CN1512603A - 一种氧化物巨磁电阻自旋阀、制备工艺及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化物巨磁电阻自旋阀、制备方法及其用途。属于材料制造、传感及磁存储技术领域。本发明所涉及的自旋阀至少由四层薄膜组成，依次是反铁磁层、钉扎层、隔离层、自由层；各层材料均为氧化物。其制备工艺为溅射法或溶胶－凝胶法或脉冲激光沉积法，本发明所涉及的氧化物巨磁电阻自旋阀在磁场作用下，其电阻率明显降低，具有饱和场低，磁场灵敏度高等优点。特别适合于制备高灵敏度的传感器和磁存储器件。

Description

一种氧化物巨磁电阻自旋阀、制备工艺及其用途
本发明属于材料制造、传感及磁存储技术领域，涉及一种氧化物巨磁电阻自旋阀、制备方法及其用途。
发明背景
巨磁电阻GMR(giant magnetoresistance)效应自从1988年在Fe/Cr多层膜中发现以来，由于其在磁读取头和磁随机存储器等领域的应用，立刻成为磁学、磁电子学、磁记录材料等新型功能材料领域的研究热点，
1993年，Helmolt等人独辟蹊径，在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到GMR效应，将GMR效应在研究金属与合金多层膜的同时推广到钙钛矿型稀土锰氧化物薄膜。1995年，熊光成等人在美国Maryland大学发现钙钛矿型锰氧化物Nd-Sr-Mn-O在77K、外场8T时，GMR值达到106％。但该效应需要低温(＜200K)和很大的外场(一般为5-8T)才能显示出来，限制了钙钛矿型稀土锰氧化物巨磁电阻材料的应用。提高使用温度和降低外场是目前钙钛矿型稀土锰氧化物巨磁电阻材料实用化的关键。北京有色金属研究总院与北京工业大学合作，已制备出室温条件下，磁电阻效应高达62％的钙钛矿型稀土锰氧化物体材和温度320K、外场0.8T、GMR值达8％的单层锰氧化物薄膜。但外场还需要进一步降低。
早在1991年，B.Dieny利用反铁磁交换耦合，有效地抑制了Barkhausen噪音，并根据多层膜巨磁电阻效应来源于最简单重复周期的磁电阻效应，提出了铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层自旋阀(spin-valve)结构，并首先在(NiFe/Cu/NiFe/FeMn)自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。自旋阀因其在室温下，只需很低的磁场(＜100Oe)就表现出较好的磁电阻效应(2-5％)和较高的磁场灵敏度(0.5-5％/Oe)，已成功应用于多种器件中。目前，自旋阀的研究重点在于各层材料的选择及其稳定性从而进一步提高GMR和磁场灵敏度。自旋阀薄膜磁电阻源于电子的自旋相关散射，取决于两磁性层磁矩(自旋)的相对取向，因此需要对各层材料严格控制，希望反铁磁层具有高电阻、耐腐蚀且热稳定性好，自由层一般采用矫顽力较小且巨磁电阻效应大的材料，钉扎层要巨磁电阻效应大。过渡金属由于其自身磁电阻效应小，限制了自旋阀GMR的提高。钙钛矿型稀土锰氧化物RE1-xAxMnO3(RE为稀土元素，A为二价碱土元素)虽然由于工作磁场极高、需要在低温下工作，限制了其应用，但巨大的磁电阻(可达106％)和极小的矫顽力(10Oe左右)正符合自由层和钉扎层的要求，因此只需要一个极小的外磁场就可以获得很大的GMR效应。南京大学都有为教授在La0.7Sr0.3MnO3/Pr0.5Sr0.5MnO3混合粉末中也已经观察到反铁磁交换耦合，使GMR由1.8％上升到4％。另外，选择钙钛矿型化合物的化学成分，可表现出丰富的性能，如La0.7Sr0.3MnO3在365K以下为铁磁金属态，超过365K则是顺磁半导体态；Pr0.5Sr0.5MnO3为反铁磁绝缘体；BaTiO3为电绝缘体；SrTiO3为超导体等。因此，庞大的钙钛矿家族完全可以满足自旋阀各层材料的要求，从而能保证相邻层材料之间具有良好的晶格匹配性。因此，如果把自旋阀多层膜结构(低场、工作温度高、灵敏度高)和钙钛矿型稀土锰氧化物(巨大的磁电阻、极小的矫顽力)的优点有机结合起来，可望制备出室温、低场、高性能的GMR材料。将给传感器和IT产业带来不可估量的影响。
中国专利(公开号CN 1259500A)报导了一种氧化物巨磁电阻材料，但磁电阻效应只有在低温5K时才能体现出来。
中国专利(公开号1146038)报道了一种自旋阀磁阻效应磁头及磁盘驱动器，但其材料是金属合金，未涉及氧化物。
美国专利(申请号926939)报道了一种磁电阻效应装置和磁头，同样所涉及的材料为金属合金。
发明内容
本发明的目的就是解决现有氧化物巨磁电阻材料使用温度过低和工作磁场过高的不足，提供一种氧化物巨磁电阻材料多层膜结构及其制备工艺。
本发明的另一目的是提供一种高灵敏度巨磁电阻材料的用途，该材料将广泛应用于传感、磁存储领域。
本发明提供一种氧化物巨磁电阻自旋阀，主要特征是：利用相应镀膜方法制备至少由四层氧化物薄膜组成的多层膜，依次是反铁磁层、钉扎层、隔离层、自由层；钉扎层和自由层为A1-xBxMO3型化合物。A为原子序数57至71元素的一种或多种，B为碱金属或碱土金属的一种或多种；M为原子序数22～30，40～51和73～80元素中的至少一种。隔离层为非磁性导体或非磁性绝缘体或磁性绝缘体或磁性导体。反铁磁层为反铁磁化合物。并且反铁磁层和钉扎层之间存在反铁磁耦合；钉扎层和自由层无有效铁磁耦合；各层膜的厚度为0.1nm～200nm。制备方法为溅射法或溶胶-凝胶法或脉冲激光沉积法。
本发明提供的氧化物巨磁电阻自旋阀，相对于目前金属型巨磁电阻自旋阀，主要优点为：在磁场作用下，其电阻率明显降低，饱和场低，磁场灵敏度高。
实施例
实施例1：
本实施例中，用磁控溅射方法，在单晶硅上依次沉积Pr0.5Sr0.5MnO3，La0.7Sr0.3MnO3，SrTiO3，La0.7Sr0.3MnO3，厚度依次为100nm，100nm，5nm，200nm。该材料的MR值在室温0.01T下达到5％，比单层La0.7Sr0.3MnO3的MR值提高近3倍。

Claims (12)

1.一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：利用相应镀膜方法制备至少由四层氧化物薄膜组成的多层膜，依次是反铁磁层、钉扎层、隔离层、自由层；该氧化物巨磁电阻自旋阀在磁场作用下，其电阻率明显降低，具有饱和场低，磁场灵敏度高等优点。
2.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：钉扎层和自由层为A1-xBxMO3型化合物；A为原子序数57至71元素的一种或多种，B为碱金属或碱土金属的一种或多种；M为原子序数22～30，40～51和73～80元素中的至少一种。
3.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：隔离层为非磁性导体。
4.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：隔离层为非磁性绝缘体。
5.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：隔离层为磁性绝缘体。
6.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：隔离层为磁性导体。
7.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：反铁磁层为反铁磁化合物。
8.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：反铁磁层和钉扎层之间存在反铁磁耦合；
9.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：钉扎层和自由层无有效铁磁耦合；
10.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：各层膜的厚度为0.1nm～200nm。
11.如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀，其特征是：制备方法为溅射法或溶胶凝胶法或脉冲激光沉积法。
12.一种传感器、计算机硬盘读写磁头或存储设备，其特征在于，包含如权利要求书1所述的一种氧化物巨磁电阻自旋阀。
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