稀土Nd摻雜FeCo薄膜的微結(jié)構(gòu)與垂直磁各向異性.pdf

1、近年來,基于磁性薄膜的新原理、新材料和新器件不斷涌現(xiàn),極大地推動了信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。鐵磁性稀土-過渡金屬(RE-TM)薄膜具有高垂直磁各向異性(PMA)和磁光增強等諸多優(yōu)良物理性能,有望發(fā)展成為新一代超高密度信息存儲材料。
　　鐵磁性薄膜的垂直磁各向異性敏感地依賴于薄膜的化學(xué)成分、晶格應(yīng)變、表面和界面性質(zhì)。RE-TM薄膜的PMA微觀機理一直存在多種機制和爭議。為了加深理解PMA的物理機理,有必要系統(tǒng)研究薄膜制備工藝對薄膜

2、結(jié)構(gòu)與磁性的調(diào)控規(guī)律。本論文選擇具有高飽和磁化強度和高居里溫度的FeCo基合金薄膜作為鐵磁性基礎(chǔ)材料,以資源相對豐富和價格相對低廉的稀土Nd為摻雜元素,采用磁控濺射方法,分別在單晶 Si(111)和非晶玻璃(Glass)基底上沉積了2個Nd摻雜的FeCo基系列薄膜樣品,通過快速退火熱處理(RTA)工藝調(diào)控薄膜的微結(jié)構(gòu),采用X-射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)表征薄膜的微結(jié)構(gòu)和表面形貌,采用振動樣品磁強計(V

3、SM)和磁力顯微鏡(MFM)表征樣品的靜磁特性和磁疇結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了基底溫度(Ts)、濺射氬氣壓(PAr)、退火溫度(Ta)、Cr緩沖層等參數(shù)對 Nd摻雜FeCo基合金薄膜的結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:
　　一、Si(111)/NdFeCo/Cr系列樣品的結(jié)構(gòu)與磁性
　　(1).基底溫度(Ts)對制備態(tài)樣品結(jié)構(gòu)與磁性的影響
　　首先,比較研究了基底溫度分別保持在Ts=25℃,310℃;PAr=0.3 Pa條

4、件下,兩組制備態(tài) Si(111)/Nd43Fe40Co17(at.％)(610 nm)/Cr(20 nm)-I(II)薄膜樣品的結(jié)構(gòu)和磁性。XRD結(jié)果表明:室溫沉積樣品 I為非晶態(tài),而基底加熱樣品 II則析出了平均晶粒大小約為~4.5 nm的Nd2Fe17納米晶粒;VSM結(jié)果表明:樣品 I的面內(nèi)磁滯回線呈現(xiàn)典型的非晶態(tài)軟磁特征,易磁化軸是面內(nèi)的,無垂直磁各向異性。而樣品 II的面內(nèi)飽和場 Hs//=3000 Oe,具有較強的單軸垂直磁各

5、向異性。MFM結(jié)果表明:樣品I未檢測到磁疇,而樣品 II具有條紋磁疇結(jié)構(gòu)。
　　(2).濺射氬氣壓(PAr)對制備態(tài)樣品結(jié)構(gòu)與磁性的影響
　　其次,研究了在Ts=310℃條件下,制備態(tài)樣品的結(jié)構(gòu)與磁性隨氬氣壓 PAr(PAr=0.1-1.5 Pa)的變化規(guī)律。XRD結(jié)果表明:隨著 PAr的增高,析出的Nd2Fe17(312)納米晶粒更趨細化。VSM結(jié)果表明,在PAr?0.9 Pa時,面內(nèi)飽和場隨 PAr的升高先增大,在PAr

6、=0.9 Pa達到最高后下降。MFM結(jié)果表明:在低氬氣壓(PAr=0.1,0.3Pa)時,樣品呈現(xiàn)條紋磁疇。隨氬氣壓升高,條紋疇轉(zhuǎn)變成迷宮疇。繼續(xù)增高氬氣壓到PAr=1.5 Pa時,條紋磁疇寬度變窄。
　　(3).快速退火熱處理(RTA)工藝對樣品結(jié)構(gòu)與磁性的影響
　　進而比較研究了RTA工藝對 Ts=25℃,310℃;PAr=0.3 Pa條件下兩組制備態(tài)Si(111)/Nd43Fe40Co17(at.%)(610 nm)/

7、Cr(20 nm)-I1(II1)樣品微磁結(jié)構(gòu)的影響。室溫沉積樣品(I1)在Ta≤300℃退火樣品還呈非晶態(tài),在Ta≥400℃后,開始出現(xiàn)NdFe2/NdFe7亞穩(wěn)相;面內(nèi)和垂直回線的矯頑力隨退火時間而增加,并呈雙相回線特征。基底加熱樣品(II1)在Ta≤300℃退火后,面內(nèi)飽和場隨 Ta增加而逐漸降為零,熱應(yīng)力被消除;在Ta=500℃退火后,析出 Nd2Fe15Co2、NdFe2/NdFe7等新亞穩(wěn)相,面內(nèi)和垂直回線的矯頑力顯著增加。

8、MFM結(jié)果表明:隨 Ta增加,迷宮疇逐漸淡化并消失,在Ta=500℃時由于析出新相而出現(xiàn)新的磁斑疇。
　　二、制備態(tài)和退火態(tài) Glass/NdFeCo/Cr系列樣品的結(jié)構(gòu)與磁性
　　(1).基底溫度(Ts)對制備態(tài)和退火態(tài)樣品結(jié)構(gòu)與磁性的影響
　　首先,研究了在Ts=25,310℃,PAr=0.3 Pa條件下,兩組制備態(tài) Glass/Nd43Fe40Co17(at.%)(490 nm)/Cr(20 nm)-I2(II2

9、)樣品的結(jié)構(gòu)和磁性。XRD結(jié)果表明:兩組制備態(tài)樣品(I2和II2)都析出了Nd2Fe15Co2納米晶。VSM結(jié)果顯示:制備態(tài)樣品 I2和II2面內(nèi)飽和場分別為 Hs//=450 Oe,850 Oe。在Ta≤300℃退火后,面內(nèi)飽和場和矯頑力降為零,Ms增高。AFM結(jié)果表明:退火或基底加熱導(dǎo)致薄膜表面更光滑。
　　(2). Cr緩沖層對制備態(tài)和退火態(tài)樣品結(jié)構(gòu)與磁性的影響
　　其次,研究了在Ts=25℃,PAr=0.3 Pa條件

10、下,有和無 Cr緩沖層 Glass/(Cr~20 nm)/Nd43Fe40Co17(at.%)(490 nm)/Cr(20 nm)-I3(II3)兩組樣品的結(jié)構(gòu)與磁性。兩組制備態(tài)樣品均析出了Nd2Fe15Co2納米晶。在Ta=400℃退火后,有 Cr緩沖層樣品 I3析出了NdFe2新亞穩(wěn)相,導(dǎo)致矯頑力顯著增大(Hc//=250 Oe;Hc┴=575 Oe);而無 Cr緩沖層樣品 II3仍保持 Nd2Fe15Co2相的磁特征(Hc//=~