

需要强调的是，“磁性生物标记分子”中所采用的磁性颗粒直径在几十纳米范围，为超顺磁颗粒，它们在外磁场方向的磁矩一般在数百奥斯特(饱和前)的范围内与外磁场几乎成线性关系，因此杂散场的大小除了正比于“磁性生物标记分子”的数目(N)，还正比于外磁场(H₀)。这就意味着，对于磁电阻传感器与带有超顺磁颗粒的“磁性生物标记分子”系统而言，其输出信号的大小(ΔR)实际上正比于生物标记分子数目(N)、外磁场(H₀)以及传感器自身在该偏置磁场强度下的磁场灵敏度三者的乘积，即：

$\mathrm{\ΔR}=R_0*N{H}_0{\left(\frac{\mathrm{dMR}}{\mathrm{dH}}\right)}_{H_0}*\mathrm{\ΔH}$

所以的乘积大小(而不仅仅是)才是决定磁性生物传感器性能优劣的关键参数。然而，目前报导的绝大多数磁性生物传感器都是常规的各向异性磁电阻效应或巨磁电阻效应传感器。对于此类常规磁传感器，它们的磁电阻曲线是过原点的直线，它们的显然是反比于传感器的饱和场的。这导致H₀和成为两个相互矛盾的量，增大其中一个的同时将导致另一个的减小，具体的说：要增加就要减小磁传感器的饱和场，从而就减小了H₀的有效可用范围；同样的要增加H₀的有效可用范围，就要增加磁传感器的饱和场，从而就降低了正因为如此，此类生物传感器的性能并不理想。解决以上H₀和dMR/dH矛盾的一个有效方法是将磁电阻曲线平移偏离原点，并尽可能增大斜率dMR/dH。例如，如图1所示，利用普通自旋阀易磁化方向的磁滞特点，在其矫顽力附近获得较高的探测灵敏度(值为5.95％)。但该方案有两个不足：一是由于矫顽力强烈依赖于材料的微结构和器件的几何形状等诸多因素，且可逆性差，这一方案难以应用于实际，二是工作外场H₀(矫顽力附近，约10Oe(奥斯特))还是太小，不利于灵敏度的提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于反铁磁spinflop现象的传感器，以发生spinflop时电阻值产生迅速变化，进而进行探测。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于spinflop的传感器，由人工反铁磁多层膜组成，其中，

所述人工反铁磁多层膜采用磁控溅射方法制备而成，其结构由下至上包括：

基片、缓冲层、第一铁磁层、非磁金属层、第二铁磁层和盖帽层。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：

所述缓冲层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，

所述缓冲层的厚度为1nm-1000nm。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：

所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的材料为：镍、钴或铁，或者由镍、钴和铁中至少两元素组成的合金，或者由多种铁磁层组成的复合铁磁层，

所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的厚度为1nm-100nm。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：所述非磁金属层的材料为以下材料中的任一种：

钌、铜、银、金、铬、钯和铝等，

所述非磁金属层的厚度为0.1-5nm。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：

所述基片的材料为硅或玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质，

所述盖帽层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，所述盖帽层的厚度为1nm-1000nm。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于spinflop的传感器，由人工反铁磁多层膜组成，其中，

所述人工反铁磁多层膜采用磁控溅射方法制备而成，其结构由下至上包括：

基片、缓冲层、第1铁磁层、第1非磁金属层、...第n铁磁层、第n非磁金属层、第n+1铁磁层和盖帽层，其中，n为自然数且大于1。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：

所述缓冲层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，

所述缓冲层的厚度为1nm-1000nm。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：

所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的材料为：镍、钴或铁，或者由镍、钴和铁中至少两元素组成的合金，或者由多种铁磁层组成的复合铁磁层，

所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的厚度为1nm-100nm。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：所述非磁金属层的材料为以下材料中的任一种：

钌、铜、银、金、铬、钯和铝等，

所述非磁金属层的厚度为0.1nm-5nm。

进一步地，所述传感器还具有下面特点：

所述基片的材料为硅或玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质，

所述盖帽层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，所述盖帽层的厚度为1nm-1000nm。

本发明提供一种传感器，将传统传感器中的基于巨磁电阻效应的自旋阀结构替换为人工反铁磁结构，发生spinflop时可以使电阻值的迅速变化，利用该人工反铁磁发生spinf1op时电阻值的迅速变化可以对磁性颗粒的杂散场进行探测，从而达到间接测量生物标记分子数量的目的。在本发明公开的方案中，利用优化的人工反铁磁结构的各向异性磁电阻(AMR)效应可以实现外场为75Oe左右(spinflop磁场)5.77％的探测灵敏度，将使现有传感器的性能得到极大改善。就磁生物探测领域来说，该传感器可用于探测摄入人体并与病灶相结合的磁性生物标记分子，从而实现对特殊病症的诊断。

附图说明

图1为GMR(GiantMagnetoResistive，巨磁阻)传感器的传递曲线和灵敏度曲线图；

图2为本发明一实施例的传感器的示意图；

图3为本发明另一实施例的传感器的示意图；

图4为本发明实施例的人工反铁磁spinflop示意图；

图5为人工反铁磁结构在平行于易轴方向的磁电阻曲线的简单模型分析示意图；

图6为本发明实施例1中样品的磁电阻曲线图；

图7为本发明实施例1中样品的磁滞回线图；

图8为本发明实施例2中样品spinflop场H₀和灵敏度随铁磁层厚度而变化的曲线图；

图9为本发明实施例3中样品spinflop场H₀、曲线斜率和灵敏度随着Ru厚度而变化的曲线图；

图10为本发明实施例4中样品的spinflop场H₀和灵敏度随着CoFe层厚度而变化的曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

针对现有技术的不足，本发明提出了另一种全新的传感器。该传感器利用人工反铁磁通常会在一个较大的外磁场下发生spinflop(自旋转向)现象，此时体系的电阻值因为各向异性磁电阻效应而发生迅速的变化，从而在偏离原点较远的地方(大的H₀)的得到一段斜率很大的(大的)磁电阻曲线。

图2为本发明一实施例的传感器的示意图，本实施例的传感器由人工反铁磁材料多层膜组成，该多层膜结构如图2所示由下至上为：基片101、缓冲层102、铁磁层103、非磁金属层104、铁磁层105和盖帽层106。

其中，基片101的材料为硅、玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质。

其中，缓冲层102选自过渡族3d、4d、5d金属，如Ta(钽)，NiFeCr或其它合金，氧化物，如MgO(氧化镁)等，其厚度为1nm-1000nm。

其中，铁磁层103和铁磁层105选自Ni(镍)、Co(钴)、Fe(铁)或由它们组成的任何二元或三元合金，如NiFe、CoFe、CoFeB(钴铁硼)、CoFeAl、CoFeGe(钴铁锗)等，或多种铁磁层组成的复合铁磁层，其厚度为1nm-100nm，并且，两铁磁层的材料和厚度可以不同。

其中，非磁金属层104的材料选自Ru(钌)、Cu(铜)、Ag(银)、Au(金)、Cr(铬)、Pd(钯)、Al(铝)等，其厚度为0.1-5nm。

其中，盖帽层106的材料自过渡族3d、4d、5d金属，如Ta，NiFeCr或其它合金，氧化物，如MgO等，其厚度为1nm-1000nm。

图3为本发明另一实施例的传感器的示意图，本实施例的传感器由人工反铁磁材料多层膜组成，该多层膜结构如图3所示由下至上为：基片、缓冲层、铁磁层1、非磁金属层1、铁磁层2、非磁金属层2、……、铁磁层n、非磁金属层n、铁磁层n+1、盖帽层。

其中，所述基片的材料为硅、玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质。

其中，所述缓冲层选自过渡族3d、4d、5d金属，如Ta，NiFeCr或其它合金，氧化物，如MgO等，其厚度为1nm-1000nm。

其中，所述铁磁层1、铁磁层2、、……、铁磁层n、铁磁层n+1选自Ni、Co、Fe或它们组成的任何二元或三元合金，如NiFe、CoFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeGe等，或多种铁磁层组成的复合铁磁层，其厚度为1nm-100nm，并且，各铁磁层的材料和厚度可以不同。

其中，所述非磁金属层1、非磁金属层2、……、非磁金属层n的材料选自Ru、Cu、Ag、Au、Cr、Pd、Al等，其厚度为0.1-5nm，并且，各非磁金属层的材料和厚度可以不同。

其中，所述盖帽层的材料自过渡族3d、4d、5d金属，如Ta，NiFeCr或其它合金，氧化物，如MgO等，其厚度为1nm-1000nm。

所谓的人工反铁磁结构为“铁磁/非磁/铁磁”三明治薄膜结构(如图2所示)或“铁磁/非磁”超晶格薄膜(如图3所示)，它们最重要的特点就是相邻的两个铁磁层之间存在比较强的反铁磁耦合，从而它们的磁矩方向是反平行的。也正因为人工反铁磁结构存在着以上的特点，因而它们的磁矩相对于单个铁磁层来说要稳定的多，所以目前已经被广泛地用作为自旋阀和磁隧道结的磁性参考层。

而本发明实施例是利用人工反铁磁通常会在一个较大的外磁场下发生spinflop现象，如图4所示，当在人工反铁磁材料的易轴方向加磁场时，当磁场值达到某一个较大的特定值时，两个铁磁层的磁矩会迅速转变到与外磁场几乎垂直的方向，这就是所谓的spinflop现象。此时体系的电阻值则因为各向异性磁电阻效应而发生迅速的变化，从而在偏离原点较远的地方(大的H₀)的得到一段斜率很大的(大的)磁电阻曲线。如图5所示为人工反铁磁结构在平行于易轴方向的磁电阻曲线的简单模型分析示意图，图中AB、CD段即为spinflop时的磁电阻曲线。可想而知，如果将外磁场(即H₀)设置在spinflop场附近，然后利用AB或CD段斜率很大的磁电阻曲线必将能对“磁性生物标记分子”的杂散场进行更好的探测，从而实现对病情的准确诊断。

实施例1：

本实施例中的传感器由人工反铁磁材料多层膜组成，多层膜结构由下至上为：热氧化的硅基片101；缓冲层102为Ta((埃))；铁磁层103为Ni₈₁Fe₁₉ ；非磁金属层104为Ru；铁磁层105为Ni₈₁Fe₁₉ ；盖帽层106为Ta

本实施例的人工反铁磁多层膜材料的制备方法为：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10^-5Pa，用Ar(氩)气作为溅射气体，溅射气压为0.5Pa，在表面氧化的Si(硅)片上依次沉积多层膜材料的各层膜。

图6给出了样品的磁电阻曲线，其中测量时外场沿易磁化轴方向施加。图中实验结果和图5中模型分析的结果基本符合，即：当磁场较小时，样品的电阻值基本不变，这说明该两铁磁层的磁化状态稳定，保持反平行状态且与外场平行；而当外场达到某一临界值时(H_sF)，样品的电阻值迅速变化(A1B1和C1D1段)，这便是由于spinflop现象引起来的，即两铁磁层的磁矩迅速地都转到与外磁场垂直的方向(但两铁磁层磁矩之间仍然保持为反平行)，从而导致样品的各向异性磁电阻发生迅速的变化。随后，外场进一步增大，样品电阻值又慢慢回到初始值，这是因为两铁磁层磁矩逐渐趋于和外场方向一致，最后都与外场平行而达到饱和。样品对应的磁滞回线如图7所示，其中测量时外场沿易磁化轴方向施加。

图6中A1B1和C1D1段就是本发明实施例要利用的spinflop段磁电阻变化曲线，从图中我们可以看到：这两段曲线中心均偏离原点(即背景技术部分所述的H₀)20Oe，曲线的斜率(即背景技术部分所述的dMR/dH)为1％/Oe，传感器的灵敏度为15％。明显比现有技术得到的传感器参数好很多。

实施例2

本实施例中的传感器由人工反铁磁材料多层膜组成，多层膜结构由下至上为：热氧化的硅基片101；缓冲层102为Ta；铁磁层103为Ni₈₁Fe₁₉ ；非磁金属层104为Ru；铁磁层105为Ni₈₁Fe₁₉ ；盖帽层106为Ta。其中，铁磁层103和铁磁层105的厚度相同。

本实施例的人工反铁磁多层膜材料的制备方法为：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10^-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.5Pa，在表面氧化的Si片上依次沉积多层膜材料的各层膜。

图8给出了样品spinflop场H₀和灵敏度随铁磁层厚度的变化。如图8所示，H₀由时的51Oe单调下降到时的12Oe，这主要是由于两铁磁层之间的反铁磁耦合强度随着铁磁层厚度的增加而减弱引起来的；而则随着铁磁层的厚度从增加到从0.3％单调增加到极大值15％，随后继续增加铁磁层厚度又迅速减小。

实施例3：

本实施例中的传感器由人工反铁磁材料多层膜组成，多层膜结构由下至上为：热氧化的硅基片101；缓冲层102为Ta；铁磁层103为Ni₈₁Fe₁₉ ；非磁金属层4为Ru；铁磁层105为Ni₈₁Fe₁₉ 盖帽层106为Ta

本实施例的人工反铁磁多层膜材料的制备方法为：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10^-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.5Pa，在表面氧化的Si片上依次沉积多层膜材料的各层膜。

图9给出了样品spinflop场H₀、曲线斜率dMR/dH和灵敏度随着Ru层厚度的变化。从图中我们可以看到：当Ru的厚度从增加到时，H0先增大后减小，时达到最大，约为28Oe。dMR/dH和的变化规律同H₀刚好相反，Ru为时最小。

实施例4：

本实施例中的传感器由人工反铁磁材料多层膜组成，多层膜结构由下至上为：热氧化的硅基片101；缓冲层102为Ta；铁磁层103为Ni₈₁Fe₁₉ /Co₉₀Fe₁₀ ；非磁金属层104为Ru；铁磁层105为Co₉₀Fe₁₀ /Ni₈₁Fe₁₉ ；盖帽层106为Ta

本实施例的人工反铁磁多层膜材料的制备方法为：采用磁控溅射的方法，本底真空优于5×10^-5Pa，用Ar气作为溅射气体，溅射气压为0.5Pa，在表面氧化的Si片上依次沉积多层膜材料的各层膜。

图10给出了系列样品的spinflop场H₀和灵敏度随着CoFe层厚度的变化。随着CoFe层厚度的增加，H₀和灵敏度均逐渐减小。其中，CoFe层厚度为的样品性质最优，它的H₀＝75Oe， $H_0{\left(\frac{\mathrm{dMR}}{\mathrm{dH}}\right)}_{H_0}=5.77\%.$

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于反铁磁自旋转向(spinflop)现象的传感器，由人工反铁磁多层膜组成，其特征在于，

所述人工反铁磁多层膜采用磁控溅射方法制备而成，其结构由下至上包括：

基片、缓冲层、第一铁磁层、非磁金属层、第二铁磁层和盖帽层；

当在人工反铁磁材料的易轴方向加磁场时，两个铁磁层的磁矩转变到与外磁场垂直的方向，形成反铁磁自旋转向现象，此时体系的电阻值因为各向异性磁电阻效应而发生变化，从而在偏离原点较远的地方得到一段斜率很大的磁电阻曲线；将外磁场设置在反铁磁自旋转向场附近，然后利用磁电阻曲线段斜率很大的磁电阻曲线，从而对磁性生物标记分子的杂散场进行探测。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：

所述缓冲层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，

所述缓冲层的厚度为1nm-1000nm。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：

所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的材料为：镍、钴或铁，或者由镍、钴和铁中至少两元素组成的合金，或者由多种铁磁层组成的复合铁磁层，

所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的厚度为1nm-100nm。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：

所述非磁金属层的材料为以下材料中的任一种：

钌、铜、银、金、铬、钯和铝，

所述非磁金属层的厚度为0.1-5nm。

5.如权利要求1-4任一项所述的传感器，其特征在于：

所述基片的材料为硅或玻璃，

所述盖帽层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，所述盖帽层的厚度为1nm-1000nm。

6.一种基于反铁磁自旋转向(spinflop)现象的传感器，由人工反铁磁多层膜组成，其特征在于，

所述人工反铁磁多层膜采用磁控溅射方法制备而成，其结构由下至上包括：

基片、缓冲层、第1铁磁层、第1非磁金属层、第n铁磁层、第n非磁金属层、第n+1铁磁层和盖帽层，其中，n为大于1的自然数；

当在人工反铁磁材料的易轴方向加磁场时，两个铁磁层的磁矩转变到与外磁场垂直的方向，形成反铁磁自旋转向现象，此时体系的电阻值因为各向异性磁电阻效应而发生变化，从而在偏离原点较远的地方得到一段斜率很大的磁电阻曲线；将外磁场设置在反铁磁自旋转向场附近，然后利用磁电阻曲线段斜率很大的磁电阻曲线，从而对磁性生物标记分子的杂散场进行探测。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于：

所述缓冲层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，

所述缓冲层的厚度为1nm-1000nm。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于：

所述第1铁磁层和所述第2铁磁层的材料为：镍、钴或铁，或者由镍、钴和铁中至少两元素组成的合金，或者由多种铁磁层组成的复合铁磁层，

所述第1铁磁层和所述第2铁磁层的厚度为1nm-100nm。

9.如权利要求6所述的传感器，其特征在于：

所述非磁金属层的材料为以下材料中的任一种：

钌、铜、银、金、铬、钯和铝，

所述非磁金属层的厚度为0.1nm-5nm。

10.如权利要求6-9任一项所述的传感器，其特征在于：

所述基片的材料为硅或玻璃，

所述盖帽层的材料为过渡族3d、4d或5d金属，所述盖帽层的厚度为1nm-1000nm。