（凝聚态物理专业论文）fecond纳米磁性薄膜的结构和磁性.pdf

兰州大学硕士学位论文 摘要 随着电磁器件向小型化、高频化方向发展，对软磁材料的性能提出了更高的 要求。具有高磁导率、高饱和磁化强度、高电阻率及适度大小的平面单轴各向异 性的软磁材料受到人们的广泛关注，成为一个活跃的研究领域。f e c o 基软磁薄 膜更是因其具有高磁导率、高饱和磁化强度及宽频带范围的高磁导率特性，成为 研究热点。研究表明，掺杂适量的稀土元素可以提高f e c o 基软磁薄膜的共振频 率，影响其复数磁导率频率依赖特性，从而提高材料的高频软磁性能。 本文采用射频磁控溅射法，通过改变实验参数，用s i ( 1 1 1 ) 做基底制备了一 系列f e c o n d 纳米软磁薄膜。分别利用x r a y 衍射( x r d ) f f i j 歪射电镜( t e m ) 测量 了样品的晶体结构和微观结构；利用能量散射x 射线光谱仪( e d s ) 测得了样品的 成分；利用原子力显微镜( a f m ) 得到了样品的表面形貌及粗糙度，用振动样品磁 强计( v s m ) 和磁力显微镜( m f m ) 分别研究了样品的室温静态磁性和磁畴结构；用 短路微扰传输线法测量了样品的高频特性。得出了以下结论： 一、室温下制备的样品： 室温条件下制备的f e c o n d 薄膜为非晶结构，其磁性在很大程度上依赖于薄 膜的厚度t 。当t 高于一个临界厚度f c ，受很强的垂直磁各向异性的影响产生了条 纹畴。产生垂直磁各向异性是由于f e c o 颗粒柱状生长所引起的形状各向异性的 影响。相反，当薄膜厚度减少至低于名，就会得到面内单轴各向异性和很好的软 磁性能。 二、真空磁场热处理样品： 室温条件下制备出来的有条纹畴的f e c o n d 薄膜样品经过3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 、 6 0 0 、7 0 0 和8 0 0o c 真空磁场热处理，以期改善其微观结构和磁性。通过4 0 0 和 5 0 0o c 热处理能够消除条纹畴，使磁矩躺在面内，具有面内单轴各向异性。经过 3 0 0 、6 0 0 、7 0 0 、8 0 0o c 热处理的样品的复数磁导率虚部出现两个共振峰：第一个 共振峰来源于畴壁共振，第二个共振峰来源于由磁晶各向异性和形状各向异性导 致的自然共振。 摘要 a b s t r a c t w i t ht h em i n i a t u r i z a t i o na n dh i 【g hf r e q u e n c yt e c h n o l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i c d e v i c e s ，t h es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l sa r ep u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s t h es o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sw i t hh i g hp e r m e a b i l i t y 以) ，h i g hs a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nm s ，h i g hr e s i s t i v i t y , oa n dt h ei n p l a n eu n i a x i a la n i s o t r o p yf i e l d 慨) f a l l u n d e rt h ep e o p l e sa t t e n t i o na n db e c o m eaa c t i v ea r e ao fr e s e a r c h f e c o - b a s e ds o f t m a g n e t i ct h i nf i l m sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o td u et o t h e i rh i g hp e r m e a b i l i t y ，h i g h s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o na n dt h eb r o a d b a n dr a n g eo fh i g hp e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s t h e h i g hf r e q u e n c y s o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e so fc o b a s e da m o r p h o u st h i nf i l m sc a nb e i m p r o v e db yt h er a r e - e a r t he l e m e n t sd o p i n g as e r i e so fm a g n e t i cf e c o n dt h i nf i l m si n t h i sw o r kw e r ed e p o s i t e db yr a d i o f r e q u e n c y ( r e ) m a g n e t r o nc o - s p u t t e r i n go n t os i ( 11 1 ) s u b s t r a t e sb yc h a n g i n gt h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo ft h ef i l m s w e r ee x a m i n e du s i n gf e it a c n a ig 2f 3 0t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) w i t hc u k ar a d i a t i o n ，r e s p e c t i v e l y e n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y ( e d s ) w a su s e dt od e t e r m i n et h ec o m p o s i t i o no ft h ef i l m s s u r f a c e t o p o g r a p h i e sw e r eo b s e r v e dw i t ha na t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) ，a n dt h ed o m a i n s t r u c t u r ea tt h es u r f a c ew a ss t u d i e du s i n gm a g n e t i cf o r c em i c r o s c o p y ( m f m ) w i t hs o f t m a g n e t i ct i p sm a g n e t i z e dp e r p e n d i c u l a r t ot h es a m p l ep l a n e 。t h es t a t i cm a g n e t i c p r o p e r t i e so ff e c o n df i l m sw e r em e a s u r e db yv i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) t h eh i g h - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l e sw e r eo b t a i n e db yu s i n gt h es h o r t e d m i c r o s t r i p t r a n s m i s s i o n l i n ep e r t u r b a t i o nm e t h o d t h em a i nc o n t e n t sa r eb r i e f l y i n t r o d u c e da sf o l l o w s ： i t h es a m p l ep r e p a r e da tr o o mt e m p e r a t u r e ： a m o r p h o u sf e c o n dt h i nf i l m sh a v eb e e np r e p a r e du s i n gr fc o s p u t t e r i n g a t r o o mt e m p e r a t u r e t h e i rm a g n e t i cp r o p e r t i e sa r es t r o n g l yd e p e n d e n tu p o nt h e t h i c k n e s so ff i l m s w h e nt h et h i c k n e s si sh i g h e rt h a nac r i t i c a lv a l u e ，i e f c ，as t r i p e d o m a i np a t t e r nw i l lb eo b s e r v e dd u et ot h ee x i s t e n c eo fs t r o n gp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i c a n i s o t r o p y t h eo c c u r r e n c eo fp e r p e n d i c u l a ra n i s o t r o p yi ss u g g e s t e dt oo r i g i n a t ef r o m c o l u m n a rs t r u c t u r ew i t hc o l u m n sp e r p e n d i c u l a rt ot h ef i l mp l a n e o nt h ec o n t r a r y , r e d u c i n gt h et h i c k n e s sb e l o w 乞a w e l li n - p l a n eu n i a x i a lm a g n e t i ca n i s o t r o p i cb e h a v i o r i l 兰州大学硕l 学位论文 a n df a v o r a b l es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sa r ea c h i e v e d i i t h es a m p l ed e a l tw i t hv a c u u mm a g n e t i cf i e l dh e a tt r e a t m e n t s t h ef e c o n df i l m sw i t has t r i p ed o m a i np a t t e r np r e p a r e da tr o o mt e m p e r a t u r e w e r ed e a l tw i t h3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0o cv a c u u mm a g n e t i cf i e l dh e a tt r e a t m e n t i no r d e rt oi m p r o v i n gt h e i rm i c r o - s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e s s t r i p ed o m a i n c a nb ee l i m i n a t e db y4 0 0a n d5 0 0o ch e a tt r e a t m e n t ，s ot h a tt h em a g n e t i cm o m e n t l y i n gi nt h ef i l mp l a n e ，w i t hi n p l a n eu n i a x i a la n i s o t r o p y t h em i c r o w a v em a g n e t i c p e r m e a b i l i t yr e v e a l st w om a j o rr e s o n a n c ep e a k sf o rt h es a m p l e sa f t e r3 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ， 8 0 0o ch e a tt r e a t m e n t t h ef i r s tp e a ki sd u et ot h ed o m a i n w a l lr e s o n a n c e ，a n dt h e s e c o n dp e a ka r i s e sf r o mt h en a t u r a lr e s o n a n c e i i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成 果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外， 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：# 垃 日期：型! 差：! 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：革虹导师签名：j 牡e l 期：! 业 瓤霪钗 兰州人学硕上学位论文 第一章引言 随着磁学理论的发展和生产技术的进步，磁性材料已经成为人类社会重要的 基础材料。传统磁性材料的性能不断提高，新型磁性材料不断地出现，对能源、 信息等产业产生了巨大的推动作用，也对磁性材料的研究提出了更高的要求。其 中，软磁材料是应用最广泛、种类最多的一类磁性材料。最近几十年，纳米软磁 材料因其高性能和广泛的应用前景受到人们的普遍关注。 1 9 8 8 年，日本日立公司的y o s h i z a w a 等人通过晶化处理技术首次开发出纳米 晶软磁合金【1 ，2 】。其成分是f e 7 3 5 8 i 1 3 _ s b g c u l n b 3 ( a t ) ，商品名称为“f i n e m e t 。 这种新型f e 基合金材料兼具f e 基非晶合金的高饱和磁化强度和c o 基非晶合金 的低损耗、高磁导率、饱和磁致伸缩趋近于零等优点。它的软磁性能明显优于同 类材料，而且成本低廉。 1 9 9 0 年前后，k s u z k i 等人开发出非晶两项结构的f e m b - ( c u ) ( m = 玩h f 或n b ) 纳米晶合金，商品名称为“n a n o r e r m ”【3 ，4 】。这种纳米晶合金具有高饱 和磁感应强度、很小的磁致伸缩系数和很高的磁导率，矫顽力高于f i n e m e t ， 因其简单的结构而引起关注。 1 9 9 8 年，w i l l a r d 等人研究了把f e m b ( c u ) 中的部分f e 用c o 取代，发现 这种纳米晶合金的饱和磁化强度变得更高，这种成分为f e 4 4 c 0 4 4 z r 7 8 4 c u l 的材料 的商品名称为h i t p e r m 【5 7 】。它的纳米晶粒相是d f e c o ，因此具有较高的高 温磁特性。 h e r z e r 【8 1 0 1 认为非晶合金在晶化后具有优良磁性能的主要原因可以归结为 以下几个方面：( 1 ) 晶化可以降低合金的饱和磁致伸缩系数；( 2 ) 析出晶粒的尺 寸d 达到纳米量级，晶粒间发生了铁磁交换耦合作用，使得交换长度l 内晶粒 的磁晶各向异性被有效地平均掉了，从而减低了系统的有效磁各项异性，导致合 金磁导率提高，矫顽力降低，因而合金具有很好的软磁性能。 传统的高频磁性材料遵从s n o e k 极i i 艮 1 l ，1 2 1 ， 1 ( 以- 1 ) f o 一) ，m s ( 1 1 ) 3 巧 其中，触= 1 + 为起始磁导率；厂o ；2 p 为共振频率。从上式中可以看出，肛 第一章引言 和厶的乘积和胍成正比，对于选定的材料，其胝是确定的，当提高矗时，飓下 降，反之，当提高以时，厶下降，因此传统材料很难同时提高起始磁导率和共振 频率。s n o e k 极限对于立方晶系的铁磁体是成立的，对于平面型的铁磁晶体则是 不成立的，所以，要想突破s n o e k 极限的限制，最好选择平面型的材料。 1 9 5 6 年，g h j o n k e r , h p w i j i n 和p b b r a w n 【1 3 1 发现了若材料的静态磁 矩分布在一个易磁化平面内就能够突破s n o e k 极限，从而大幅度提高材料的共振 频率和磁导率，改善其高频性能。 根据以上的原理，我们选择了平面型稀土过渡金属化合物( r e 咧1 。现在的 r e t m ( s m c 0 5 ，n d 2 f e l 4 b 等) 主要作为永磁材料研究，大都具有单轴磁晶各向异 性。大量的平面型稀土豺过渡族金属化合物因其应用价值未发现而被闲置。而 且r u s s a t 【1 4 1 6 等人的研究表明掺杂稀土元素可以影响c o 基非晶薄膜的复数磁 导率特性，加入适量的稀土元素可以增加材料共振峰的宽度，提高其共振频率。 r e t m 合金具有很高的磁晶各向异性场和高饱和磁化强度，我们期待着r e t m 合金在高频磁性上能有很好的发展前景。 我们选择了稀土元素n d 掺杂f e c o 基软磁合金，采用射频磁控共溅射法制 备f e c o n d 薄膜，并对样品进行适当温度的真空磁场热处理。分别研究其制备态 和退火态的微观结构、静态磁性、磁畴结构和动态磁性。测试了样品的复数磁导 率随微波场的变化关系并对磁谱进行了拟合，分析了共振峰产生的原因。 2 兰州人学硕上学位论文 【1 】1 【2 】 【3 】3 【4 】 【5 】 【6 】 参考文献 【7 】 【1 3 】 【1 4 】 【1 5 】 1 1 6 y y o s h i z a w a ，s o g u m a ，k y a m a u c h i ，j a p p l p h y s 6 4 ( 1 9 8 8 ) 6 4 0 4 y y o s h i z a w a , l ( y a m a u c h i ，t y a m a n e ，h s u g i h a r a ，j a p p l p h y s 6 4 ( 1 9 8 8 ) 6 4 0 4 ks u z u k i ，n k a t a o k a ，a i n o u e ，a m a k i n o ，t m a s u m o t o ，m a t e r i a l s t r a n s a c t i o n sj i m 3 1 ( 1 9 9 0 ) 7 4 3 k s u z u k i ，a m a k i n o ，a i n o u e ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 7 0 ( 1 9 9 1 ) 6 2 3 2 m e m c h e n r y ，m a w i l l a r d ，d e l a u g l l l i n ，p r o g m a t e r s c i 4 ( 1 9 9 9 ) 2 9 1 m a w i l l a r d ，d e h u 曲l i n ，m e m c h e n r y ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 8 4 ( 1 9 9 8 ) 6 7 7 3 m a w i l l a r d ，m _ q h u a n g , m e m c h e n r y ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 8 5 ( 1 9 9 9 ) 4 4 2 1 g h e r z e r , i e e et r a n s m a g n 2 5 ( 1 9 9 0 ) 3 3 2 7 g h e r z e r ，i e e et r a n s m a g n 2 6 ( 1 9 9 0 ) 1 3 9 7 g h e r z e r , s c r m e t a l l m a t e r 3 3 ( 1 9 9 5 ) 1 7 4 1 j ls n o e k ，p h y s i c a ( a m s t e r d a m ) ，1 4 ( 1 9 8 4 ) 2 0 7 j s m i t ，h p j w i j n ，f e r r i t e s ，p h i l i p st e c h n i c a ll i b r a r y ，e i n d h o v e n ，t h e n e t h e r l a n d s ，1 9 5 9 g h j o n k e r ，h p j w i j i n ，p b b r a w n ，p h i l i p st e c h r e v 1 8 ( 1 9 5 6 ) 1 4 5 j r u s s a t ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 7 3 ( 1 9 9 3 ) 1 3 8 6 j r u s s a t ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 7 3 ( 1 9 9 3 ) 5 5 9 2 gs u r a n ，e ta 1 ，j a p p l p h y s 7 3 ( 1 9 9 3 ) 5 7 2 1 3 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 降p m n 佗 r _ - l r _ i r _ l 第二二章理论基础 第二章理论基础 2 1 纳米晶软磁材料各向异性理论 2 1 1 随机各向异性模型 7 0 年代末，a l b e n 【1 1 等人为了解释非晶态合金的磁各向异性而提出随机各向 异性模型，随后被h e r z e r 【2 1 0 1 和s u z u k i 等人针对纳米晶软磁合金的情况作了扩 展，很好地解释了纳米晶软磁性能依赖于晶粒直径d 的现象。 纳米晶合金的交换耦合作用是通过交换耦合长度a 来实现的，这个相互作 用能够把磁矩的方向从一个区域传到相距几个纳米的另一个区域，约束磁矩保持 平行排列，这时存在一个相关长度6 0 。厅 铲瓦 ( 2 1 ) 式中，a 是交换劲度系数，毛是单轴磁晶各r a j # 性常数。在纳米晶合金中， 相关长度可以通过晶粒的平均尺寸d 来表征，分为两种情况： 1 ) l 甑 ，处于交换耦合状态： 由交换耦合作用和局域单轴各向异性组成的自由能可表示为 f 爿 ( 厂) 】2 一 f t 所( 枷( 厂) 】2 一封1 ( 2 2 ) 其中，第一项为磁矩通过交换劲度系数a 而发生的交换耦合作用，胁( ，) 为局部约 化磁化强度，当l 啊 d 时，第一项可以记为a l 2 ，l 为定域磁矩交换长度；第 二项为局域无序单轴各向异性强度，l ( 厂) 为随机单位矢量，磁晶各向异性常数为 蚝的个局域内的有效各向异性( k ) 可表示为 ( k ) ；嘉 ( 2 3 ) 肚 ( 2 4 ) n 是处于交换耦合状态的l ? 体积内的晶粒数。当 1 时，第二项表达为 4 兰州大学硕- l ：学位论文 k i ( l o v ) 非，则( 2 2 ) 式体现了在磁化方向上交换耦合有利于无序晶场之间的竞 争，促进了长程相关性，自由能f 对交换长度取最小化，即o f o l ；0 ，得到 交换耦合长度为 乞= 丽1 6 a 2 ( 2 5 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可以得到有效各向异性常数d 为 ( k ) 仪等4 6 ( 2 6 ) 从上式中可以看出，系统的有效各向异性和d 6 成正比。 2 ) l 懿 l 既的大颗粒尺寸范围，风和1 1 9 成正比关系，当d o 是导致r t 为铁磁性的主要原因。其大小可以通过高温顺磁条件近似得到： 。= 瓦再3 k , 西r f 可 2 2 6 ) 笮是合金的居里温度，z r r 是单胞中t 原子的t t 配位数，s r 为t 原子的有效自旋量 子数。 2r t 交换作用 在r e t m 化合物中，r t 交换作用相比t t 交换作用要弱，但r e t m 化合物 中的大多数的磁性与稀土离子的神子和金属离子的射电子之间的交换作用相 关。对r t 相互作用起源的解释般有两种：一种是c a m p b e l l 模型【1 8 】，该模型 认为稀土的4 f - 5 d f g 子交换作用导致4 厂自旋和5 d 自旋平行排列，稀土的5 d 自旋和过 渡金属的副自旋是反向的，结果是稀土的4 厂自旋和过渡金属l 拘3 d 1 9 旋反平行排 列，产生间接交换作用。因此，c a m p b e l l 模型实质上是以5 d 电子为中介的相互作 1 6 兰州大学硕l - 学位论文 用。一般而言，对于轻稀土的r e t m 金属间化合物，4 f 与3 d 电子的总磁矩是平行 耦合的；而对于重稀土的r e t m 金属问化合物，4 f 与3 d 电子的总磁矩是反平行耦 合的。根据平均场理论，系统r t 交换作用的哈密顿量可以表示为： h f f i - 萋；- s r i r ( 2 - 2 7 ) 如z 为交换作用积分，s r 和s r 分别是稀土和过渡金属的自旋量子数。关于r t 交 换作用强度可通过高温顺磁条件近似求得： 2 9 k ；( r e 一笮) 硭 叼2 瓦历而可再而 ( 2 2 8 ) 硭为金属间化合物的居里温度，矽为相对应的非铁磁性金属间化合物的居 里温度。z r t 为单胞中r e 原子的t m 配位数，z 仉为单胞中t m 原子的r e 配位数， s t 为非铁磁性稀土金属间化合物中的t m 原子自旋量子数。 另一种解释是b u s c h o w 【1 9 基于r k k y 模型提出的：铲电子间的交换作用 是通过极化白传导电子为媒介传递的，被极化的传导电子与近邻的4 厂电子局域磁 矩发生了磁耦合相互作用。根据平均场理论，r e 次晶格的分子场可表示为： h r 2 n r r m r ( 2 2 9 ) 其中，m t 为t m 次晶格的磁矩，咒盯为r e - t m 分子场系数，咒盯与交换作用系数 j r t j 戎正比。一般来说，由于镧系收缩规律， t 会随着r e 原子序数的增大而减小。 3r r 交换作用【2 0 】 在r e t m 金属间化合物中，r r 交换作用最弱，不n t t 交换作用的5 【2 1 ， 因此在r e t m 化合物的磁性分析中一般忽略不计。但当过渡族元素t m 为非磁性 元素时，r r 相互作用和r e 离子的晶场作用就不能被忽略。 1 7 第二章理论基础 参考文献 【1 7 】 【1 8 】 【1 9 】 【2 0 】 【2 l 】 r a l b e n ，j j b e c k e r ，m c c h i ，j a p p l p h y s 4 9 ( 1 9 7 8 ) 1 6 5 3 g h e r z e r ，i e e et r a n s m a g n 2 5 ( 1 9 8 9 ) 3 3 2 7 g h e r z e r ，m a t s c i e n g a1 3 3 ( 1 9 9 1 ) 1 g h e r z e r ，i e e et r a n s m a g n 2 6 ( 1 9 9 0 ) 1 3 9 7 g h e r z e r ，j m a g n m a g n m a t e r 1 1 2 ( 1 9 9 2 ) 2 5 8 g h e r z e r ，h w a r l i m o n t ，n a n o s t r u c t u r e dm a t e r 1 ( 1 9 9 2 ) 2 6 3 g h e r z e r , i e e et r a n s m a g n 2 6 ( 1 9 9 0 ) 1 3 9 7 g h e r z e r ，s c r i p t am e t a l l m a t e r 3 3 ( 19 9 5 ) 1 7 4 1 g h e r z e r ，h r h i l z i n g e r ，j m a g n m a g n m a t e r 6 2 ( 1 9 8 6 ) 1 4 3 g h e r z e r ，i n ：b u s c h o wk h j ，e d i t o r h a n d b o o ko fm a g n e t i cm a t e r i a l s ，v 0 1 1 0 a m s t e r d a m ：e l s e v i e rs c i e n c e ，1 9 9 7 p 4 1 5 廖绍彬，铁磁学( 下册) ，科学出版社，2 0 0 0 宛德福，马兴隆，磁性物理学，电子工业出版社，1 9 9 4 近角聪信( 著) ，葛世慧( 译) ，铁磁性物理，兰州大学出版社，2 0 0 1 严密，彭晓领，磁学基础与磁性材料，浙江大学出版社，2 0 0 6 徐光宪，稀土，冶金工业出版社，1 9 9 5 x c k o u ，f r d eb o e r ，r g r 6 s s i n g e r ，g w i e s i n g e r ，h s u z u k i ，h k i t a z a w a ，t t a k a m a s u ，g k i d o ，j m a g n m a g n m a t e r 1 7 7 1 8 1 ( 1 9 9 8 ) 1 0 0 2 y o t a n i ，d p f h u r l e y ，h s u n ，j m d c o e y ，j a p p l p h y s 6 9 ( 1 9 9 1 ) 5 5 8 4 i a c a m p b e l l ，j p h y s f ：m e t p h y s 2 ( 1 9 7 2 ) l 4 7 k h j b u s c h o w ，p h y s s t a t u ss o l i d i ( a ) 7 ( 1 9 7 1 ) 1 9 9 m a r u d e r m a n ，c k i t t e l ，p h y s r e v 9 6 ( 1 9 5 4 ) 9 9 g a s t i ，f b o l z o n n i ，f l e c c a b u e ，r p a n i z z i e r i ，lp a r e t i ，s r i n a l d i ，j m a g n m a g n m a t e r 1 5 - 1 8 ( 1 9 8 0 ) 5 6 1 1 8 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j 1 j n 口p p p 陋p 隅p m q刁现钾习q n 阻n 阻n n 兰州人学硕一 ：学位论文 第三章样品的制各与测试 本实验采用射频磁控共溅射方法制备了一系列改变厚度、种子层及衬底温度 的t a n d 2 ( f e c o ) 1 7 t a 薄膜样品，用台阶仪测量了薄膜的厚度t 。用x 射线衍射仪 ( x r d ) ；f f l 透射电子显微镜( t e m ) 研究了样品的晶体结构和微结构；样品的成分通 过能量散射x 射线光谱仪( e d s ) 进行确认；利用扫描电子显微镜( s e m ) 和原子力 显微镜( a f m ) 得到了样品的表面形貌及粗糙度；利用振动样品磁强计( v s m ) 测得 了样品室温下的宏观磁性；利用磁力显微镜( m f m ) 观察了样品表面的磁畴结构； 利用网络分析仪测量了样品的高频磁性。 3 1 样品的制备 常用的薄膜制备方法主要有真空蒸发、溅射、离子束、外延膜沉积等。其中， 溅射是指具有足够的高能量的粒子轰击靶表面使其中的原子发射出来。磁控溅射 射是其中一种高速低温溅射，因其制备的薄膜膜层针孔少、致密、纯度高、厚度 均匀、膜的附着力强，而被广泛地用于薄膜制备。磁控溅射分为直流磁控溅射和 射频磁控溅射。 在本文中，我们采用射频磁控溅射方法在s i ( 1 1 1 ) 基片上制备了一系列 t a f n d 2 ( f e c o ) 1 7 t a 薄膜样品。通过改变制备态薄膜厚度、衬底温度及之后对制备 态样品进行真空磁场退火以到达对其结构和磁性的调控。 3 1 1 磁控溅射的基本原理 溅射是指用几十电子伏或更高能量的粒子轰击材料表面，使其原子或分子获 得足够高的能量而溅出进入气相，溅出的、复杂的粒子散射过程【1 】。根据溅射 理论的级联碰撞模型【2 】，如图3 1 所示，当入射离子与靶原子之间发生碰撞时将 能量传递给靶原子，在准弹性碰撞的过程中，通过动量的转移使品格原子被撞出， 形成级联碰撞。当级联碰撞延伸到靶材表面时，使得表面粒子的能量足以克服结 合能的时候，表面粒子逸出就成为溅射粒子。这种溅射粒子淀积到基片或工件的 表面形成薄膜的方法就被称为溅射镀膜法。溅射镀膜是基于粒子轰击靶材时的溅 】9 第三章样品的制备与测试 射效应，整个溅射的过程都是建立在真空和辉光放电基础上的。 离子 图3 1 溅射的级联碰撞模型 靶表面 对于直流溅射，在靶材和基底之间加上一定的电压，存在于气体中的少量 电子在电场力的作用下逐渐加速，加速电子和氩气原子相互碰撞，使氩原子电离 成正离子和电子。这些电离出来的电子再次被加速去撞击更多的氩气原子使其电 离，电离出的正离子加速后轰击靶材表面，与靶材原子发生级联碰撞后使靶表面 的粒子逸出，沉积在基底上就可以形成薄膜。 图3 2 射频磁控溅射原理图 直流溅射只能沉积金属薄膜，不能沉积绝缘介质膜。其原因是，当溅射绝 缘介质靶材时，轰击绝缘介质靶表面的正离子和电子无法中和，使得靶表面的电 位不断升高，外加电压几乎都加在了绝缘介质靶材上，极间粒子的加速与电离会 不断变弱，导致溅射不能维持。如果在靶和基底之间加上一个射频电压，溅射就 兰州大学硕士学位论文 可以继续维持。原因是当溅射靶处于射频场的负半周期时，由于电子的质量比离 子的质量要小很多，因此其迁移率很高，只用很短的时间就能飞向靶材表面，去 中和靶表面积累的正电荷，同时，在靶材表面积累了大量的电子。当射频场处于 正半周期时也能够吸引离子轰击靶材表面。这样，在一个周期内电子和正离子就 能够交替轰击靶材，从而实现了溅射绝缘介质的目的。如图3 2 所示是射频( r f ) 磁控溅射的原理图。 普通溅射镀膜最大的缺点是溅射速率较低，比蒸发镀膜速率要低一个数量 级。而磁控溅射能很好地弥补这一缺点。如图3 3 所示是磁控溅射的工作原n 3 1 。 ，入 vvv 八l 霹疆繇醛强强疆 n 卜s ， ；n ；，i。， 图3 3 磁控溅射工作原理 屏蔽罩 磁控溅射与一般溅射的不同之处是在靶材表面设置了一个平行于靶面的横 向磁场，这个磁场由置于靶内的磁体所产生。在电场e 的作用下，电子e 力l ：l 速飞向 基底，在这个过程中与心原子发生碰撞，如果电子的能量足够大( 约3 0e v ) ，就 会使电离出氩离子时十和一个电子e 1 。电子飞向基底，加+ 在电场e 的作用下加 速飞向阴极靶，并且以高能量轰击靶材表面，使靶材表面产生溅射。在溅射粒子 中，中性的靶原子( 分子) 就会沉积在基底上形成薄膜，二次电子e l 在飞向基底 的过程中，受到磁场b 的洛仑兹力沿磁力线作回旋运动，二次电子e l 的运动路径 很长，而且被磁场b 束缚在距离靶材表面很近的等离子体区域内，这样就会在该 区域内电离出大量的a r + 轰击靶材表面，从而实现了磁控溅射的高速沉积。随着 碰撞次数的不断增加，电子e 1 的能量将不断下降，同时逐渐远离靶材表面，低能 电子e 1 将沿着磁力线在电场e 的作用下到达基底。因为该电子的速度很低，传给 基底的能量也很小，不会使基底有较高升温，所以，磁控溅射具有低温的特点。 2 1 # 二# 品的制# l - 测m 削3 4 超高真空多功能磁控溅射仪瞪计幽 蚓3 5 超高真空多功能触控溅射仪示意h 图34 、35 足我们制备样品所用的多功能磁控溅射发蔷的设| f 削及不意罔。 j e 中，逍样系统主要用柬是吱现样品的进出样品库、清洗台及溅射台。将装有 样品的样* 托_ f 功放芥到样品库巾后，就- 叮以通过进样系统实现在真空状态下 迅速装样品及实验完成后取样品一这些为提高实验效率，增加实验的t 信度 ! 州 学t 学位论女 提供了有力的保证。预处理系统中的清洗台可提供8 0 0o c 的高温，与其j f 下方 的清洗靶同时使片 来完成清洗的过程。清洗靶使胄j 时需要连接射频源，同时调 节真宅度以达到对基片的清洗效果。溅射系统主要由溅射台，升降盖系统，六 只磁控溅射靶枪，真空测毽系统，6 2 0 分子泵机组组成。溅射系统是整个设备 中最重要的工作部分，各种镀膜实验工作就是在这里完成的。溅射过程中基底 温度可从室温佛t ) 到8 0 0o c 调控。样品托配有电动溅射挡板，溅射时样品托可 以旋转，速度为2 6 0 转分可调，目的足保证薄膜样品的均匀致。奉实验我 们所使用的溅射温度是室温，样品托旋转速度为17r a d s 。溅射室中的六只磁 控靶均为斜溅射靶枪，可以实现共溅射。每个磁控靶上都配有水冷系统，以防 止其在溅射过程中其受热而退磁。其中，5 # 、甜靶为强磁性靶，内胃磁场的大 小为1 7 0 0g s ，其他四个靶为弱磁性靶，内胃磁场的大小为5 7 0g s 。如图3 6 为磁控溅射靶示意圈。 除妒山飞 n 前_ 望： 目3 6 碰控溅射靶示意幽 真空测量系统由舰管和真空汁组成，用柬测量进样室和溅射宅的真空度。溅 射室中配有两套真空测量系统，套为5 2 2 7 真空计显示通常情况下的真空度， 另一套为5 3 1 0 真空计显示的是溅射状态f 的真空度。 3 1 2 溅射工艺参数的选择 薄膜的结构和p k 能与溅射的i ：艺条什常i - ) j _ 1 1 关。影响薄膜性能的土坚参数 有：溅射功率眠靶村与塾之州的距离d 、衬腻温j 叟n 、溅射气三尸，溅射时州 f 譬。 溅射功率能够影溅射粒子的能量从而影叫溅射娃# ，当然也会影响到沉 第三章样品的制各与测试 积速率。定性地来说，溅射功率噼在某一个阀值，当瞅w o 时，入射正离子 的能量太小，不足以轰击出靶原子而产生溅射。当w w o 时，溅射速率随着溅射 功率晰勺增大而增大，但是当功率高到一定值时，由于被加速的正离子能量很大， 大大增加了其打入阴极靶内部的几率，使其能量在大量的原子之中散失掉了，溅 射速率反而会减小。 靶材与基片之间的距离d 会影响薄膜的均匀性和沉积速率。为了能够产生辉 光放电，靶材与基片之间必须保持一定的距离。由于靶材表面溅射出的粒子在空 间分布上存在一个立体角，如果靶材与基底之间的距离较远，会使单位时间内到 达基底中心的粒子数大于到达基底边缘的，导致薄膜中心厚边缘薄。在本实验中， 靶材与基片之间的距离为1 5c m ，靶材与基片之间的角度约为1 2 0 左右，基片以1 7 r a d s 的速度均匀旋转，以保证薄膜能够均匀生长。 衬底温度对薄膜的生长也有很大的影响。通常情况下，衬底温度会影响沉 积原子在薄膜表面的迁移率。一般来说，衬底温度越高，沉积在基片上的原子的 能量就越高，越容易迁移，使晶粒长大，结晶完整。当衬底温度较低时，生成的 晶粒尺寸较小，甚至可能生成非晶态。所以，在溅射过程中衬底温度最好可调， 以便对薄膜的微结构进行调控。本实验中，我们在室温条件下制备了一系列的样 品。 溅射气皿影响的是薄膜的沉积速率和纯度。一般随着溅射气压增大，沉积 速率会降低。原因是溅射气压的增大使溅射出来的原子( 分子) 的平均自由程减 小，因而到达衬底的粒子数就会减小。另外，随着p 的增大，进入生长着的薄膜 中的气体粒子也会增多，导致薄膜的纯度下降【3 】。所以，在能够维持稳定溅射 的前提下，应尽量降低溅射气压。 3 1 3 样品的制各及处理过程 本实验中，我们用单晶s i ( 1 1 1 ) 做基片制备薄膜样品，基片的清洗是一项必 要的实验准备工作。首先将基片裁成大小为2 5c n l x 5c m 的长方形，放入丙酮 中，用超