薄膜讲义系列之薄膜功能材料.docx

1、薄膜讲义系列之薄膜功能材料电学薄膜 利用材料的导电性、介电性、铁电性、压电性等各种电学性质的薄膜有着广泛的 用途。例如，在微电子器件中，集成电路中的电极布线、电阻、电容元件，各种 不同用途的电极、位置敏感控测器等都要用导电薄膜。绝缘膜则用于半导体集成 电路多层引线的层间绝缘和门绝缘，以使器件表面稳定，保护器件不受外部环境 影响。 1、集成电路（IC）中的布线? ? 集成电路中的电极布线都是用导电膜做成，作为 IC 电极布线膜必须具备与 n 型和 p 型硅基片能形成低电阻欧姆电极，电阻率低， 与绝缘膜结合力强，以及好的加工性、耐蚀性等。很难同时找到在这些方面都具 有很好性能的材料，通常集成电路中

2、都采用铝做布钱材料，但铝也存在不少缺点， 如迁移率高、耐蚀性差等，常需加入一些合金元素如铜、硅等来改善性能。掺杂 多晶硅或金属硅化物如 MoSi2 等也可用做布钱材料，在高密度组装和高集成化时 要考虑使用高熔点金属如钨、钼等做布线材料。 2、秀明导电膜? ? 透明导电膜是既有高的导电性，又对可见光有很好的透光性， 而对红外光有较高反射性的薄膜。透明导电膜主要有金属膜和氧化物半导体膜两 大类。（1）金属透明导电薄膜? ?当金属膜的厚度在约 20nm 以下时对光的反射和吸收 都较小。由于金属薄膜中存在自由电子，因此在膜很薄时也具有很好的导电性， 且在基片温度较低时就可制备出低电阻膜。常见的金属透明

3、导电膜有金、银、铜、 铝、铬等。为了制备平滑连续的膜，需要先镀一层氧化物做衬底，再镀金属膜。 金属膜的强度较低，其上面常要再镀一层保护层如 SiO2 或 Al2O3 等。 2）氧化物半导体透明导电膜? ? 这类导电膜主要有 SnO2、In2O3、ZnO、CdO、Cd2SnO4 等，它们都是 n 型半 导体。对这种导电膜要求禁带宽度在约 3eV 以上，且通过掺杂可使其具有高的载 流子浓度以得到高的导电率。目前，应用最广泛的是 SnO2 和 In2O3 薄膜。作为 半导体材料，化学计理比的 SnO2 膜电导率很低，为增加电导率需要加入一些高 价离子如 Sb5+、P5+等。这样得到的膜导电性好，对可

4、见光有优异的透光性，强 度和化学稳定性都很好，加之成体低，因而得到广泛应用。根据不同要求可采用 CVD、PVD 乃至喷涂法来制备。 经过掺杂的 In2O3 的透光性和导电性均优于 SnO2，因而近年来得到比 SnO2 更为 广泛的应用。化学计量比的 In2O3 膜，其电导率也很低，为增加电导率需要添加 一些锡，通常将这种膜称为 ITO（铟锡氧化物）薄膜，主要是用真空蒸镀或溅射 等 PVD 法来制备，以在较低温度得到高性能膜。 透明导电膜（主要是 SnO2 和 ITO）具有很广泛的用途，例如用于液晶显示器件 及太阳能电池的透明电极，由于对红外线具有反射能力而被用作防红外线膜、太 阳能集热器的选择

5、性透射膜、玻璃上的防霜透明发热膜等。 3、 绝缘膜在薄膜电子器件中的绝缘均需要使用各种绝缘膜，例如在半导体 集成电路中多层引线的层间绝缘和门绝缘。集成电路中，绝缘主要采用热氧化 SiO2 膜、等离子体 CVD 制备的 SiO2 膜和 Si3N4 膜等，Si3N4 膜由于耐水性和耐 污染性能好，硬度高，用来做集成电咱的何护膜。随着超大规模休成电路的发展， 对绝缘膜不断提出更高的要求，例如要求制备的 SiO2 栅绝缘膜仅几纳米厚。目 前正在研究应用 Ta2O5 等更高介电常数绝缘膜。 半导体器件根据不同用途所使用的绝缘膜除 SiO2 膜、Si3N4 膜外，还有 PSG（硅 酸磷玻璃）膜、BSG（硅

6、酸硼玻璃）膜、AsSG（硅酸砷玻璃）膜、Al2O3 膜等。应该注意的是绝缘膜的电阻率和耐压等性能会随制备工节参数而改变。 4、 压电薄膜材料在离子晶体中施加应力时产生的极化现象称为压电效应， 而在施加电场时产生应变的现象称为逆压电效应。利用这一效应的压电振子和换 能器通常采用石英、LiNbO3、LiTaO3 等单晶或压电陶瓷，其共振频率决定于材料 中的声速及形状尺寸，用于高频的元件就要通过研磨制成薄板，对于 10MHz 以 上的元件因无法研磨得太薄而必须采用压电薄膜。压电薄膜材料主要是用各种 PVD 方法制备的 ZnO、CdS 等薄膜，其中 ZnO 通过控制工艺条件得到 C 轴（压电 轴）取向

7、的薄膜。压电性能不低于单晶 ZnO。压电薄膜材料已经在滤波器、超声 波发送、接收器件等很多方面得到了应用。固体中声波在表面的传播称为表面声 波（SAW），利用压电薄膜材料制作的 SAW 器件使得传统电感电容滤波器电路能 够代之以固体器件，并已大量应用于电视接收机的视频中频（VIF）滤波器。电 视 VIF 滤波器要求的频率特性较复杂，以前是采用多个 LC 谐振电路和和陶瓷滤 波器组合而成，而采用 SAW 滤波器容易实现高频、宽带、线性相位特性，只需 一个器件就可实现所要求的频率特性。ASW 滤波器是在压电基片上制出相互交 叉的叉指薄膜电极而成。电视中用的压电基片主要是沉积在玻璃上 ZnO、LiN

8、bO3、 LiTaO3 等薄膜，另外，有人通过在蓝宝石上外延生长 ZnO 膜，可以使表面波传 播衰减降低，可用来制吉赫兹频带的换能器。 纳米技术制备功能膜已有许多成功先例，例如，纳米自清洁玻璃的镀膜，在玻璃 上镀上一层 TiO2 膜，可以使玻璃不沾油污、灰尘；在陶瓷、塑料上镀一层纳米 膜可以使之抗菌、防霉；在纤维上镀一层纳米膜可以使该纤维织成的领带、衣物 达到高双疏效果，即疏水和疏油。自组装纳米膜传感器是纳米自组装技术应用最 多、潜力很大的一个领域。 纳米技术及纳米材料在功能膜方面的应用极为广泛，包括电子学的单电子晶体管、 纳米阵列电容电极探测仪、光学中的纳米阵列激光器、纳米荧光膜；磁学中的高

9、 密度存储元件、量子磁盘；环保中的纳米过滤膜、纳米吸附膜。纳米传感器、纳 米药物智能释药等等。 纳米技术在功能膜上的应用只是刚刚开始，随着纳米技术的进步，人类将会制造 出越来越多的功能膜，并造福于人类。 光学薄膜 利用光学性质（包括光物性）的薄膜也是应用很多的一种薄膜材料，例如常见的 幕墙玻璃上的各种反射膜等，这里仅介绍几种特殊的光学薄膜。 1、防反射膜? ?光在物体表面总会有一部分被反射掉，对于光学镜头、太阳能电 池等希望尽可能少的光被反射掉，人们很早就现如果在表面镀一层防反射膜可达 此目的。 简单的光学计算表明，为了使折射率 n1=1.5 的玻璃从空气中入射的光反射率为 零，只需在表面镀一

10、层折射率为 n2= -1/2n1=1.22 的膜。但实际上没有折射率这样低，而且透明度好、吸收小、强 度高又很稳定的材料。折射率为 n=1.38 的 MgF2 膜比较起来是最好的，可以使玻 璃的反射损耗降到 1.4%，因而广泛应用于各种镜头。对于折射率较大的半导体 材料如 Ge(n=4)只要在上面镀一层 ZnS 膜（n2）,就可使反射率几乎为零。 上述单层膜实际仅能在一个波长下得到零反射率，在此波长两侧反射率急剧上升， 而且对于玻璃，MgF2 膜也并非最理想的。采用由经过计算选择的不同折射率材 料制备的多层防反射膜可解决此问题。 2、薄膜激光器在具有高折射率的薄膜外沉积低折射率的薄膜后，由于在

11、界面上发生全反射， 将光波封闭在有限截面的秀明介质内，使之在波导轴方向传播的光学结构称为光波导。如果用具有增益的活性材料做波导层，在其上再制出谐振器就可构成薄膜 激光器，也称为波导激光器。其活性层厚度限制在 0.10.5m，宽度为 13 nm， 光被封闭在此区域中或附近，相应的电流阈值为 20100mA。光通信中所使用的 激光器大部分是半导体薄膜激光器。 从原则上讲，凡是可以用来制作异质结构的材料都有可能成为半导体激光器的材 料，其中研究最多的有：用于可见光波段及光通信的 0.8um 波段的 GaAlAs-GaAs 系列材料和用于光通信波段的四元化合物 InGaAsP-InP，此外还有 210

12、um 波段的 InGaAsSb-AlGaAsSb 和 InAsPSb-InAPSb 及-A 族的化合物 PbSnTe-PbSeTe，用于 可见光波段的-A 族半导体 CdSSe-CdS 等。激发方式不仅有电流注入型，还可 采用激发和电子束激发。半导体薄膜激光器常用 MOCVD 方法来制备。 3、 光电导膜4、 电视摄像机、X 射线摄像机（CT）、热摄像机等各种摄像机中， 核心部件是将光学图转化为电信号的摄像管。在摄像管中主要使用两种薄膜透明 导电膜和光电导膜。因为具有透明导电性，因而得到广泛应用。此外，阳极氧化 Ta-Os 膜和蒸镀 Se 膜、Ge 膜也用来做湿度传感器。 利用材料吸附气体后性

13、能的变化可制成各种气敏元件，例如，应用半导体材料吸 附气体后电导率的弯化等。由于环境监测、气体泄漏监测、汽车发动机等方面的 需要，气敏材料近年来研究得比较多。研究较多的气敏薄膜有：对一氧化碳敏感 的 SnO2 薄膜；对乙醇蒸气敏感的 SnO2 和 ZnO 等薄膜；对氢敏感的 TiO2、ZnO 和 WO3 等薄膜；对大气污染和 NO2 测定用的固溶微量 Ag 的 V2O5 薄膜等。为 了使汽车燃料充分燃烧，减少污染，因而促进了氧敏材料的研究，半导体氧敏材 料主要有 SrTiO3、CeO2、Nb2O5 等，固体电解质材料构成的电极吸附气体后电 极电位会发生变化，已经利用 ZrO2、LaF3 等材料

14、的这种性质做成氧敏元件，并 已得到很多应用。 近来来，随着半导体集成电路技术，发展出了固体摄像器。用固体摄像器代替报 像管可使摄像机体积大大减小、成本降低，但一般用于家庭，在这种摄像器中也 要用到很多薄膜技术。五、半导体薄膜 薄膜功能材料中很大一部分是半导体薄膜。半导体薄膜具有很广泛的应用，如集 成电路、光导摄像管的光导电膜、场效应晶体管、高效太阳能电池、薄膜传感器 乃至通过掺杂得到半导体导电薄膜等等。 1、半导体单晶薄膜? ?在蓝宝石（-Al2O3、六方晶系）等单晶绝缘基片上， 外延生长单晶薄膜构成的半导体材料一般称为 SOS（silicon on sapphire）。用这种结构的半导体材料

15、制作 MOS 集成电路，与块状材料相比， 其 p-n 结面积小，减小了寄生电容及基片和布线间的电容，利于高速化；器件之 间间隔区减少，利于高密度化；器件之间没有相互作用，便于设计和布置。这些 特点正符合大规模集成电路的高速度、高密度要求，因而被认为是 MOS 集成电 路的理想材料。多年来对 SOS 的制备、结构和性能等进行了很多的研究，随着薄 膜外延生长技术的发展，现在已经达到了实用阶段。 SOS 通常是采用热分解 SiH4 气体的气相沉积法，在蓝宝石基片上沉积得到硅单 晶薄膜。虽然对于其他绝缘基片进行了不少研究，如尖晶石（Mal2O4，立方晶 系）等，但能最好满足要求的还是蓝宝石。人造金刚石

16、薄膜材料由于其良好的绝 缘性能和导热等性能，被认为是制作超大规模集成电路的理想基片，但目前人造 金刚石薄膜的质量还有待提高。 2、薄膜晶体管（thin film transistor,TFT）在绝缘基片上沉积半导体薄膜，再沉积 上电极就构成了薄膜晶体管。在 TFT 中，由行半导体薄膜中的晶体不完整性形成 的陷阱及半导体与绝缘体界面缺陷引起的表面能级，会将栅极电压诱导产生电子 俘获，因而与单晶块材材料制作的晶体管相比，通常载流子的寿命较短，迁移率 较小，做成 p-n 结漏电电流较大，便得 TFT 的电流值比单晶硅 MOS 晶体管差一 个数量级左右，因此 TFT 主要是用来做薄膜场效应晶体管，特别

17、是制作 MIS（金 属绝缘半导体）型场效应晶体管比较容易，而且性能也较好。 在 TFT 材料中，采用 CdST cDSe 晶体管已试制成功平板显示器，这两种材料禁带 宽度和载流子迁移率都较大，可用真空蒸镀进行大面积沉积。但由于难以准确控 制材料中原子比为 1:1，且长期稳定性较差，所以后来 TFT 转向 VIA 族元素，特别硅。用等离子体 CVD 方法将硅烷（SiH4 气体分解制成的非晶硅薄膜（简称-Si） 为代表的非晶半导体，具有比单晶硅更宽的禁带，很高的暗电阻，可得到很高的 导通-载止电流比，且由于其键合构造中掺有氢，因而大大降低了禁带中电子、 空穴的捕集能级密度，使其具有置换型杂质掺杂敏

18、感情，通过添加铁、氮、碳、 锗、锡等元素能够容易地改变带隙、电导率，又可进行均匀大面积沉积及利用光 刻技术进行微加工等，因而是一种理想的半导体材料。已成功用于平板显示器等 多种器件。 TFT 的基片多采用玻璃、石英乃至蓝宝石等；电极材料可采用铝、钼、金、铬、 NiCr、钛等金属或 ITO（氧化铟锡）等透明导电膜，绝缘材料可采用 SiO2、SiN4、 Al2O3、TiO2 等。 3、太阳能电池? ?太阳能电池是利用半导体温表 p-n 结将光能直接转换成电能 的器件。其功能是在光的作用下，半导体能带之间或能带次能级之间载流子迁移 产生光载流子，内电场使光载流子极化，然后将极化载流子有效收集起来。带

19、隙 为 1.41.7eV 的材料可得到较高的转换效率，硅及铟、镉、镓的化合物半导体材 料都可用来做太阳有电池材料。例如，在厚度约为 400nm 的单晶硅基片上沉积 一层不同于基片材料的扩散层形成 p-n 结，然后在表面沉积透明导电膜电极，为 了增加光吸收，上面再镀一层防反射膜，在背面沉积金属电极就构成了单晶硅太 阳能电池。 太阳能电池实用化最重要的问题是要开发出性能价格比高的电池，实际上，太阳 能电池中参与光电转换的仅是半导体表面几微米厚的一薄层，因而薄膜太阳能电 池的研究具有很大吸引力。目前已有很多种薄膜太阳能电池，如在沉积成多晶硅 薄膜以后，用外延生长法制备 p-n 结，然后沉积电极。用化

20、学气相沉积得到的非 晶硅薄膜对光的吸收系数高，1m 左右厚的薄膜就可制成太阳能电池，-Si 又 适于制备大面积薄膜，因而是一种很有前途的材料。此外，只有 V 族化合物半导 体如 GaAs 带隙为 1.43eV 时，正好能够高效吸收太阳光谱，且为直接跃型吸收， 吸收系数大，如用 GaAs 与（GaAl）As 异质结构成太阳能电池，转换率可达 20% 以上，但目前仅达百分之十几。对 I-VI 族半导体如 CdS-CdTe 等太阳能电池也进 行了研究，得到了约 10%转换效率。理论上太阳能电池的转换效率可达 30%，目前实验室达到的最高水平为 20%，一般仅为 10%左右。 能源是世界性的大问题，因

21、此太阳能电池的研究一直是一个活跃领域。此外，将 太阳能转换为热能的集热器，为了增加光的吸收，减少热发散也需要在表面镀膜， 对这类膜也进行了不少研究。薄膜场致发光材料（TFEL）薄膜场致发光是利用外 加电场加速载流子，与晶格发生非弹性碰撞激发而引起发光。这种光过程效率不 高，为提高发光效率，并使发光波长能有所选择，一般在半导体薄膜中加入活性 中心，当被电场加速的电子与这些发光中心碰撞时就会将其激发，发出光来。对 场致发光薄膜材料进行过不少研究，其中以 ZnS 中加入锰的薄膜发光效率最高， 并且已经广为应用。TFEL 根据激励方式可分为两种：交流激励型和直流励型。 敏感薄膜 敏感材料是各种传感器的

22、关键部分，是利用材料在一定环境中性能（主要是电学 性能）变化的特性来进行测量的元件。以前敏感元件大多为块体材料，近年来由 于薄膜材料是选择比较容易，制作工艺较简单，且易于实现微型化和集成化，因 而薄膜敏感元件引起了人们越来越多的研究。薄膜敏感材料种类很多，这里仅举 几个典型的例子。 热敏薄膜元件是利用材料性能随温度的改变，最常用的是电阻的变化，例如在 AL2O3 基片上制备叉指电极后溅射上 SiC 模就构成了 SiCAIG 薄膜热敏电阻，SiC 膜就构成了 SiC 薄膜热敏电阻，SiC 热敏电阻环境稳定性好， 可用于各种恶劣环境。在 Al2O3 或玻璃基片上镀上 0.11mm 厚的铂薄膜，再经

23、 精细加工成所需形状就构成铂薄膜热敏电阻，用这种方法得到的铂薄膜电阻值范 围可达 1010k，其电阻值精确，温度系数是常数，稳定性也很好，因此是一 种很好的热敏元件。 采用阳极氧化方法制成的多孔氧化铝膜，当细孔吸附水分子时阻抗就会发生变化， 根据这个性能可以制成湿度传感器。这种传感器响应速成率快，在相对湿度 10%90%范围有线性输出，因而得到广泛应用。此外阳极氧化 Ta2O3 膜和蒸镀 Se 膜、Ge 膜也用来做湿度传感器。 利用材料吸附气体后性能的变化可制成各种气敏元件，例如，应用半导体材料吸 附气体后电导率的变化等。由于环境监测、气体泄漏监测、汽车发动机等方面的 需要，气敏材料近来年研究

24、的比较多，例如对一氧化碳敏感的 SnO2 薄膜；对乙 醇蒸气敏感的 SnO2 和 ZnO 薄膜，对氢敏感的 TiO2、ZnO 和 WO3AIG?薄膜，对大气污染的 NO2 测定用的固溶微量 Ag 的 V2O5 薄膜等。为了使汽车 燃料充分烯烧，减少污染，促进氧敏材料的研究，半导体氧敏材料主要有 SrTiO3、 CeO2、Nb2O5 等；固本电解质材料构成的电极吸附气体后电极电位会发生变化， 已经利用 ZrO2、LaF3 等材料的这种性质做成氧敏元件，并已得到很多应用。 信息记录用薄膜 近年来信息科学的飞速发展也带动了薄膜材料的发展，例如计算机对高密度、大 容量、高速度、小体积、低成本的信息存储

25、设备不断提出更高要求，而各种记录 用薄膜如磁性薄膜的发展则是关键问题之一，这是薄膜材料的一个重要应用领域 和发展动力，也是竞争最激烈、发展最快的领域。信息记录方式主要有磁记录和 光记录两种。 1、磁记录材料? ?磁记录材料包括记录信息的磁记录介质和写人读出信息的磁头。 磁记录介质包括磁带和磁盘（软盘、硬盘），是利用带基或盘基上的一层磁性膜 来记录信息的。输入磁头的电信号有两类：录音和录像是电流强弱连续变化的模 拟信号，计算机是表示 0 和 1 的脉冲信号。现在计算机是磁记录材料的最重要用 途，因而磁记录材料是最主要的指标是记录密度，即单位面积记录的信息量。磁 记录材料的发展史可以说就是记录密度

26、不断提高的历史。 磁带和软盘主要是用磁性微颗粒（如-FeO3 等）涂布在高分子基片（聚乙烯对 苯二酸）上制成。理论和实践均已证明要增加记录密度必须提高磁膜的矫顽力， 增加矫顽力矩形比，并减小磁膜厚度，这就需要采用薄膜介质做记录材料。计算 机硬盘均采用磁性薄膜记录介质，一般是在铝合金基体上先镀一层过渡层（通常 为化学镀的非晶态 Ni-P 膜），在上面再镀几十米厚的磁性膜，磁性膜外面镀一层 几十微米厚的保护膜（一般采用溅射的类金刚石膜）。 薄膜磁性材料一般具有显著的磁各向异性，根据薄膜的磁化择优方向，磁性记录 方式可分为纵向（面内）记录和垂直记录。纵向记录是薄膜沿膜面方向表现出较 高的剩余磁化，目

27、前采用的主要是钴合金一类的金属高磁化材料，如Co-P、Co-Ni-P 等，矫顽力为 50100kAm-1，这样很江的膜就可得到较高的输出，典型厚度为50100nm，使磁头与记录层更接近，以提高记录密度和读出效率。纵向记录在 进一步提高记录密度时遇到了很大的困难，例如，当膜薄到一定程度时就会出现 锯齿形畴壁，使得相领位之间的过渡区加宽，当膜很薄时，均匀性的破坏及每位 信息所对应的剩余磁通量减少，使得重放倍噪比下降。因此，人们开始采用垂直 记录。 垂直记录即记录介质的易磁化方向与介质膜表面垂直。生直记录由于退磁场小， 因而是一种适于高密度的记录方式，其极限记录密度比纵向记录高几倍。经过很 多材料的

28、研究，目前广泛采用的垂直记录材料是 Co-Cr 膜（厚度约 50nm），其结 构为很细的柱状晶。密排六万结构的金属钴在生长时会产生垂直膜面的很强单轴 磁各向异性，但由于薄膜饱和磁化强度大，在退磁场的影响下磁化方向会转向纵 向，添加 10%20%铬后会降低内部退磁场，有利于磁化方向与膜面垂直。为了 使退磁作用减少，提高记录再生灵敏度和读写效率，在垂直记录的 Co-Cr 膜的下 面要加一薄层高导磁率纵向（面内）排向的软磁膜，这样可形成马蹄形磁铁一样 的磁化模式。这层软磁膜可采用 Ni-Fe 叵莫合金膜，但也有人认为多晶 Ni-Fe 膜 的晶体取向要影响性能，因而主张采用高导磁率的非晶膜。采用多层膜

29、可以得到 更好的磁性能，如 Pd-Co 及 CoCrPt 多层膜等，可望再进一步提高记录密度。 要提高记录密度，读定信息用的磁头也具有同等重要性。最初磁头采用叠层叵莫 合金制作，后来出现了铁氧体磁头。存贮密度提高以后，磁头必须非常小（微米 尽度），进一步提高记录密度必须同时采用薄膜磁头和薄膜磁盘。目前计算机已 大量采用薄膜磁头。曾经研究过 Ni-Fe 等多种材料做磁头薄膜材料，Ni-Fe 合金等 软磁材料虽然块体材料具有很高的磁导率，但由于薄膜制备工艺所限，且难以采 用块体的处理工艺，制成薄膜后磁导率低得多。目前采用的主要是 FeSiAl 薄膜， 磁极间隙材料选用 Al2O3、SiO2 薄膜。

30、磁头上的线圈也是用导电薄膜做成。以上 所述都是利用电磁感应读写信息的感应磁头，目前认为磁电阻材料将是下一代磁 头材料。 2、 巨磁电阻材料材料在外磁场作用下电阻发生变化的现象称为磁电阻效应，磁电阻效应一般很 小。尽管如此，也有人利用 Ni-Fe、Ni-Co、Co-Fe 等的磁电阻效应试制磁头。这种磁头的工作密度很高时要快速读出就会遇到困难，磁电阻磁头是对磁通产生响 应的元件，因而就可避免这一阴难，而且磁电阻磁头一般读出电压高，不需要钱 圈，结构更紧头面人凑。 近几年发现一些材料的磁电阻效应非常大，称为巨磁电阻材料，由于其物理意义 和潜在的实用价值使之成为近年来的研究热点领域。发现具有巨磁电阻效

31、应的材 料主要有两类：磁性多层膜（或颗粒膜）和具有钙钛矿结构的氧化物。后者虽然 可得到极大的磁电阻效应，也用激光蒸镀法制成了较好的膜，但一般认为不属于 薄膜材料，且需要的磁场很大，故这里仅简单介绍多层膜巨磁电阻材料。 多层膜巨磁电阻现象是 1988 年在分子束外延生长的 Fe-Cr 周期性多层膜中首先 发现的，当样品处于反铁磁耦合状态，即相领铁层磁矩反平行排列后就达到饱和， 电阻最小并基本不再随磁场变化，其电阻变化高达 50%，因而称之为巨磁电阻效 应。其原因是由于自旋相关散射，即自旋取向不同对传导电子散射不同而引起的， 后来在许多其他反铁磁耦合多层膜中也发现了这种现象。此外，在称为自旋阀结

32、构的多层膜中（如 NiFe-Cu-NiFe-FeMn），在称为磁隧道结构的磁性层-绝缘层-磁 性层的结构中（如 Fe-Al2O3-Fe），及在非晶材料经过析出形成的颗粒膜（如 Co-Cu） 和磁性不连续多层膜中（如 NiFe-Ag），均发现了低饱和场大磁电阻效应。 磁电阻磁头虽然可快速读取高密度信息，但难以解决写入问题，需采用高饱和磁 化强度薄膜材料（如 Fe-N-Al）制成写入磁头。需采用顽力磁记录薄膜和巨磁电 阻读出磁头的组合是目前磁记录的密度就将超过光记录。磁电阻材料还可用于多 种传感器中。 光记录元件材料 光记录元件的作用是通过记录材料将光的强弱等信息保存下来，并能通过光将所 保存的信

33、息读出。最具代表性的应用是光盘，即在基盘上沉积光效应记录介质的 盘片。由于其具有很高的存贮密度和数据速率、存贮寿命及信息位价格低，近年 来发展得非常快。 光记录材料可能以分为仅能定入一次信息的只读记录材料和可反复输入的记录 材料两种，目前比较成熟并且广为应用的是前者。1、只读记录材料?只读记录材料中包括光聚合材料、热相变材料、银盐材料、光致抗腐蚀材料等。 光聚合材料经过光辐照后可产生光聚合反应，引起这部分材料的折射率发生变化， 从而将信息记录下来。光聚合材料包括光聚合反应引发剂（光敏剂）和光聚合钡 和丙酸胺等。热相变薄膜材料很多，如金属薄膜、金属低价氧化物薄膜、非晶 态金属薄膜、有机染料薄膜、

34、金属加塑材料等。通过激光辐照的热效应使被加热 部分的材料部分熔化或升化，形成凹坑，从而将信息记录下来。对于金属低价氧 化物薄膜，能过激光加热可使被辐照部分结构发生畸变引起透射率变化而将信息 记录下来的。研究过的金属低价氧化物薄膜有铑、碲、铝、金、铋、硒、钛等其 合金，金属低价氧化物薄膜有 TeO2Td+VO、TeO2+PbO 等，非晶态金属薄膜如 As-Te-Se 等，染料膜有亮绿琼脂、花青染料、铁偶氮基萘胺、炭黑染料等，现 在与小型半导体激光器相配的近红外染料有青类染料、醌类染料等。 2、可反复写入的记忆材料可反复写入的光记忆材料有磁光材料、光致变色材料、非晶态材料、电光晶体 和热塑材料等。

35、 磁光材料是利用光照射时局部温度升高，与此同时外加磁场，从而使局部磁化沿 着外场方向。读取信号时，利用磁光相互作用的克尔效应（反射光）或法拉第效 应（透射光）读出被记录的磁化方向。研究的磁光材料有很多种，包括磁性石榴 石单晶膜，MnBi、PtCo 等多晶膜及稀土-过渡金属非晶薄膜等。其中石榴单晶膜 克尔角较小、制备困难，而且写入功率较大；MnBi 等虽然克尔角较大，但难以 制作且介质噪声较严重；稀土-过渡金属非晶薄膜虽然克尔角比 MnBi 等小，但无 介质噪声且容易制成大面积薄膜，记录一类是铁基，如三元合金 GdTbFe、TbDyFe 及 GdFe 和 TbFe 两层膜，另一类为钴基如 GdC

36、o 及 TbFeCo 等。 光致变色材料是通过光辐照使材料处于两个具有不同吸收光谱的可逆状态之一， 从而将信息记录下来的。如将卤化银微晶散布在硼硅酸玻璃中的变色玻璃和 CaFa 单晶中掺杂镧、铈等稀土元素做成的材料。这些材料记忆时间短，且在读出时的 光照射常常会扰乱记忆。 非晶态材料如 Se-S 系统的记忆材料，经过光照后其光学性质会发生可逆变化，当用波长比吸收端波长短的光辐照时，其吸收端向长波方向移动，且吸收系数和 折射率也增大，由此可将信息记录下来。如将材料加热至非晶转变温度附近，则 变化可得到恢复。 电光晶通过由光激发的电子陷落在晶体内被光辐照区域附近，会引起局部折射率 变化，从而将信息记录下来。这种材料的代表是具有光电效应的单晶，如 LiNbO3 等，掺杂铁、钼等可提高灵敏度。通过加热可消除记忆，因此这种材料的研究很 多，但至今还没有得到合适的材料供大规模生产。