外延Ni薄膜及其各向異性磁電阻性能分析

江奕天，李星星，張昕

（五邑大學數(shù)字光芯片聯(lián)合實驗室，廣東 江門 529020）

目前，最先進的柔性磁傳感器主要是基于各種磁阻效應制作的，如各向異性磁電阻（AMR）效應、巨磁阻效應和隧穿磁阻效應。其中，各向異性磁電阻源于未補償自旋的傳導電子的各向異性散射，并對磁場方向有很強的依賴性，由于其成本低廉、制備簡單而備受關注。在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）平臺已經成功制作了柔性多晶AMR傳感器，然而磁阻值較低（約1.3%）。

云母（mica）襯底上進行范德華（vdW）外延為生長柔性單晶薄膜提供了一種方法。VdW外延的界面上沒有共價鍵，晶格失配對于外延層和襯底之間的影響大大減小。VdW外延以往主要用于二維材料的生長，如今在三維材料體系中也廣泛應用，如III族氮化物和II-VI族半導體薄膜等。

本文分析了Ni在云母襯底的外延生長。結果表明，Ni薄膜具有優(yōu)異的結晶質量，AMR效應也得到了提高。此外，樣品在10mm的曲率半徑，經過104次彎曲循環(huán)后AMR性能沒有表現(xiàn)出明顯退化。

1 實驗方法

Ni薄膜通過直流磁控濺射沉積在解理后的氟金云母[KMg3(AlSi3O10)F2]襯底表面。濺射腔室本底真空度為1.5×105Pa，工作強壓為0.5Pa，氣體氛圍為氬氣。每次生長前進行15min的預濺射，避免靶材污染。制備薄膜的襯底溫度分別為350℃、400℃、450℃和500℃，濺射功率恒定為60W。

Ni薄膜表征采用型號smart lab，Rigaku RINT-TTR的X射線衍射（XRD）儀進行2θ-θ掃描、ω搖擺曲線和φ掃描表征，X射線源來自Cu Kα1。表面形貌由NT-MDT solver P47原子力顯微鏡（AFM）在非接觸模式下測量。在200 Oe的磁場下，用標準四探針法對AMR效應進行了測量。為了測量彎曲耐久性，使用一個帶有伺服電機的自制平臺，以1Hz的測量頻率反復彎曲樣品，彎曲半徑為10mm。

2 結果與討論

圖1-a顯示了不同襯底溫度下制備的Ni薄膜的XRD 2θ-θ曲線。除了mica(00l)峰，所有襯底溫度下都存在Ni(111)強衍射峰，這表明了薄膜的(111)擇優(yōu)取向。除Ni(111)衍射峰，在襯底溫度450℃和500℃制備的薄膜還出現(xiàn)了NiO(111)衍射峰（用紅色星號標出），NiO衍射峰的出現(xiàn)表明，只有在襯底溫度低于450℃時才能生長出純(111)取向的Ni薄膜。400℃制備的Ni(111)薄膜XRD搖擺曲線如圖1-b所示，樣品半峰全寬（FWHM）值為0.13°，與MgO襯底制備的Ni薄膜FWHM接近（0.11°）。

表1 襯底溫度與樣品衍射峰數(shù)據

為了揭示Ni相對mica的面內取向，沿Ni(200)和mica(022)面測試了襯底溫度為400℃樣品的面內φ掃描，如圖1-c所示。mica的對稱性導致了2個彼此間隔180°的(022)衍射峰出現(xiàn)。6個Ni(200)衍射峰方位角間隔60°，其中2個衍射峰與mica(022)的衍射峰峰位一致。鑒于以上結果，Ni和mica襯底之間相應的面內外延關系如下：Ni[-110]║mica[100]和Ni[11-2]║mica[010]。

圖1 Ni/mica 異質結晶體結構表征

考慮到Ni(111)的三重對稱性，對于單疇Ni(111)薄膜而言，預計會有三個方位角相隔120°的衍射峰[(200)、(020)和(002)]。圖1-c中出現(xiàn)的6個衍射峰可以推測出Ni存在2個等效疇，其面內旋轉角為60°，如圖2-a所示。

這是因為Ni具有面心立方（FCC）結構，會在mica上形成ABC和ACB兩種堆積方式。圖2-b為襯底溫度400℃時Ni薄膜的AFM圖譜，從中也可以明顯觀察到2個相差60°的晶疇取向。Ni(-110)和(11-2)面的晶格間距分別為2.491?和2.157?，得出Ni與mica的晶格失配度約為6.1%，遠小于Ni和MgO襯底之間的晶格失配，因此，高質量的Ni薄膜可以成功在mica襯底外延生長。

圖2 Ni薄膜的外延匹配關系及兩種等效疇

圖3-a總結了不同襯底溫度下生長的Ni薄膜AMR效應的磁場與角度的依賴關系。AMR可以表示為[ρ(φH)-ρ⊥]/ρ//，其中，φH是磁場和電流方向之間的夾角，ρ⊥和ρ//分別是垂直于磁場和平行于電流方向的電阻率。與預期的一致，Ni薄膜的AMR表現(xiàn)出cos2φH的角度依賴性，并在電流和磁場方向平行時達到最大值。各向異性磁電阻率通常定義為(ρ//-ρ⊥)/ρ//，當襯底溫度從300℃上升到400℃時，各向異性磁電阻率從1.48%提升到1.71%，當襯底溫度進一步加熱到500℃時，各向異性磁電阻率下降到1.29%。這一觀察結果表明，在外延溫度窗口內(111)衍射峰強度的增大有利于各向異性磁電阻率的提高。隨著溫度的進一步升高，薄膜結晶度降低，各向異性磁電阻率也隨之降低，單晶Ni薄膜的各向異性磁電阻率要高于多晶Ni薄膜。

圖3 Ni薄膜的AMR性能測試

為了確保Ni/mica異質結在柔性電子產品應用中的穩(wěn)定性，我們對樣品的機械耐久性進行了測試。曲率半徑為10mm的樣品，對應的拉伸應變?yōu)棣?t/2r=0.4%，其中，t和r分別是mica襯底厚度和曲率半徑。在測試過程中，樣品的一側固定，另一側可移動，對樣品施加應變。

圖3-b可以明顯看出，樣品拉伸彎曲104次后，各向異性磁電阻率沒有發(fā)生明顯下降。Ni/mica異質結具有優(yōu)異的機械耐久性。對樣品施加壓縮應變，觀察到了類似的結果。Ni/mica異質結的機械耐久性能與VO2/mica、Fe3O4/mica異質結相當。

3 結語

綜上所述，Ni(111)外延薄膜可以在柔性mica(001)襯底上生長。面內外延關系是Ni[-110]║mica[100]和Ni[11-2]║mica[010]，Ni和mica之間的晶格失配度約為6.1%，Ni(111)搖擺曲線的最佳FWHM為0.13°。Ni薄膜的各向異性磁電阻率在襯底溫度400℃的條件下達到最大。Ni(111)薄膜具有優(yōu)異的機械耐久性，在曲率半徑10mm的彎曲條件下，經過104次彎曲循環(huán)后，各向異性磁電阻率沒有明顯下降。柔性Ni薄膜在彎曲條件下的出色性能使其在可穿戴設備領域極具潛力。