论文总字数：20884字

摘 要

在1988年人们在磁性多层薄膜中发现了巨磁电阻效应，因此自旋相关输运的研究得到很大的发展，形成了新的自旋电子学学科方向，并由此获得了诺贝尔奖。自旋动量矩或自旋力矩转移(Spin transfer torque，STT)是自旋电子学发展中的一个历史性突破。电流可直接引起纳米磁体磁化状态变化，而不需要通过磁场。1996年J. C. Slonczewski和L. Berger首先给出了自旋力矩转移的理论预言和初步的实验尝试，并很快地得到了实验证实。实现了电流诱导磁矩转动和反转，电流诱导磁矩进动和自旋波激发，以及电流诱导畴壁位移。这给自旋电子学器件带来了巨大的发展空间，其中纳米线器件的STT效应有着很大的应用前景，但其中的磁畴结构和磁畴反转过程直接影响着STT效应。

本论文优化纳米线的设计，利用紫外光光刻微加工手段以及磁控溅射镀膜技术，优化制备参数和方法，成功制备了不同粗细、不同角度以及不同臂数目的Zigzag磁性纳米线器件，形貌分析发现边界很直，尖角比较尖，厚度比较均匀，宽度和角度与设计的参数基本相同。利用磁力显微镜，分析了制备态、在磁场下以及退磁状态下的磁畴形态。结果发现，制备态时为多畴状态；随着外磁场的增加，以磁畴转动为主，最后变成单畴状态；把外磁场降为0时恢复到多畴状态；不同宽度和角度的纳米线的磁畴状态稍有不同。

关键词：Zigzag线、磁性纳米线、磁畴，光刻

ABSTRACT

Giant magnetoresistance effect was discovered in magnetic multilayered thin films in 1988, so the study of spin-dependent transport has been greatly developed, forming a new direction of spin electronics, and won the Nobel Prize. Spin moment or spin moment transfer (Spin transfer torque,STT) is a historic breakthrough in the development of spin electronics. The current can directly cause the magnetization state of nano-magnet to change without the need of magnetic field. In 1996, J. C. Slonczewski and L. Berger first gave the theoretical prediction and preliminary experimental attempt of spin moment transfer, and the experimental results were confirmed quickly. The current-induced magnetic moment rotation and inversion, current-induced magnetic moment precession and spin wave excitation, as well as current-induced domain wall displacement are realized. This brings great development space to spin electronics devices, in which the STT effect of nanowire devices has a great application prospect, but the magnetic domain structure and magnetic domain inversion process directly affect the STT effect.

In this paper, the design of nanowires was optimized, and Zigzag magnetic nanowires with different thickness, angle and arm number were successfully fabricated by using UV lithography and magnetron sputter coating technology to optimize the preparation parameters and methods. The morphology analysis shows that the boundary is very straight, the sharp angle is sharp, the thickness is uniform, and the width and angle are basically the same as the designed parameters. The magnetic domain morphology of the prepared state, the magnetic field and the demagnetized state is analyzed by using the magnetic force microscope. The results show that the prepared state is a multi-domain state, with the increase of the external magnetic field, the magnetic domain rotates mainly, and finally becomes a single domain state, and returns to the multi-domain state when the external magnetic field is reduced to 0. The magnetic domain states of nanowires with different widths and angles are slightly different.

KEY WORDS: Zigzag line, magnetic thin film, magnetic domain, photolithography

目 录

摘 要 2

ABSTRACT 3

第一章 绪论 5

1.1引言 5

1.2铁磁性的起源 5

1.3巨磁电阻效应 6

1.4 磁畴 7

1.5自旋转移力矩 8

1.6自旋转移力矩效应 9

第二章 Zigzag线软磁合金薄膜的制备 10

2.1 Zigzag线的设计及基底准备 10

2.2 旋涂光刻胶 11

2.3 对准曝光、显影 12

2.4磁性材料生长 14

2.5 溶脱剥离（lift-off） 16

第三章 磁性纳米线器件的形貌和磁畴结构 17

3.1光刻后光学显微镜观察 17

3.2 Lift-off后扫描电子显微镜观察 18

3.3磁性纳米线的磁畴结构 20

总 结 32

1. 研究内容总结 32

2. 心得体会 32

参考文献 33

致 谢 34

第一章 绪论

1.1引言

自从1988年在磁性多层薄膜中发现了巨磁电阻效应以后，自旋相关输运的研究得到很大的发展，形成了新的自旋电子学学科方向，并由此获得了诺贝尔奖。巨磁电阻效应（gaint magnetoresistance,GMR）即指磁性多层薄膜FM/NM在外加磁场作用下电阻发生的巨大变化同时伴随着非磁薄膜NM两侧的磁性薄膜FM发生反铁磁耦合，这就意味着多层薄膜中的电输运行为是自旋相关的导电行为。而这种导电行为与薄膜中的磁畴有密切相关。过渡磁性合金，如坡莫合金Py，是典型的软磁合金，具有较低的磁各向异性和矫顽力，较高的饱和磁化强度和磁导率，是自旋电子学器件，如磁性存储器件的常用磁性薄膜材料。此外，自旋动量矩或自旋力矩转移(Spin transfer torque，STT)是自旋电子学发展中的一个历史性突破。电流可不需要通过磁场而直接引起纳米磁体磁化的状态变化。1996年J. C. Slonczewski和L. Berger首先给出了自旋力矩转移的理论预言和初步的实验尝试，以后很快地得到了实验证实。实现了电流诱导磁矩转动和反转，电流诱导磁矩进动和自旋波激发，以及电流诱导畴壁位移。这种效应给自旋电子学器件带来了巨大的发展空间。其中，基于STT效应的电流驱动型磁随机存取存储器给存储器行业带来了很大的发展。

1.2铁磁性的起源

当电子系统发生自发的自旋极化时会产生铁磁性。在过渡金属中，铁磁性来自原子式交换相互作用之间的平衡，这种平衡倾向整齐自旋和原子间的杂交,倾向于减少自旋极化。准确计算这两种影响是相当困难的^[1]。然而，定性的理解是直接的。在孤立原子中，洪特准则描述如何把电子放进近简并原子能级使能量最小化。洪特第一准则说使自旋最大化，就是在其他方向添加自旋之前把尽可能多的电子在一个方向旋转部分填充原子轨道。获得的能量激发洪特定律就是泡利排斥使具有相同自旋的电子平均距离更远，从而降低它们之间的库仑排斥。这种能量被称为原子交换能量。根据Hund的第一条规则，基本上所有轨道水平部分填充的孤立原子都具有非零自旋矩。非零值的轨道角动量也可以贡献孤立原子的磁矩。另一方面，在固体中，相邻原子上的电子态杂化并形成带。能带形成以两种方式抑制磁矩的形成。首先，杂化破坏了每个原子的环境的球状对称性，这会淬灭磁矩的任何轨道分量。第二，能带的形成也抑制了自旋极化。如果我们从一个非极化电子系统开始，想象翻转自旋来形成排列，然后，就会有一个动能消耗，将电子从低能满能态移动到高能空能带态因此，大多数固体不是铁磁性的。当然，也有例外。因此，大多数固体不是铁磁性的。当然，也有例外。例如，在4f轨道紧密结合的材料中，杂化是如此微弱，以至于这些能级就像它们在原子状态下一样，变成了自旋极化。部分填充d轨道的过渡金属铁磁体铁、钴、镍及其合金就是比较受欢迎的例外。过渡金属铁磁体具有强交换分裂和强杂化。交换分裂可以稳定自旋极化铁磁态，即使在能带形成的情况下，也可以通过使大多数电子自旋带态自洽地移动到比少数电子自旋态低的能量，从而更多地补偿与极化形成相关的动能消耗。

1.3巨磁电阻效应

在1986年，格林贝格等首先在Fe/Cr/Fe三层膜中发现两层Fe通过中间的Cr层发生间接的反铁磁交换耦合。1988年格林贝格进一步发现Fe(12nm)/Cr(1nm)/Fe(12nm)的三层膜中室温电磁阻高达1.5%，且远大于25nmFe单层膜的各向异性磁电阻，同时，法国费尔教授的研究组独立地发现MBE生长的Fe/Cr多层超晶格样品低温磁电阻高达50%，即使在室温下仍高达17%，称其为巨磁电阻^[2]。由图1.1中的对比可发现当Cr的厚度增加时，磁阻降低了。同时，随着Cr的厚度增加，饱和场Hs减小了^[3]。因为有一个反铁磁耦合的存在，零场下Fe/Cr超晶格样品相邻铁磁层的磁矩会自发地反平行排列，根据双电流通道模型可以解释电阻随磁场的巨大变化。格林贝格和费尔不仅分别独立地发现了GMR效应，而且都将它归因于新的自旋相关的物理现象，更认识到GMR的重大应用前景。GMR的第一个专利由格林贝格在1988年获得。因为发现GMR效应，格林贝格和费尔共同获得2007年的诺贝尔物理学奖。

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