1、多層膜具有的超晶格結(jié)構(gòu)多層膜具有的超晶格結(jié)構(gòu)什么是超晶格結(jié)構(gòu)？什么是超晶格結(jié)構(gòu)？ 1970 1970年，美國年，美國IBMIBM實(shí)實(shí)驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念。出了超晶格的概念。 所謂的超晶格就是所謂的超晶格就是指由兩種或兩種以上組指由兩種或兩種以上組分或類型不同，厚度分或類型不同，厚度d d極極小的薄層材料交替生長小的薄層材料交替生長在一起而得到的一種結(jié)在一起而得到的一種結(jié)構(gòu)材料。構(gòu)材料。半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu) 由于人們可以任意改由于人們可以任意改變超晶格材料中不同薄膜變超晶格材料中不同薄膜層的厚度，因此，人們可層的厚度，因此，人們可以控制

2、它的周期長度。以控制它的周期長度。 薄層厚度薄層厚度d d遠(yuǎn)大于材料遠(yuǎn)大于材料的晶格常數(shù)的晶格常數(shù)a a，但接近于或，但接近于或小于電子的平均自由程小于電子的平均自由程（或者其德布羅意波長）。（或者其德布羅意波長）。 由于這種復(fù)合材料的由于這種復(fù)合材料的周期長度比各薄膜單晶的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或者更長，晶格常數(shù)大幾倍或者更長，因此取名為超晶格。因此取名為超晶格。半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)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)多層膜的超晶格結(jié)構(gòu)一直是材料研究領(lǐng)域的重一直是材料研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，尤其是其界面結(jié)構(gòu)以點(diǎn)，尤其是其界面結(jié)構(gòu)以及界面對材料性能的影響及界面對材料性能的影響得到

3、較多關(guān)注。得到較多關(guān)注。 和體材料相比，多層和體材料相比，多層膜由于界面和表面面積大膜由于界面和表面面積大大增加，界面和表面的影大增加，界面和表面的影響十分顯著，如原子的配響十分顯著，如原子的配位數(shù)減少，對稱性降低，位數(shù)減少，對稱性降低，出現(xiàn)過度結(jié)構(gòu)層以及局域出現(xiàn)過度結(jié)構(gòu)層以及局域化表面現(xiàn)象。化表面現(xiàn)象。半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體超晶格的層狀結(jié)構(gòu) 界面的合金化、超點(diǎn)界面的合金化、超點(diǎn)陣或者亞穩(wěn)相的生成，這陣或者亞穩(wěn)相的生成，這些都將對薄膜的磁性產(chǎn)生些都將對薄膜的磁性產(chǎn)生較大影響。較大影響。多層膜的制備多層膜的制備 磁控濺射法磁控濺射法是制備納米多層膜中是制備納米多層膜中最為常見的制備方法。在

4、稀有氣體如最為常見的制備方法。在稀有氣體如氬氣的保護(hù)氛圍下，陰極陽極之間施氬氣的保護(hù)氛圍下，陰極陽極之間施加幾百伏特的直流電壓，接著產(chǎn)生了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，使得靶材加速并轟擊陰極靶的表面，使得靶材表面原子濺射出來沉積在工件表面形表面原子濺射出來沉積在工件表面形成了薄膜。更換不同材質(zhì)的靶和控制成了薄膜。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，可以和濺射內(nèi)通入一定壓力

5、的氣體，可以和濺射金屬原子反應(yīng)生成新的化合物，沉積金屬原子反應(yīng)生成新的化合物，沉積到基片上。到基片上。多層膜的制備多層膜的制備 物理蒸鍍法物理蒸鍍法即真空蒸即真空蒸發(fā)鍍膜法就是在真空中加發(fā)鍍膜法就是在真空中加熱鍍膜材料，使得其原子熱鍍膜材料，使得其原子或分子從表面氣化逸出，或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到固體形成蒸汽流，入射到固體襯底或基片表面，凝結(jié)形襯底或基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。根據(jù)不同的成固態(tài)薄膜。根據(jù)不同的金屬材料蒸發(fā)所需要的溫金屬材料蒸發(fā)所需要的溫度不同，采用不同的加熱度不同，采用不同的加熱方式，使得不同的金屬蒸方式，使得不同的金屬蒸發(fā)，沉積到基體上形成不發(fā)，沉積到基體上形

6、成不同成分的薄膜層。同成分的薄膜層。多層膜的制備多層膜的制備 分子束外延成形法分子束外延成形法是指在超真空條件下，由裝有各種所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)控制分子束對襯底掃描，就可以使得分子按照晶體排列一層層生長子束對襯底掃描，就可以使得分子按照晶體排列一層層生長在基片上形成薄膜。在基片上形成薄膜。 機(jī)械加工方法機(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是指將數(shù)十微米厚的金屬箔比如鐵或

7、者銅相互疊加后經(jīng)過機(jī)械加工（重復(fù)壓縮和軋制）方法制備成納相互疊加后經(jīng)過機(jī)械加工（重復(fù)壓縮和軋制）方法制備成納米級金屬多層體。米級金屬多層體。 化學(xué)方法化學(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)過程。按照沉電壓的作用下唄還原并沉積在陰極上的電化學(xué)過程。按照沉積設(shè)備不同，又分為積設(shè)備不同，又分為雙槽法雙槽法和和單槽法單槽法。超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的巨磁電阻效應(yīng)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)？什么是巨磁電阻效應(yīng)？ 19881988年，德國尤利西研究中心年，德國尤利西研究中心的的Peter Andreas G

8、rnbergPeter Andreas Grnberg和巴和巴黎十一大的黎十一大的Albert FertAlbert Fert分別獨(dú)立分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了在材料中的巨磁電阻效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了在材料中的巨磁電阻效應(yīng)，在在20072007年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 Peter Andreas Grnberg Peter Andreas Grnberg的的研究小組在最初的研究工作中研研究小組在最初的研究工作中研究了鐵、鉻、鐵究了鐵、鉻、鐵三層三層材料，電阻材料，電阻在磁化時(shí)下降了在磁化時(shí)下降了1.5%1.5%。超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的巨磁電阻效應(yīng)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)？什么

9、是巨磁電阻效應(yīng)？而而Albert FertAlbert Fert的研究小組則研的研究小組則研究了由鐵和鉻組成的究了由鐵和鉻組成的多層材料多層材料，使得電阻下降了使得電阻下降了50%50%。FertFert的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。橫坐標(biāo)為磁的實(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)電阻化強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為磁化時(shí)電阻與無磁化時(shí)電阻的比值；三條與無磁化時(shí)電阻的比值；三條曲線分別顯示了三種不同厚度曲線分別顯示了三種不同厚度結(jié)構(gòu)的鐵、鉻薄膜層。結(jié)構(gòu)的鐵、鉻薄膜層。Peter Andreas GrnbergPeter Andreas GrnbergAlbert FertAlbert Fert 瑞典皇家科學(xué)院在瑞典皇家科

10、學(xué)院在評價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，評價(jià)這項(xiàng)成就時(shí)表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要獎(jiǎng)勵(lì)主要獎(jiǎng)勵(lì)“用于讀取硬用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小來迅速變得越來越小”。小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？IBM 5M IBM 5M 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，誕生于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，誕生于19561956年。年。小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？ 它要用到它要用到5050個(gè)磁盤片來存儲(chǔ)個(gè)磁盤片來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不過它的容量還是只有很數(shù)據(jù)，不過它的容量還是只有很小（以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來看）的小（以現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)來看）的5M5M，轉(zhuǎn)數(shù)為轉(zhuǎn)數(shù)為1200

11、 rpm1200 rpm，在那個(gè)年代，在那個(gè)年代，這已經(jīng)算得上是最先進(jìn)的了。這已經(jīng)算得上是最先進(jìn)的了。小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？ 這個(gè)大家伙的這個(gè)大家伙的5050塊盤片都被塊盤片都被固定好，繞著一個(gè)豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每固定好，繞著一個(gè)豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每塊盤片之間的間距為塊盤片之間的間距為0.30.3英寸（約英寸（約合合8mm8mm）。）。小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？ 數(shù)據(jù)的讀取是靠固定在一對數(shù)據(jù)的讀取是靠固定在一對可以移動(dòng)的機(jī)械臂上的兩個(gè)可以移動(dòng)的機(jī)械臂上的兩個(gè)磁頭磁頭，機(jī)械臂的移動(dòng)則是依靠一個(gè)有反機(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。向橫跨在正確的盤片上。小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？小硬盤中的大科學(xué)？ 硬盤變小？分區(qū)所儲(chǔ)存的磁硬盤變小？分區(qū)所儲(chǔ)存的磁 信號變?nèi)酰繑?shù)據(jù)讀出頭是