材料的邊界結(jié)構(gòu)與磁性展望第1頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多層膜具有的超晶格結(jié)構(gòu)什么是超晶格結(jié)構(gòu)？1970年，美國(guó)IBM實(shí)驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念。所謂的超晶格就是指由兩種或兩種以上組分或類型不同，厚度d極小的薄層材料交替生長(zhǎng)在一起而得到的一種結(jié)構(gòu)材料。第2頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)

由于人們可以任意改變超晶格材料中不同薄膜層的厚度，因此，人們可以控制它的周期長(zhǎng)度。薄層厚度d遠(yuǎn)大于材料的晶格常數(shù)a，但接近于或小于電子的平均自由程（或者其德布羅意波長(zhǎng)）。由于這種復(fù)合材料的周期長(zhǎng)度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或者更長(zhǎng)，因此取名為超晶格。第3頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)多層膜的超晶格結(jié)構(gòu)一直是材料研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，尤其是其界面結(jié)構(gòu)以及界面對(duì)材料性能的影響得到較多關(guān)注。和體材料相比，多層膜由于界面和表面面積大大增加，界面和表面的影響十分顯著，如原子的配位數(shù)減少，對(duì)稱性降低，出現(xiàn)過(guò)度結(jié)構(gòu)層以及局域化表面現(xiàn)象。第4頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)

界面的合金化、超點(diǎn)陣或者亞穩(wěn)相的生成，這些都將對(duì)薄膜的磁性產(chǎn)生較大影響。第5頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多層膜的制備

磁控濺射法是制備納米多層膜中最為常見的制備方法。在稀有氣體如氬氣的保護(hù)氛圍下，陰極陽(yáng)極之間施加幾百伏特的直流電壓，接著產(chǎn)生了輝光放電，氬氣被電離，氬氣被陰極加速并轟擊陰極靶的表面，使得靶材表面原子濺射出來(lái)沉積在工件表面形成了薄膜。更換不同材質(zhì)的靶和控制不同的濺射時(shí)間，便可以獲得不同材質(zhì)和不同厚度的薄膜。如果在真空室內(nèi)通入一定壓力的氣體，可以和濺射金屬原子反應(yīng)生成新的化合物，沉積到基片上。第6頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多層膜的制備

物理蒸鍍法即真空蒸發(fā)鍍膜法就是在真空中加熱鍍膜材料，使得其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到固體襯底或基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。根據(jù)不同的金屬材料蒸發(fā)所需要的溫度不同，采用不同的加熱方式，使得不同的金屬蒸發(fā)，沉積到基體上形成不同成分的薄膜層。第7頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多層膜的制備

分子束外延成形法是指在超真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)由小孔準(zhǔn)直之后形成分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可以使得分子按照晶體排列一層層生長(zhǎng)在基片上形成薄膜。

機(jī)械加工方法是指將數(shù)十微米厚的金屬箔比如鐵或者銅相互疊加后經(jīng)過(guò)機(jī)械加工（重復(fù)壓縮和軋制）方法制備成納米級(jí)金屬多層體。

化學(xué)方法主要是電化學(xué)沉積，電解液中的金屬離子在外電壓的作用下唄還原并沉積在陰極上的電化學(xué)過(guò)程。按照沉積設(shè)備不同，又分為雙槽法和單槽法。第8頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的巨磁電阻效應(yīng)什么是巨磁電阻效應(yīng)？

1988年，德國(guó)尤利西研究中心的PeterAndreasGrünberg和巴黎十一大的AlbertFert分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了在材料中的巨磁電阻效應(yīng)，在2007年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。PeterAndreasGrünberg的研究小組在最初的研究工作中研究了鐵、鉻、鐵三層材料，電阻在磁化時(shí)下降了1.5%。第9頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的巨磁電阻效應(yīng)什么是巨磁電阻效應(yīng)？而AlbertFert的研究小組則研究了由鐵和鉻組成的多層材料，使得電阻下降了50%。第10頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Fert的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。橫坐標(biāo)為磁化強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為磁化時(shí)電阻與無(wú)磁化時(shí)電阻的比值；三條曲線分別顯示了三種不同厚度結(jié)構(gòu)的鐵、鉻薄膜層。PeterAndreasGrünbergAlbertFert第11頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

瑞典皇家科學(xué)院在評(píng)價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來(lái)迅速變得越來(lái)越小”。第12頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？IBM5M隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，誕生于1956年。第13頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？

它要用到50個(gè)磁盤片來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不過(guò)它的容量還是只有很?。ㄒ袁F(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看）的5M，轉(zhuǎn)數(shù)為1200rpm，在那個(gè)年代，這已經(jīng)算得上是最先進(jìn)的了。第14頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？

這個(gè)大家伙的50塊盤片都被固定好，繞著一個(gè)豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每塊盤片之間的間距為0.3英寸（約合8mm）。第15頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？

數(shù)據(jù)的讀取是靠固定在一對(duì)可以移動(dòng)的機(jī)械臂上的兩個(gè)磁頭，機(jī)械臂的移動(dòng)則是依靠一個(gè)有反饋?zhàn)饔玫目刂葡到y(tǒng)，以保證在徑向橫跨在正確的盤片上。第16頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？第17頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？

硬盤變?。糠謪^(qū)所儲(chǔ)存的磁信號(hào)變?nèi)?？?shù)據(jù)讀出頭是多層膜所組成的結(jié)構(gòu)，因此利用了巨磁效應(yīng)，未來(lái)的硬盤體積將繼續(xù)縮小。第18頁(yè)，共21頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小硬盤中的大科學(xué)？

比如說(shuō)是這樣。。。第19