NiFe纳米膜的表面电子自旋钉扎技术研究

发布时间：2020-10-11 03:08

　　近年来,电子信息产业飞速发展,磁电子器件也朝着微小型化、高频化、高度集成化的方向产生了巨大的变革。为了适应日新月异的国防电子及卫星移动通信系统发展需求,新型磁材料/结构的工作频率,信号强度和集成化程度亟需进一步提升。而各类磁电子器件中,基于磁性薄膜制备的器件具有空间占有体积小这一明显优势。通常情况下,其性能的调控可由磁性薄膜材料、结构的选取以及工艺参数的改变来实现,操作简易灵活,在微波/毫米波段的应用备受瞩目。其中,金属软磁薄膜的饱和磁化强度4πM_s和铁磁共振(FMR)频率f_(FMR)较高,磁导率μ较大,理论实验探究及应用已较为深入广泛。通过改变薄膜厚度等工艺参数,即可实现对其饱和磁化强度、共振频率、铁磁共振线宽等磁性能的调控。与此同时,自旋波共振理论被提出以来,大量科学研究表明,磁性薄膜的自旋波共振(非一致进动模式)频率相比铁磁共振(一致进动)频率有显著提升,且自旋波理论对薄膜表界面等问题的探究也具有十分重要的意义。因此,自旋波模式的激发是一种能切实有效调控薄膜磁性能的方法,也成为了相关领域目前的热点课题。综上所述,本文从实现可行性、难易程度及研究前景等方面综合考虑,选用铁磁/反铁磁(FM/AF)多层薄膜结构,利用FeMn对NiFe薄膜表面电子自旋的钉扎来激发自旋波共振。本文采用直流磁控溅射法在7×7mm2Si(111)基片上制备薄膜,系统研究了不同FM、AF层厚度的NiFe单层纳米薄膜、NiFe/FeMn双层薄膜、FeMn/NiFe/FeMn三层薄膜的微观形貌、静磁性能和微波磁性能,借助原子力显微镜(AFM)、振动样品磁强计(VSM)及电子顺磁共振(EPR)波谱仪,对其形貌和性能进行表征与测试。其中,FM层厚度范围为20~70nm,AF层厚度为3~15nm。此外,还利用角分辨X射线光电子能谱(ARXPS)研究了NiFe和FeMn薄膜在自然环境下的表面氧化层厚度。首先,在自然环境下,NiFe和FeMn薄膜均易被氧化,选取20°、35°、45°、60°、75°、90°为掠射角,进行ARXPS定量分析,研究发现:Ni、Fe、Mn的主要氧化物分别为NiO、Fe_2O_3、MnO_2。随着掠射角增大,探测深度增加,各元素的单质含量增多,对应氧化物含量减少。采用最小二乘法线性拟合,最终得到NiFe薄膜中的Ni、Fe以及FeMn薄膜中的Fe、Mn的氧化层厚度分别为:0.43nm、0.71nm、0.74nm、0.90nm。其次,对NiFe膜厚不同的NiFe单层膜、NiFe/FeMn(5nm)双层膜、FeMn(5nm)/NiFe/FeMn(5nm)三层膜的磁性能及表面电子自旋钉扎技术进行研究。结果表明,在相同结构的同一组薄膜内,薄膜的饱和磁化强度随着NiFe膜厚的增大而整体上升。而就不同薄膜结构的三组样品整体而言,经钉扎后的薄膜共振场明显较小,且双边钉扎比单边钉扎的共振场下降更为明显,但相应的饱和磁化强度整体却略有下降,交换偏置现象也不甚明显。这是由于自旋波激励产生的有效交换场增大,即利用FeMn薄膜对NiFe表面电子自旋进行钉扎,有效激发了自旋波共振,若在外加稳恒磁场一定的情况下,则表现为共振频率的提高。此外,还发现薄膜的静磁性能和线宽均与薄膜质量、生长过程中造成的表面粗糙度变化有关。最后,对FeMn膜厚不同的NiFe(40nm)/FeMn双层膜、FeMn/NiFe(40nm)/FeMn三层膜的磁性能及表面电子自旋钉扎技术进行研究。结果表明,在相同结构的同一组薄膜内,饱和磁化强度随着FeMn厚度的增大呈现出整体下降的趋势,二者的矫顽力则均为先增大后减小,存在峰值。对于双层膜样品,在反铁磁层即FeMn薄膜厚度为t_(AF)=3nm时,由于覆盖层太薄且未引入缓冲层改善成膜质量,磁滞回线表现出的软磁性能较差。而相比于双层膜整体而言,三层膜的交换偏置场H_(ex)有略微的上升,但数值依然较小,不足以产生明显的交换偏置现象或足够大的有关的各向异性。随着FeMn厚度的增大,两组薄膜的共振场都逐渐下降,并且双边钉扎的共振场依然低于单边钉扎。此外,虽然三层膜的表面粗糙度变化最为稳定,数值也最小,但其整体线宽却较高,这与其薄膜结构带来的界面耦合有关。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O482.5;TB383.2
【部分图文】：