材料的边界结构与磁性展望精选文档.ppt

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1、材料的边界结构与磁性展望本讲稿第一页，共二十一页多层膜具有的超晶格结构多层膜具有的超晶格结构什么是超晶格结构？什么是超晶格结构？1970 1970年，美国年，美国IBMIBM实验实验室的江崎和朱兆祥提出了超室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念。晶格的概念。所谓的超晶格就是指所谓的超晶格就是指由两种或两种以上组分或由两种或两种以上组分或类型不同，厚度类型不同，厚度d d极小的薄极小的薄层材料交替生长在一起而层材料交替生长在一起而得到的一种结构材料。得到的一种结构材料。本讲稿第二页，共二十一页半导体超晶格的层状结构半导体超晶格的层状结构 由于人们可以任意改变由于人们可以任意改变超晶格材料中不同薄膜层

2、的超晶格材料中不同薄膜层的厚度，因此，人们可以控制厚度，因此，人们可以控制它的周期长度。它的周期长度。薄层厚度薄层厚度d d远大于材料远大于材料的晶格常数的晶格常数a a，但接近于或，但接近于或小于电子的平均自由程（或小于电子的平均自由程（或者其德布罗意波长）。者其德布罗意波长）。由于这种复合材料的周由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或者更长，因此常数大几倍或者更长，因此取名为超晶格。取名为超晶格。本讲稿第三页，共二十一页半导体超晶格的层状结构半导体超晶格的层状结构 多层膜的超晶格结构一多层膜的超晶格结构一直是材料研究领域的重点，直是材料研究领域的重

3、点，尤其是其界面结构以及界面尤其是其界面结构以及界面对材料性能的影响得到较多对材料性能的影响得到较多关注。关注。和体材料相比，多层膜由和体材料相比，多层膜由于界面和表面面积大大增加，于界面和表面面积大大增加，界面和表面的影响十分显著，界面和表面的影响十分显著，如原子的配位数减少，对称性如原子的配位数减少，对称性降低，出现过度结构层以及局降低，出现过度结构层以及局域化表面现象。域化表面现象。本讲稿第四页，共二十一页半导体超晶格的层状结构半导体超晶格的层状结构 界面的合金化、超点阵或界面的合金化、超点阵或者亚稳相的生成，这些都将对者亚稳相的生成，这些都将对薄膜的磁性产生较大影响。薄膜的磁性产生较大

4、影响。本讲稿第五页，共二十一页多层膜的制备多层膜的制备 磁控溅射法磁控溅射法是制备纳米多层膜中最为是制备纳米多层膜中最为常见的制备方法。在稀有气体如氩气的保常见的制备方法。在稀有气体如氩气的保护氛围下，阴极阳极之间施加几百伏特的护氛围下，阴极阳极之间施加几百伏特的直流电压，接着产生了辉光放电，氩气被直流电压，接着产生了辉光放电，氩气被电离，氩气被阴极加速并轰击阴极靶的表电离，氩气被阴极加速并轰击阴极靶的表面，使得靶材表面原子溅射出来沉积在工面，使得靶材表面原子溅射出来沉积在工件表面形成了薄膜。更换不同材质的靶和件表面形成了薄膜。更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材控制不同的溅

5、射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。如果在真空室内通质和不同厚度的薄膜。如果在真空室内通入一定压力的气体，可以和溅射金属原子入一定压力的气体，可以和溅射金属原子反应生成新的化合物，沉积到基片上。反应生成新的化合物，沉积到基片上。本讲稿第六页，共二十一页多层膜的制备多层膜的制备 物理蒸镀法物理蒸镀法即真空蒸发即真空蒸发镀膜法就是在真空中加热镀镀膜法就是在真空中加热镀膜材料，使得其原子或分子膜材料，使得其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到固体衬底或基片流，入射到固体衬底或基片表面，凝结形成固态薄膜。表面，凝结形成固态薄膜。根据不同的金属材料蒸发所根据不同的

6、金属材料蒸发所需要的温度不同，采用不同需要的温度不同，采用不同的加热方式，使得不同的金的加热方式，使得不同的金属蒸发，沉积到基体上形成属蒸发，沉积到基体上形成不同成分的薄膜层。不同成分的薄膜层。本讲稿第七页，共二十一页多层膜的制备多层膜的制备 分子束外延成形法分子束外延成形法是指在超真空条件下，由装有各种所需组是指在超真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热产生蒸汽，经由小孔准直之后形成分子束或原子分的炉子加热产生蒸汽，经由小孔准直之后形成分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可以使得分子按照晶体排列一

7、层层生长在基片上形底扫描，就可以使得分子按照晶体排列一层层生长在基片上形成薄膜。成薄膜。机械加工方法机械加工方法是指将数十微米厚的金属箔比如铁或者铜相互是指将数十微米厚的金属箔比如铁或者铜相互叠加后经过机械加工（重复压缩和轧制）方法制备成纳米级金叠加后经过机械加工（重复压缩和轧制）方法制备成纳米级金属多层体。属多层体。化学方法化学方法主要是电化学沉积，电解液中的金属离子在外电压主要是电化学沉积，电解液中的金属离子在外电压的作用下呗还原并沉积在阴极上的电化学过程。按照沉积设备的作用下呗还原并沉积在阴极上的电化学过程。按照沉积设备不同，又分为不同，又分为双槽法双槽法和和单槽法单槽法。本讲稿第八页，

8、共二十一页超晶格结构导致的巨磁电阻效应超晶格结构导致的巨磁电阻效应什么是巨磁电阻效应？什么是巨磁电阻效应？19881988年，德国尤利西研究中心的年，德国尤利西研究中心的Peter Andreas GrnbergPeter Andreas Grnberg和巴黎十一和巴黎十一大的大的Albert FertAlbert Fert分别独立发现了在材分别独立发现了在材料中的巨磁电阻效应，在料中的巨磁电阻效应，在20072007年获得年获得了诺贝尔物理学奖。了诺贝尔物理学奖。Peter Andreas Grnberg Peter Andreas Grnberg的研的研究小组在最初的研究工作中研究了究小组

9、在最初的研究工作中研究了铁、铬、铁铁、铬、铁三层三层材料，电阻在磁化时材料，电阻在磁化时下降了下降了1.5%1.5%。本讲稿第九页，共二十一页超晶格结构导致的巨磁电阻效应超晶格结构导致的巨磁电阻效应什么是巨磁电阻效应？什么是巨磁电阻效应？而而Albert FertAlbert Fert的研究小组则研究的研究小组则研究了由铁和铬组成的了由铁和铬组成的多层材料多层材料，使得，使得电阻下降了电阻下降了50%50%。本讲稿第十页，共二十一页FertFert的实验结果。横坐标为磁化强的实验结果。横坐标为磁化强度，纵坐标为磁化时电阻与无磁化度，纵坐标为磁化时电阻与无磁化时电阻的比值；三条曲线分别显示时电阻

10、的比值；三条曲线分别显示了三种不同厚度结构的铁、铬薄膜了三种不同厚度结构的铁、铬薄膜层。层。Peter Andreas GrnbergPeter Andreas GrnbergAlbert FertAlbert Fert本讲稿第十一页，共二十一页 瑞典皇家科学院在评价瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励贝尔物理学奖主要奖励“用用于读取硬盘数据的技术，得于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小来迅速变得越来越小”。本讲稿第十二页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？IBM 5M IBM

11、 5M 随机存取存储器，诞生于随机存取存储器，诞生于19561956年。年。本讲稿第十三页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？它要用到它要用到5050个磁盘片来存储数个磁盘片来存储数据，不过它的容量还是只有很小据，不过它的容量还是只有很小（以现在的标准来看）的（以现在的标准来看）的5M5M，转数，转数为为1200 rpm1200 rpm，在那个年代，这已经，在那个年代，这已经算得上是最先进的了。算得上是最先进的了。本讲稿第十四页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？这个大家伙的这个大家伙的5050块盘片都被固定块盘片都被固定好，绕着一个竖轴转动。每块盘片之好，绕着一个竖轴

12、转动。每块盘片之间的间距为间的间距为0.30.3英寸（约合英寸（约合8mm8mm）。）。本讲稿第十五页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？数据的读取是靠固定在一对可以移数据的读取是靠固定在一对可以移动的机械臂上的两个动的机械臂上的两个磁头磁头，机械臂的，机械臂的移动则是依靠一个有反馈作用的控移动则是依靠一个有反馈作用的控制系统，以保证在径向横跨在正确制系统，以保证在径向横跨在正确的盘片上。的盘片上。本讲稿第十六页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？本讲稿第十七页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？硬盘变小？分区所储存的磁硬盘变小？分区所储存的磁 信号变弱？数据读出头是多层信号变弱？数据读出头是多层膜所组成的结构，因此利膜所组成的结构，因此利用了巨磁效应，未用了巨磁效应，未来的硬盘体积将继续缩小。来的硬盘体积将继续缩小。本讲稿第十八页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？比如说是这样。比如说是这样。本讲稿第十九页，共二十一页小硬盘中的大科学？小硬盘中的大科学？更可能是这样。更可能是这样。本讲稿第二十页，共二十一页继往圣，开来学？继往圣，开来学？谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！谢谢！本讲稿第二十一页，共二十一页