Gd-Fe多层薄膜制备及其交换耦合作用研究

发布时间：2017-09-24 07:04

  本文关键词：Gd-Fe多层薄膜制备及其交换耦合作用研究

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【摘要】：稀土磁性功能薄膜因其优异的综合性能,而备受青睐。近年来,随着薄膜制备工艺的进一步开发,稀土磁性功能薄膜开始较为广泛地应用于录音、录像技术,计算机中的数据存储、处理,科学研究以及军事等许多领域。在众多稀土元素中,Gd元素有着非常奇特的性质,其7个轨道上每个轨道有一个电子,是稀土元素中最大数的不成对电子。依存这个不成对电子形成的磁力矩巨大,这一特性如果能有效利用的话,将带来巨大的使用价值。Gd元素有着较大的磁矩但是其居里温度较低(290K),而Fe元素有着较高的居里温度(1043K)但是其磁矩较小。因此如果能够将这两者的优势结合起来,将会产生巨大的应用前景。本实验通过直流磁控溅射法制备Gd-Fe多层膜,通过XRD、VSM、SQUID、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(FETEM)等分析设备,系统研究了溅射气压、生长时间、衬底温度、生长方式对于单层Gd膜晶体结构的影响;同时研究了不同Gd厚度对于Gd-Fe双层膜、Fe-Gd-Fe三层膜磁性能的影响,通过以上手段来对Gd/Fe之间的耦合作用进行深入探究:(1)在Ta过渡层上生长的Gd薄膜的最佳生长气压为0.4Pa,在该气压下得到的Gd薄膜成晶性较好。而更大的生长气压会导致薄膜中出现较多的面心立方(fcc)相,而这一相是我们不希望得到的相;最佳的生长功率为21W,过大或者过小的生长功率都不利于Gd薄膜中六方密排相的生成以及成晶性的提高;间隔生长(每溅射60s间断60s)对于提高fcc和hcp相的成晶性都有好处。(2)衬底温度的增加并没有促进hcp相的生成,反而加速了fcc相的长大,当衬底温度升高到350℃,fcc相由常温下的38%增加到了80%。实验中制备得到的Gd(100nm)/Fe(45nm)双层膜在高温下产生了交换耦合作用,其居里转变温度(650K)相比于Gd的居里温度(290K)而言有了明显提高;在常温下,随着衬底温度的升高,双层膜的饱和磁化强度Mmax呈现升高趋势;而在低温下(50K),随着衬底温度的升高,双层膜的饱和磁化强度Mmax呈现减小的趋势。(3)Fe层上生长的Gd膜则倾向于以fcc(111)的取向不断生长,并且两者之间在高温下无耦合;随着Gd膜厚度的增加,膜整体的饱和磁化强度有下降的趋势;Gd层较薄(25nm)的样品中,磁化强度随磁场的增大呈逐渐上升的趋势,是因为耦合态层在整个膜中所占的比例较多;而较厚的样品的磁化强度则在很小的磁场下瞬时达到最大值后几乎不再增长。
【关键词】：磁控溅射 多晶 稀土磁性薄膜 多层膜
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-23
• 1.1 引言10-13
• 1.1.1 磁性材料的分类及应用10
• 1.1.2 磁性薄膜材料10-11
• 1.1.3 稀土磁性功能薄膜材料11
• 1.1.4 自旋阀和磁隧道结系统11-12
• 1.1.5 稀土-3d过渡金属多层薄膜12-13
• 1.2 课题背景13-16
• 1.2.1 外斯分子场理论13-14
• 1.2.2 海森堡交换作用理论14
• 1.2.3 RKKY交换作用理论14-16
• 1.3 技术背景16-18
• 1.3.1 磁性薄膜材料与磁控溅射16-17
• 1.3.2 溅射基本原理-辉光放电与溅射过程17-18
• 1.4 文献综述18-21
• 1.5 选题意义与课题特色21-22
• 1.6 课题目标22-23
• 2 实验方案23-35
• 2.1 本课题的主要研究内容23
• 2.2 研究方案23-24
• 2.3 实验设备及原理24-27
• 2.3.1 薄膜的制备24-25
• 2.3.2 直流磁控溅射25-26
• 2.3.3 薄膜的热处理26-27
• 2.4 测试仪器及原理27-35
• 2.4.1 薄膜厚度测量27-29
• 2.4.2 薄膜结构分析29-30
• 2.4.3 薄膜磁性能分析30-32
• 2.4.4 薄膜微观形貌分析32-35
• 3 单层Gd膜的制备及工艺参数探究35-43
• 3.1 薄膜的生长过程35-36
• 3.2 溅射气压对单层Gd膜生长情况的影响36-38
• 3.3 生长厚度对单层Gd膜生长情况的影响38-40
• 3.4 生长方式对单层Gd膜生长情况的影响40-41
• 3.5 衬底温度对单层Gd膜生长情况的影响41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 4 双层Gd/Fe薄膜的制备及磁性能研究43-51
• 4.1 不同Gd厚度双层Gd/Fe薄膜的制备及测试43-45
• 4.2 不同衬底温度对于Gd/Fe双层薄膜晶体结构的影响45-48
• 4.3 不同衬底温度对于Gd/Fe双层薄膜磁性能的影响48-49
• 4.4 本章小结49-51
• 5 三层Fe/Gd/Fe薄膜的制备及磁性能研究51-54
• 5.1 三层膜相结构分析51
• 5.2 三层膜磁性能分析51-53
• 5.3 本章小结53-54
• 结论54-55
• 参考文献55-60
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果60-61
• 附录: 符号说明61-62
• 致谢62

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本文编号：910000