强磁靶共溅射法制备具有室温磁电阻特性的Co-TiO 2 纳米复合薄膜
发布时间：2022-01-04 15:13
Co-TiO2纳米复合薄膜作为一种新型自旋电子材料,由于具有良好的生物相容性,近年来受到广泛关注。但在制备过程中,磁性金属Co处于氧化气氛,容易部分氧化,从而影响薄膜的隧道磁电阻性能。为了抑制磁性金属的氧化,提高金属态含量,本研究通过强磁靶共溅射法制备了Co-TiO2纳米复合薄膜。该方法采用的强磁靶头,磁场强度高、分布均匀,可以提高溅射粒子的能量和溅射速率,降低因高能粒子碰撞而发生氧化的概率。因此强磁靶共溅射法能明显抑制金属Co的氧化,提高纳米复合薄膜的自旋极化率。所制备的Co-TiO2纳米复合薄膜主要由非晶态的TiO2基体和分散其中的Co颗粒组成。通过调节金属Co颗粒尺寸和分布状态,在电学上实现了金属态向绝缘态转变,在磁学上实现了铁磁性向超顺磁性转变。Co含量为51.3at%时,Co-TiO2纳米复合薄膜表现为高金属态和高电阻率,并且实现了高达8.25%的室温隧道磁电阻。强磁靶共溅射法使Co-TiO2纳米复合薄膜的室温磁电阻性能得到了进一步提高,这对于磁...
【文章来源】：无机材料学报. 2020,35(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
不同Co含量的Co-Ti O2薄膜XRD图谱
图2是金属含量71.3at%时的透射电镜照片。从图2(a)中可以看出,薄膜中金属主要以颗粒为主,并且存在局部团簇。从图2(b)中的高分辨透射电镜照片中可以看出,薄膜中出现了与钴hcp结构相对应的(100)、(002)、(101)晶格条纹,这与XRD中的结果一致。图中晶格条纹周围存在一些非晶态结构,这表明薄膜主要由非晶态的Ti O2和hcp结构的金属Co颗粒组成。在之前的工作中[18],使用非强磁靶溅射的方法制备了Ba Ti O3-Co复合薄膜,在TEM中可以观察到明显的Co O晶格条纹。对比之下,强磁靶共溅射法制备的薄膜没有观察到明显的Co O晶格条纹,说明强磁靶共溅射法有助于提高金属态含量。图2(b)中存在大量的金属态Co颗粒。通过统计发现,Co颗粒尺寸为5～9 nm,Co颗粒之间的距离为1～2 nm。通过改变薄膜中Co金属颗粒的尺寸和分布状况,有望实现薄膜磁性的调控,从而在Co-Ti O2纳米复合薄膜中实现室温隧道磁电阻性能。Co含量相对较高时,一部分Co颗粒以团簇形式存在,形成了局部导电通路,会降低薄膜的磁电阻特性;Co含量相对较低时,Co颗粒间形成了Ti O2势垒层,提高了电子隧穿的概率,有利于纳米复合薄膜的室温磁电阻性能的提高。2.2 组成成分
通过XPS对薄膜中元素价态进行分析。图3(a)为Co含量为51.3at%时,薄膜Ti元素的XPS图谱。图3(a)中463.7和458.0 e V两个电子峰对应Ti4+的Ti2p1/2和Ti2p3/2[19],这表明薄膜中Ti元素主要以二氧化钛的形式存在。图3(b)为Co含量为51.3at%时,薄膜Co元素的XPS图谱。其中796.0和780.1 e V对应Co2+的Co2p1/2和Co2p3/2[20],而792.3和777.3 e V两个电子峰位分别对应金属Co的Co2p1/2和Co2p3/2[21]。通过面积对比发现,薄膜中大部分Co元素主要以金属颗粒的形式存在,同时Co存在少量氧化,但比例很小,因此无法在高分辨透射电子显微镜中观察到。从图3(c,d)中发现,随着Co含量的增加,薄膜中Ti元素和Co元素的价态变化并不明显。这说明随着Co含量的变化,薄膜中Co仍然保持较高的金属态。为进一步探究强磁靶共溅射法对金属氧化程度的影响,对比了反应溅射法[15]和交替溅射法[16]的XPS数据。在Co元素的XPS数据中,强磁靶共溅射制备薄膜的Co2+含量明显更低,这进一步说明强磁靶共溅射可以抑制金属氧化。薄膜中Co可以保持较高的金属态程度,这是由于强磁靶增加了Co颗粒的溅射能量和提高了溅射速率。同时选择Co和Ti O2双靶分离的溅射方式,减少了溅射中颗粒的相互干扰,进一步降低了因高能粒子碰撞而发生氧化的可能性。因此随着Co含量的改变,金属Co始终保持较高的金属态程度,这对于改善材料磁学和磁电阻性能有十分重要的意义。
【参考文献】：
期刊论文
[1]原位合成TiO2纳米管阵列及其光催化性能研究[J]. 崔云涛,王金淑,李洪义,王珍珍. 无机材料学报. 2008(06)
[2](Ni0.81Fe0.19)0.66Cr0.34/Ni0.81Fe0.19薄膜的各向异性磁电阻效应及尺寸效应[J]. 彭子龙,李佐宜,胡强,杨晓非. 无机材料学报. 2002(02)
本文编号：3568570
【文章来源】：无机材料学报. 2020,35(11)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
不同Co含量的Co-Ti O2薄膜XRD图谱
图2是金属含量71.3at%时的透射电镜照片。从图2(a)中可以看出,薄膜中金属主要以颗粒为主,并且存在局部团簇。从图2(b)中的高分辨透射电镜照片中可以看出,薄膜中出现了与钴hcp结构相对应的(100)、(002)、(101)晶格条纹,这与XRD中的结果一致。图中晶格条纹周围存在一些非晶态结构,这表明薄膜主要由非晶态的Ti O2和hcp结构的金属Co颗粒组成。在之前的工作中[18],使用非强磁靶溅射的方法制备了Ba Ti O3-Co复合薄膜,在TEM中可以观察到明显的Co O晶格条纹。对比之下,强磁靶共溅射法制备的薄膜没有观察到明显的Co O晶格条纹,说明强磁靶共溅射法有助于提高金属态含量。图2(b)中存在大量的金属态Co颗粒。通过统计发现,Co颗粒尺寸为5～9 nm,Co颗粒之间的距离为1～2 nm。通过改变薄膜中Co金属颗粒的尺寸和分布状况,有望实现薄膜磁性的调控,从而在Co-Ti O2纳米复合薄膜中实现室温隧道磁电阻性能。Co含量相对较高时,一部分Co颗粒以团簇形式存在,形成了局部导电通路,会降低薄膜的磁电阻特性;Co含量相对较低时,Co颗粒间形成了Ti O2势垒层,提高了电子隧穿的概率,有利于纳米复合薄膜的室温磁电阻性能的提高。2.2 组成成分
通过XPS对薄膜中元素价态进行分析。图3(a)为Co含量为51.3at%时,薄膜Ti元素的XPS图谱。图3(a)中463.7和458.0 e V两个电子峰对应Ti4+的Ti2p1/2和Ti2p3/2[19],这表明薄膜中Ti元素主要以二氧化钛的形式存在。图3(b)为Co含量为51.3at%时,薄膜Co元素的XPS图谱。其中796.0和780.1 e V对应Co2+的Co2p1/2和Co2p3/2[20],而792.3和777.3 e V两个电子峰位分别对应金属Co的Co2p1/2和Co2p3/2[21]。通过面积对比发现,薄膜中大部分Co元素主要以金属颗粒的形式存在,同时Co存在少量氧化,但比例很小,因此无法在高分辨透射电子显微镜中观察到。从图3(c,d)中发现,随着Co含量的增加,薄膜中Ti元素和Co元素的价态变化并不明显。这说明随着Co含量的变化,薄膜中Co仍然保持较高的金属态。为进一步探究强磁靶共溅射法对金属氧化程度的影响,对比了反应溅射法[15]和交替溅射法[16]的XPS数据。在Co元素的XPS数据中,强磁靶共溅射制备薄膜的Co2+含量明显更低,这进一步说明强磁靶共溅射可以抑制金属氧化。薄膜中Co可以保持较高的金属态程度,这是由于强磁靶增加了Co颗粒的溅射能量和提高了溅射速率。同时选择Co和Ti O2双靶分离的溅射方式,减少了溅射中颗粒的相互干扰,进一步降低了因高能粒子碰撞而发生氧化的可能性。因此随着Co含量的改变,金属Co始终保持较高的金属态程度,这对于改善材料磁学和磁电阻性能有十分重要的意义。
【参考文献】：
期刊论文
[1]原位合成TiO2纳米管阵列及其光催化性能研究[J]. 崔云涛,王金淑,李洪义,王珍珍. 无机材料学报. 2008(06)
[2](Ni0.81Fe0.19)0.66Cr0.34/Ni0.81Fe0.19薄膜的各向异性磁电阻效应及尺寸效应[J]. 彭子龙,李佐宜,胡强,杨晓非. 无机材料学报. 2002(02)
本文编号：3568570
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