Ni外延薄膜的磁各向异性调控机理研究

发布时间：2020-11-04 13:57

　　 低维磁性材料在传感器、存储器、自旋电子器件等方面的潜在应用已经引起人们的高度关注。磁各向异性是低维磁性材料的重要指标之一,也是其在上述领域应用的基础。因此对低维磁性材料磁各向异性的调控显得尤为重要。在低维磁性材料中,外延金属磁性薄膜具有优良的性能而被广泛研究,其中应变诱导的磁各向异性为调控外延金属磁性薄膜磁学特性提供了良好的途径。本文采用磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术制备高质量外延Ni磁性薄膜,研究了应变效应对Ni薄膜磁各向异性的调控机理。取得的主要实验结果如下:(1)采用磁控溅射法在(001)取向的SrTiO3(STO)单晶衬底上制备了面心立方结构的金属镍(Ni)薄膜。通过优化薄膜沉积的工艺参数,确定的最佳沉积工艺参数如下:衬底温度500℃、沉积压强0.5 Pa、靶基距50 mm、溅射功率60W、退火温度500°C、退火时间30min。XRD测试结果表明此工艺条件下沉积薄膜沿(001)晶面族取向生长,薄膜结晶度良好。AFM和XRR测试结果表明薄膜表面平整,晶粒大小均匀。磁学测试结果表明薄膜在室温下具有良好的铁磁性及面内面外磁各向异性。(2)采用磁控溅射优化工艺,在不同取向的Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3(PMN-PT)单晶衬底上制备了(001)、(110)、(111)不同取向的外延Ni薄膜。XRD衍射图谱表明,三种不同取向PMN-PT单晶衬底上生长的Ni薄膜均与衬底保持外延生长。AFM和XRR的结果表明薄膜表面光滑平整,薄膜厚度为25 nm。根据XRD结果计算了三种不同取向薄膜的应变。薄膜在面内受到张应变,而在面外受到压应变,结果与RSM获得的一致。通过对三种外延薄膜的面内与面外磁滞回线的测量发现,(111)取向的薄膜具有最强的磁各向异性;而(001)取向薄膜比(110)取向薄膜具有更强的磁各向异性。通过计算不同取向Ni薄膜的应变诱导磁弹能表明,(110)取向的薄膜相比于(001)取向的薄膜有更大的应变诱导磁弹能,(110)取向薄膜的自由能更高,磁各向异性场低,因而(001)取向的薄膜表现出比(110)取向薄膜更强的磁各向异性。对于(111)取向的薄膜,其磁弹能低导致自由能最低,磁各向异性场大,因此具有最强的磁各向异性。由于衬底具有压电性,选取(110)取向样品衬底施加电场使衬底产生应变,通过界面的磁电耦合调控薄膜的磁各向异性。利用薄膜与单晶衬底间的晶格失配,调控薄膜的应变状态从而调控Ni薄膜的磁各向异性。采用最优生长工艺在(001)取向的LAO、PMN-PT、MgA12O4(MAO)、MgO单晶衬底上制备了 Ni薄膜。XRD衍射分析表明,四种不同衬底上生长的Ni薄膜均沿着衬底外延生长,结晶性良好。AFM和XRR的测试结果表明薄膜表面光滑平整,其厚度为30 nm。根据XRD测试结果分析了四种不同衬底上生长的薄膜应变状态。通过测试不同样品室温下的面内面外磁滞回线,发现外延薄膜的磁化状态与其应变状态有关,结果表明利用双轴应变可以调控外延薄膜的磁各向异性。为调控微电子器件的磁学性能提供了思路。(3)采用磁控溅射最优化工艺,在(001)取向的PMN-PT单晶衬底上制备Ni薄膜,研究缓冲层对Ni薄膜磁各向异性的调控作用。当在薄膜与衬底之间插入惰性金属Ta后,释放了薄膜的固有应力,表现出面内面外磁各向异性。随着缓冲层厚度增加,晶体结构变化,磁各向异性减小。利用脉冲激光沉积的方法在PMN-PT单晶衬底和Ni薄膜之间制备SrRu03(SRO)薄膜作为缓冲层,由于SRO缓冲层的引入产生界面效应,增强了衬底和薄膜间的位错,导致应变状态发生改变,影响体系的磁各向异性和饱和磁化强度。磁滞回线结果表明薄膜面内与面外方向上表现出强磁各向异性。随着缓冲层厚度的增加,磁各向异性场增强。通过引入缓冲层进行定向设计,实现对体系磁各向异性的调控。上述实验结果有助于能更好的理解薄膜的磁各向异性,而且为调控磁各向异性提供了新的实验思路和手段。
【学位单位】：湖北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2
【部分图文】：

压应力）面外晶格参数的伸缩二维图；（ｂ）薄膜外延生长时晶格受到拉（压；）应力时的面外晶??格参数的伸缩变化三维图。??薄膜生长在衬底上受到压应力和拉应力的示意图如图１．１所示。薄膜保持应力的前??提是与衬底晶格相匹配，因此利用应力调控薄膜的物理性能需要考虑衬底与薄膜之间的??晶格失配度。表１．１表不常用的单晶衬底的结构和相应的晶格参数。晶格失配是表征??薄膜所受应力大小的重要参数：??２ｉａｒａｓ）??Ｊ?（ａ／＋ａｓ）?ａ／＋〇ｓ?〇－ｆ?Ｋ?Ｊ??２??

通过ＸＲＤ测试发现两种ＣｏＦｅ２〇４薄膜的晶格常数不同。没有ＳｒＲｕＯｓ缓冲层的样品ｃ?＜?ａ；??插入缓冲层后表明没有插入缓冲层的薄膜受到面内拉伸应变，插入缓冲层后薄??膜受到面内压缩应变。如图１．３所示，通过测试样品在室温下的磁滞回线发现插入缓冲??层后，薄膜的易轴从面外方向翻转到面内方向。表明引入缓冲层可以明显改变薄膜的应??变状态，最终调控薄膜的磁各向异性。２０１０年，Ｘ．Ｗ．Ｗａｎｇ［４２］等人利用晶格失配改变薄??膜的应变状态来调控薄膜的磁学性能，他们利用ＰＬＤ的方法在（００１）?ＳｒＴｉ０３、（００１）??ＬａＡｌＣｂ和（００１）?ＭｇＯ上制备了单层的７０?ｎｍ厚度的ＳｒＲｕ０３薄膜。ＳｒＲｕＣｂ是４ｄ过渡族??铁磁金属氧化物，属于正交晶系，其三个方向的晶格参数分别为ｆｌ＝５．５７?Ａ，?６?＝５．５３?Ａ，ｃ??＝７．８４Ａ［４２］。衬底的晶格常数分别是?ｆｌＳＴ〇?＝?３．７９Ａ，〇ｌＡＯ＝３．９〇Ａ?和《Ｍｇ〇＝４．２ｌＡ。晶格失??配分别是０．６４％，３．５６％和６．７％。将ＳＲ０看成赝立方进行计算，晶格常数为３．９３?Ａ［４２］。??因此在ＳＴＯ和ＬＡＯ衬底上沉积的薄膜受到面内压缩应变，在ＭｇＯ衬底上沉积的薄膜??受到面内拉伸应变。测试薄膜的磁学性能发现

用磁控溅射的方法在聚对苯二甲酸乙二醇酯（ＰＥＴ）柔性衬底上沉积１５０?ｎｍ厚的Ｆｅ８１Ｇａ１９??薄膜，顶电极Ａｕ的厚度为５ｎｍ。利用ＶＳＭＬａｋｅｓｈｏｒｅ７４１０测试不同方向上和施加不同机??械应力下薄膜的磁滞回线。如图１．５所示，通过弯曲衬底给薄膜施加不同的机械应力，当??磁场分别平行于易轴方向和难轴方向时，施加０％？０．７８％的拉应力，剩磁比从０．８６减小到??０．２９。而在－０．２６％的压应力下，剩磁比又增加到０．８９；继续增大压缩应变，磁滞回线矩??形度和矫顽力变得很难得到进一步改变。当磁场沿着难轴方向时，剩磁比从没有压应力??状态下的０．３７调控到受０．７８％拉伸应变状态下的０．１９；而易轴方向剩磁比在０．７８％的压缩??应变状态下为０．７９。因此，可以通过给柔性衬底施加应力改变薄膜的磁滞回线矩形度和??磁各向异性
【参考文献】

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1 杨远俊;典型磁性金属及过渡金属氧化物薄膜结构、电磁性能的应变调控[D];中国科学技术大学;2013年

本文编号：2870178