（凝聚态物理专业论文）fexcu1x合金在gaas001表面外延薄膜的结构和磁性研究.pdf

摘要( 中文) 随着工业领域中对于磁性材料的广泛应用，尤其是信息技术产业日新月异的 发展变化，磁学这门古老的学科的活力被极大的激发起来，薄膜磁学应运而生， 并不断带来突破性的发展。近十几年来，实验制备和表征能力的提高，使得对于 低维度、小尺度体系的研究也逐渐引向深入，取得了激动人心的进展。在理论方 面，计算方法的改进和计算能力的极大增强，从第一性原理出发对薄膜体系的磁 学性质的预言能力得到了提高。磁性金属薄膜的研究不仅有助于深入了解低维金 属磁性的本质，而且为自旋电子学的发展提供了物理基础。本论文就典型的铁磁 性金属f e 和非磁性金属c u 的合金薄膜外延结构和磁性进行了研究，得到以下 结果： 1 利用分子束外延的方法首次制各成功了在g a b s ( 0 0 1 ) 表面外延生长的铁铜合 金的单晶薄膜，利用反射式高能电子衍射方法观察单晶的结构。当铁的组分 大于7 5 时，铁铜合金为体心立方( b c e ) 结构，在其他组分下随着薄膜厚 度的增加为体心四方( b c t ) 和面心立方( f e e ) 结构。其中当铁的比例为2 5 时，在薄膜厚度约为6 r i m 左右发生从体心四方到面心立方的马氏体相变。 纯铜薄膜在g a a s ( 0 0 1 ) 表面厚度外延生长，在小于1 0 r i m 左右为体心四方结 构的单晶薄膜，随着厚度增加则转变为面心立方的多晶结构。 2 当合金中铁的组分约大于3 3 时铁铜合金呈现铁磁性，通过对劈型样品的制 各测量，表面磁光克尔效应的强度随着薄膜厚的的增加基本呈线性增强。 3 结合旋转磁场的磁光克尔效应方法对各向异性进行研究，结果显示g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延生长的铁铜合金的单晶薄膜不仅具有单轴各向异性，还有网度各向 异性，再次表明单晶薄膜中具有一定的化学有序性。 4 合金中铁原子的平均等效磁矩分别通过振动样品磁强计和超导量子f 涉仪 测量，随着铁在合金中的比例增加铁原子的平均等效磁矩逐渐减小。 关键词：铁铜合金磁附：薄膜分子束外延各向异十牛 分类号：0 4 8 4 4 + 3 a b s t r a c t a st h em a g n e t i cm a t e r i a l sa r em o r ea n dm o r eu s e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r yf i e l d , e s p e c i a l l yt h e “i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y f i r ) i n d u s t r y m a g n e t i s mc o m e so u to fi t s l o n gh i s t o r y a n db e c o m em u c hf r e s h e rn o w a d a y s “t h i nf i l mm a g n e t i s m w a s s e p a r a t e df r o mt h em a i nm a g n e t i s mr e s e a r c h e sa sab r a n c h ，b r i n gm o r ea n dm o r e b r e a k - u pa si td e v e l o p s s i n c el a s td e c a d e s ，t h ep r e p a r i n gm e t h o da n dc h a r a c t e r i z e w a ya r eg r e a t l ye n h a n c e d w h i c hl e a d st h er e s e a r c hf o rt h o s el o wd i m e n s i o n a la n d s m a l ls i z e g od e e p e ra n dh a v ea l r e a d yh a v em u c hi m p r o v e m e n t a s f o rt h e o r y c a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dc o m p u t a t i o n a lc a p a b i l i t yw e r eb o t he n h a n c e d ，t h u st h e f o r e c a s t i n ga b i l i t yf o rn e wp r o p e r t i e so fm a g n e t i cs y s t e m sb a s e do n t h ef i r s tp r i n c i p l e c a l c u l a t i o nw a sa l s oe n h a n c e d s t u d y i n go nm a g n e t i cm e t a lf i l m sw o u l dn o to n l yh e l d t ok n o wt h ee s s e n c eo f t h e m a g n e t i cm a t e r i a lb t i ta l s oh e l pt od e v e l o p t h es p i n t r o n i c s i nt h i st h e w s ，t h ef e c u a l l o ya r es t u d i e do l li t ss t r u c t u r ea n dm a g n e t i s m t h ef e s u l t s a r ea sf o l l o w i n g ： 绪论 早在系统的经典物理框架建立起来之前，人们就已经开始利用磁性的材料， 磁性材料的“魔力”引起了人们的巨大兴趣，也是从那时起逐渐揭开了“总结磁 学现象一研究磁性的本质一与其他学科相联系探索物理学最基本原理”的序幕。 电子自旋发现以后，人们逐步认识了磁学现象与电子自旋的血肉联系，由于自旋 作为电子内禀属性在量子力学中的重要地位，磁学的研究也成为现代凝聚态物理 的一个重要领域。 从对材料的尺度关注的侧重点不同来看，磁学的研究可以分为两个方面：宏 观性质方面，主要源于对于永磁体性能的兴趣，对于材料宏观表现出来的软磁、 硬磁等现象进行解释，控制并制各新的材料；微观性质方面，来源于对磁学本质 的探索，主要关注微观磁结构，自旋间的相互作用以及晶体结构和磁学性质间的 关联。无论哪一方面都具有工业应用的巨大需求作为发展的强大动力，因此磁学 作为一门古老的学科还始终保持着活力。 现代科学的发展离不开技术的创新和进步，新技术的产生又使得人们能够探 索以往无法探究的领域，发现新的现象和原理，进步促进更新技术的产生，薄 膜磁学的研究正是在这种循环激励的机制下发展进步起来的。新的样品制备技术 和超高真空技术的产生和结台使得人们能够获得二维的薄膜甚至一维或零维结 构，分子束外延等方法使得获得单晶样品更利于人们对物理本质的认识进一步清 晰；随着电子、激光等探测技术的日盏丰富发展，表面分析技术的不断提高，人 们甚至能够存原子尺度探测微观结构和各种性质，在传统的体材料研究基础上对 于低维材料进行研究近年来一系列具有自旋分辨能力的高精度探测手段如自旋 极化扫描隧道显微镜( s p s t m ) 、磁圆二色( x m c d ) 方法、a 旋分辨光电子能谱 等陆续产生，已经成为磁学的一个主要分支。通过对于薄膜磁学研究，人们已经 发现了许多新的现象，如多层膜间铁磁反铁磁耦合所带来的体系输运性质的变 化，被迅速应用到工业技术领域，推动着当今电子信息工业的发展，是包括计算 机和磁性存储等产业在内的许多工业领域发展的原动力之一。而工业领域的巨火 需求也支持和促进了人们对于薄膜磁学研究的热情和投入。 目前薄膜磁学的研究有以下几个主要的研究方向： 1 低维体系的组成和结构与磁性的关联，也包括表面和界面的结构和组分对磁 性的影响： 2 低维磁性体系的输运性质研究，这一方面有着极强的应用背景，是a 旋电了 学的重要组成部分； 3 微磁学研究，包括对薄膜材料中的微磁结构的探测和理论模型的构建一微磁 学计算等； 4 多层膜体系的相互作片j ，主要为层间的铁磁反铁磁耦合引起的交换偏置现象 和电子在多层膜问的多重散射j 。生的巨磁阻、庞磁阻现象。与对磁性体系输 运性质的研究有一定的交叉。 以卜的四个方面并不是可i 相关联的独立部分，而是相互渗透相互交叉的，划j 一 个复杂的磁性体系既要考虑组成和结构的根本性影响，又需要探测其微观的磁结 构，建立理论模型从而揭示其自旋相互作用的本质。 另外磁学还和其他许多学科相互交叉，如在进行高温超导问题的研究时，外 加磁场是影响超导电性的重要方面。 本论文中的问题主要集中在第一个研究方面，探索了制备铁铜合金单晶薄膜 的方法，对f e x c u l x g a a s ( 1 0 0 ) 体系研究了几方面的磁性研究，并利用实验中获 得的信息对人们关注的f e g a a s ( 0 0 1 ) 体系的单轴各项异性进行了尝试性研究。 第一章实验设备和实验方法 本章主要对本论文实验中所用到仪器和设备进行介绍，并且对其中 一些重要的分析测试技术作了简要的介绍。 1 分子束外延装置 分子束外延装置可以分为快速进样室和生长室两部分，是实验室自己设计，国内 加工生产。整个装置的如图1 所示。快速进样室( 即准备室) 配备爱德华公司生 产的涡轮分子泵，真空度可达1 0 _ 7 帕。生长室的本底真空度可达3 1 08 p a ，生 长过程真空度可优于3 1 0 一p a 。生长室中可以同时装五个出循环水冷却的蒸发 源，同时还配备了一个可以对样品的表面晶体结构进行原位实时测量的反射式高 能电子衍射( r e f l e c t e dh i g he n e r g ye l e c t r o nd e f l e c t i o n ，r h e e d ) 装置，样品 的生长速率可以由石英晶体振荡器来测量，而且样品架有灯丝电流加热装置，可 以用来处理样品或对样品在生长时加温，此外，生长室还安装了可以自动控制的 劈形样品生长装置。有关这套劈形样品生长装置的详细介绍可以参考论文( 海 峰硕士毕业论文) 。因此这套设备可以用分子束外延的办法生长磁性金属和合会， 可原位实时测量表面晶体结构。制备好的样品，用会或银做为保护层覆盖后，再 拿出真空室用其他手段进行结构和磁性的测量。 n b es y s t e mf o re s c a i a b 一5 + p r e l 。a r ql i o n 一1 _ 一 c r o w t hc h a m b e r 。 f h n ，髓b p t 图1 1 ：分子束外延装置 分子束外延方法 分子束外延方法是被用在超高真空系统中制备能够控制到单层生长的高质 量外延结构的技术。自从1 9 7 0 年分子束外延技术作为生长高纯度的半导体薄膜 的工具被引入以来，已经被广泛应用在科研和工业领域，用于制备外延生长的金 属、绝缘体和半导体。这项技术的原理相对简单：用于生长的固体源从根本上都 是由原子或原子团组成，被加热后这些原子或原子团将在真空腔中移动至称底表 面，在称底表面可能发生散射，最后附着并沉积下来。尽管原理简单，但是仍需 要大量的技术工作才能得到纯净的材料并控制材料整体的均匀度和表面。 相比较其他制备方法，分子束外延方法制各材料的产率很低，但是具备一些 其他方法无法比拟的优点。由于生长温度和速率都相对较低，这种方法可以较好 的控制样品的界面性质和样品构型等；由于生长环境为超高真空系统，所以制备 的样品相比其他生长环境下方法制各得到的样品纯度高；最后超高真空系统还使 得电子散射的探测方法成为可能，更有助于了解材料的生长机制。 表面磁光克尔效应 磁光效应是指当束线偏振光入射至磁性介质，经过透射和反射之后出来， 偏振方向发生改变，并且会由线偏光变成椭圆光。灯丁透射光的变化是由法拉弟 ( f a r a d a y ) 于1 8 4 5 年发现1 ，称为法拉弟效应( f a r a d a ye f f e c t ) ，反射光的变化是由 克尔( k e r r ) 于1 8 7 7 发现”，称为克尔效应( k e r re f f e c t ) 。磁光效应在对磁性材料的 研究中得到了广泛的应用，可是直到1 9 8 5 年磁光效应才被m o o g 和b a d e r 首次 用于研究表面磁学，成为研究表面和薄膜磁性的熏要方法。表面磁光克尔效应 ( s m o k e ) 首次是被用十研究在a u ( 0 0 1 ) 表面外延生长的f e 超薄膜的磁学性质 i i l , l v ， 理沦计算表明当薄膜比较薄的情况下，k e r r 信号和薄膜的磁矩成f 比天系 v 。”。由于s m o k e 所表现出的亚原子单层的磁性探测灵敏度和易于与超高真空系 统结合的特点使得现存它在近些年已经发展成为一种重要的和常规的研究薄膜 磁学性质的技术。它被广泛应用于研究表面超薄膜的磁有j 手、磁性相变、磁各向 异性，以及层间耦合等多种磁学现象。同时s m o k e 在商业上还被应用于商用高 密度的磁光存储技术“3 。 磁光效应的宏观理论指在磁性介质中，由于时间反演对称性的破缺，左、右 旋圆偏振光具有不同的折射率。当。束线偏振光在磁性介质中传播时，可以被看 作是一对左、右旋圆偏振光的叠加，由于这两种园偏振光的折射率不同，存介质 中传播会有不同的相移，从而引起线偏振光的偏振面的旋转；同时，介质对这两 种模式的吸收率也4 i 州，从而改变出射光的椭偏率。对于透明介质，由于吸收较 弱，以光的偏振面的旋转为主，而金属对光的吸收较强，则以光的椭偏率的变化 为主。通常，这两种效应存磁性介质中同时存在。冈此，可以通过测量偏振光反 射或透射后的偏振情况柬研究磁性材料。为了测量磁光效应中偏振面的旋转和椭 偏率的变化，人4 f 一般存s m o k e 的测量中，采用如图4 中所示的三种测量构型： 极克尔效应、纵克尔设应和横克尔效应。 极克尔效应是指外磁场h 的方向垂直于样品表面，并且平行于入射【自j ，这 种方法在三种测量构型中信号最大，常用于磁化强度m 垂直于样品表而的分量 测量：纵克尔效应是指外磁场h 的方向平行于样品表面，并且平行于入射面， 常用于磁化强度m 赴样品表面沿外磁场方向分量的测量：横克尔效应是指外磁 场t i 的方向平行于样品表面，并且垂直于入射面。在本实验中主要利用的是纵 向克尔效应( l o n g i t u d i n a lm o k e ) 。 极向纵向 横向 图1 - 2 ：s m o k e 中常用的三种测量构型。 一般s m o k e 的测量光路如图所示。 幽1 - 3 ：s m o k e 的测量光路 一束几毫瓦的激光，经过起偏器后变成线偏振光， 般取为s 光( 电场矢量 e 垂直于入射面) 或p 光( 电场矢量平行于入射商) ，木实验中取为s 光。从样品 表断反射后，经过检偏器( 检偏器的偏振方向设置成与消光位置相差一一个小角度 6 ) 后被光电探测器所接收到的光强与偏振光的旋转角成f 比，但是由于检偏群 和起偏器设置成接近消光位茕，信号光很弱，必需要用滤色片去处杂散光的影响。 本实验中采用的是这种普通表面磁光克尔效应的办法，直接测量偏振面的旋转角 的变化。用这种办法测量可以达到很高的灵敏度。 对于纵向表面磁光克尔效应，反射系数r p 。和唧可以简单的写为： 手雨毒翁赫怍a 糊万瓦丽矸百丽矾i 面f 丽旷“两i r p s 2 一r s p 这里n l 和n 2 分别是激光在两种介质中的折射率。m 。为磁性薄膜的纵同磁 化强度分量。 一 协一 = s + ，j庐 = 仉 样品的制备 实验中使用的衬底多为掺t e ( 浓度一般为8 6 x1 0 “) 的n 型g a a s ( 0 0 1 ) 。经 过抛光处理以后的g a a s ，用酒精和丙酮清洗后，再用体积比为h 2 s 0 4 a t - 1 2 0 2 - , h 2 0 = 5 ：l ：l 的化学溶液，在6 0 。c 腐蚀3 分钟，用水清洗甩干以后，传入真空系统， 然后快速将样品升温至5 8 0 6 0 0 0 ( 2 ，最后，降温至5 0 0 5 5 0 0 c 退火5 - l o 分钟，就 可以得到清洁有序的g a a s 表面。 经过处理以后的g a a s 用a e s 观察不到c 、0 玷污如图1 - 4 所示。 一 - l 叫 用r h e e d 可以见剑清晰的( 4 1 ) 再构，这是由( 4 2 ) ；f nc ( 8 2 ) 随机组成的 如图l 一5 所示。 (sllc)djb空靠cm芒 蒸发源使用的是纯度为9 9 9 9 的金属材料，合金是用金属单质材料共蒸发 的方法获得，合金比例通过调节蒸发源的蒸发速率来获得相应的原子数比。蒸发 源的蒸发速率是在样品生长前分别用石英晶体振荡器定标总的蒸发速率是就是 各个蒸发源的蒸发速率的累加。实验中一般固定总蒸发速率为0 2 n m m i n 。 如果生长的是劈型样品，可以通过r h e e d 图样的变化来测量劈型样品的起 始位置距离衬底底端的距离，然后以此距离为零点，根据样品的淀积速率和控制 样品架移动的步进电机的速率，就可以定出各个位置的样品厚度。我们研究样品 一般厚度不超过8 0 r i m ，样品总长度约为1 5 m m - - 2 0 m m ，劈型样品的斜率小于 0 5 n m m m 。而我们实验中使用实验技术s m o k e 和r h e e d 等都是聚焦系统， 光斑或电子束斑都小于0 2 m m 。因此，在光斑或电子束斑的测量范围内，样品厚 度的变化小于0 1 n m ，在我们实验的误差范围内。 旋转磁场磁光克尔效应方法( r o t m o k e ) 旋转磁场磁光克尔效应方法“是一种较新的用于测量样品各项异性场的强度 的方法，相对于普通的纵向表面磁光克尔效应( l o n g i t u d i n a ls m o k e ) 方法的测量， 它的装置上主要特点是磁场相对于原光路不再是固定不动的，而是以样品为中一巴 在样品平面内可以连续转动。该装置示意图如下： 图1 6 ：旋转磁场磁光克尔效应方法装置示意图 对于存在各项异性的磁性样品，在外加磁场足够大( 一般要火于矫硕场h c 和 各项异性场h k ) ，样品的磁化强度基本饱和的情况下，可以将此时的随外加场强 度微小变化引起的样品磁化强度的微小转动视作币畴转动 ( s t o n e r - w o h l f a r t h - l i k e ) ，在此模型基础上将外磁场对样品的磁化强度的作用例作 等效的力矩，并利用v o i g t 效应，将纵向磁光克尔效应的分量分离丌米，根据力 矩与总能的关系可以褂到样品的各项异性场的强度。这种方法多用于堆轴各项异 性场的测量。 如果样品只有一个面内的各项异性场则在外加磁场大小为h 的情况下样品 的能量密度可以写为： e = 号= - m s h c o s ( a 一咖+ 吃s i n 2 妒 y 其中e 为磁性样品的总能，v 为磁性样品的体积。能量由z e e m a n 能和单轴各项 异性能两部分组成，m s 为样品的饱和磁化强度，a 为外加磁场与样品易轴间的 夹角，巾为总磁化强度与样品易轴间的夹角。 在特定的外加磁场h 和样品内部各项异性场h k 的共同作用下，样品的磁化 强度将停留在平衡位置中处，因此可以通过将能量项对于巾微分获得平衡时样品 磁化强度和易轴的夹角巾： 如s i n 2 q d = h m ss i n ( a 一妒) 根据定义：峨= 2 毛虬，上式又可以写为： h 女s i n2 妒= hs i n ( c e 一妒) 上式中h k 是实验需要获得的各项异性场，a 为已知的外加磁场与样品易轴 问的央角，冈此只需要得到中的大小，就能得到m 。 从前文中对纵向克尔效应的介绍可知，纵向克尔效应的旋转角在高精度的近 似下可以写作： o k ( m ) = 0 s a t m l + 加，聊f 其中o “为纵向克尔旋转的幅度，m 和m t 分别为纵向和横向的磁化强度分量， 为v o i g t 效应引入的符数。 a ， h aj ， 一。卧 m e ( j 奈。 i 、 im 觥脚 i 1a j一 菜 m ， 一l f 1 1 诩8 均 过z i孙姒j j t 甄 m ( 1 椰。+ 涿 牛戗)f 为了将纵向克尔效应干：j 横向分离开，需要利用己知的有对称性关联的四象限中分 量问的关系，如上图l - 7 所示，衄a ) ，m ( 1 8 0 0 + ) ，m ( 3 6 0 0 a ) 问的关系式为： r r q ( a ) = m ( 3 6 0 0 n ) r a ( d ) 2 一m t ( 1 8 0 0 + a ) m t ( ) = - m t ( 3 6 0 0 - ) m ( a ) = m ( 1 8 0 0 + a ) m m ( a ) = 一m m ( 3 6 0 0 d ) m ln 、( ) = m lm t ( 1 8 0 0 + d ) 根据以上各式，可得到以下的关系： 8 砌血) = b ) + 8 ( 3 6 0 0 一瑾) 】= 8 ”， 日加 ) ：昙b ) 一日( 1 8 0 0 a ) 】：日s 。， 由此二级量“f m j m ，”可以从克尔转角中分离掉，余下对纵向磁化强度的线性量部 分，且有r n l = c o s 中 注。：以上各式中的m i 和弧均为归化后的量。 因此实验上可得到等效力矩，( 0 。2 l ( a ) v m s ，其中 ( 口) = h v mps i n ( a 一妒) ， z ( “) = hs i n ( a - 9 ) = _ 1 爿女s i n 2 q ) 1 至此通过，( 口) 2 f ( 以( 妒) ) 和妒的关系( i f 以通过数据拟和得到样品的各项芹 性场h k 。 由以上的测量和分析过程町知，旋转磁场磁光克尔效应测量各项异性场的方 法般适用于磁化强度在面内的情况，对于合有垂直于样品表面的磁化强度分 量，可以通过改变出射和入射光的方向等方法分离得到样品的面内分量，冉进 丁 拟和得到面内各项异性场的大小。值得注意的是测量时的外加磁场一定保证使得 样品内的磁化强度饱和并i 。 _ 视为啦畴转动。 总之旋转磁场磁光克尔效应方法比较其他的测量手段有更加方便，不损伤样 品，更适合薄膜样品测量等优点，在本论文中正是使用浚方法首次测得了铁铜合 金的各项异性场大小。 超导量子干涉仪( s u p e r c o n d u c t n gq u a n t u mi n t e r f e r e n c e d e v i c e s q u i d ) 超导量子干涉仪利川超导状态下电子划州的相关性和约瑟夫森 3 ( j o s e p h s o n j u n c t i o n ) 效应，通常被州十测量极为微弱的信号，这罩被用于测量微小的磁信号。 s q u i d 的主要部分为个超导材料构成的线圈，其上有一至两个微小的联结点。 如图l _ 8 所示为超导量予干涉仪的示意图。w 处和x 处为联结点，此处的临界 电流远小于线圈主体的临界电流。这种结构能够产生非常低的电流密度，从而使 得超导状态下电子对的动量很小。电子对的波长也相应地非常长，使得线圈中各 部分的相差很小。在这此弱联结处形成了约瑟夫森节，利用这种构造可以测量大 磁场下的微小信号。 m f a r a d a y t r a n s r o y s o c ( l o n d o n l5 ，5 9 2 ( 18 4 6 ) “jk e r r + p f l o s 朋矗o3 ，3 3 9f 1 8 7 7 ) “1 e r m o o g sd b a d e r ，s u p e r l a t t i c e sm i c r o s t r u c ll ，5 4 3 ( 19 8 5 ) sd b a d e r ，e r m o o g 。p g r u k n b e r g ，m a g n m a g n m a t e r 5 3 ，l 2 9 5 ( 1 9 8 6 ) ”j z a k e r m o o g cl i ua n ds d b a d e r ，p h y sr e v b4 3 ，6 4 2 3 ( 1 9 9 1 ) ”z 0q i u ，s d b a d e r j m a g n m a g n m a t e r 2 0 0 ，6 6 4 ( 19 9 ) ”s k l a h n p h a r i s e na n df j a m g r e i d a n u s ，v a c c u m4 l ，1 1 6 0 ( 1 9 9 0 ) ”x f j i n ，m r y u frz h u ，x w a n g ，s e m i c o n ds c it e c h n 0 1 1 ，2 9 3 ( 19 8 6 ) “r m a t t h e i s ，g q u e d n a u ，v 0 1 2 0 5 ，1 4 3 1 5 0 ，( 1 9 9 9 ) ( 第二章f e x c u l 幔在g a a s ( 0 0 1 ) 表面 外延生长的结构 i 前言 过渡金属及其合金薄膜的结构和磁性历来都是薄膜磁学的一个重要的研究 课题，随着近年来磁性薄膜在工业领域的广泛应用，人们对这一课题的重视也逐 渐提高。由于过渡金属的晶格常数和许多半导体衬底的匹配度较高，利用分子束 外延等技术在半导体( 如砷化钾、硒化砷等) 衬底上可以得到很好的磁性单晶薄 膜，利用衬底的诱导作用，还制备出了自然界中存在甚至原来并不存在的亚稳相 结构，比如在g a a s 衬底上得到了b e ec 0 1 和f e em f f l 等。由第一性原理计算的理 论预言一分子束外延技术对于不同结构相的磁性薄膜样品制备一光学和微电子 学测量三部分构成了一个完整的研究过程，能够通过改变衬底和生长温度等生长 条件达到控制材料晶体结构对于研究结构和磁性间的关联具有重要意义。 f e ，c o ，n i 是三种最典型的铁磁性材料，其中f e 是人们从最早认识，进行了 大量研究并最广泛应用在各个领域的。在3 d 过渡族金属中，它的左边是典型的 反铁磁材料c r ，m n ，在它的右边是铁磁性的c o ，n i 。铁具有非常丰富的磁性结构， 使得人们至今未能完全清楚的了解。在自然界中存在着两种晶相的铁：典型的铁 磁性的b c c 型铁( c - 柏) 是热力学的稳定相：高温相的f c c 型铁( y 相) ，在实 验上，体材料的f c cf e 只存在于高温下( 9 1 0 0 c ) ，低温的f c cf e 能够以纳米颗粒 形式在c u 的母体中沉积得到。在超薄膜磁性领域中，低温单晶f c c 铁薄膜是通 过在c u f l 0 0 ) 单晶表面外延得到的，这个体系的性质非常特殊和复杂，直到最近 人们刊有了一些清晰的了解。由于对f e c u ( 1 0 0 ) 体系的关注，f e 、c u 合金也逐 渐引起了人们的兴趣；另一方面，由于铁铜体材料之阳j 互融性很低：铁在体材利 的铜中的融解度为4 ( 以f c c 相存在) ，铜在体材料的铁中融解度为1 0 。这 使得要获得更高互融度的铁铜合余变得困难。制备较高互融度的业稳相的固态铁 铜合金是长久以来存在的一大难题。几 年来对于铁铜合金结构及其性质人们做 了大量的工作，尝试了用各种方法制各铁铜合金，提高其互融率，比如快速冷却 淬火、气念蒸发、离f 柬互混和机械研磨等。 到目前为止，制备铁铜合金有以下几种方法：d u w e z 最早使用快速冷却淬火 制各合金的方法，得到的铁铜合金f e 。c u l 。当x ) 0 8 5 时为b c c 结构，当x ( 0 2 0 时为f c c 结构，中问组分为两相共存瓦混的状态”；之后s u m i y a m a 和c h ip n 先 后片j 蒸发淀积的方法得剑了铁铜合会，分别存0 6 ) x 5 0 4 利0 7 5 ) x ( ) n 的区问 为两相共存态，铁的组分较多时为b c c 相，铜的组分较多时为f c c 相：由于在制 备过程中有“s p i n o d a d e c o r a p o s i t i o n ”等特殊现象发生“，用机械研磨的方法 制备铁铜合金成为近年柬的一个热点，用这种方法得到的铁铜合金的结构可以将 f c c 和h c c 的两相共存区域缩小到0 7 0 ) x ) 0 6 0 ，并在铁的组分较多时为h c c 相， 铜的组分较多时为fc c 相。不足的是，用以一l 方法制各得到的铁铜合会样品始终 为多品，这使得一螋特定的磁学测量女h x , j 于各项异性等的研究难以进行，另外未 能在所有组分下实现l 弘一晶干h ，总是存在f “：和b c c 的两相共存区域也4 e l 导x , t 这 一体系的系统研究有1 定的障碍。日前报道的方法中只有通过在c u ( 1 0 0 ) 表而用 激光脉冲淀积的方法外延单层的f e c u 薄膜堆栈得到了较为理想的陀。f 。理想 合金”，但是只能在x = 0 5 0 这一组分下实现。本章中阐述了用分子束外延的方 法在g a a s ( 1 0 0 ) 表面得到了铁铜合金的单晶薄膜，并使得在所有组分下都能得到 单一晶相一b c t 或者f c c 相的单晶薄膜样品。 体材料f e 的热力学稳定相为b c c 结构，晶格常数为0 2 8 6 7 n m ( 0 2 8 6 7 2 = 0 5 7 3 3 n m ) ，g a a s 衬底为闪锌矿结构，晶格常数为0 5 6 5 n m ，f e 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延的失配率仅为1 5 ，在室温下即可得到很好的外延薄膜。而体材料c u 的热力学稳定相为f c c 结构，晶格常数为0 3 6 1 n m ( y 相铁的晶格常数为 0 3 5 9 n m ) ，如果在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延失配率较大，若外延c u 薄膜为b c c 结构， 则失配率与铁外延的适配率相当。因此由于g a a s ( 0 0 1 ) 衬底的影响，铁铜合金的 外延薄膜趋向于形成b c c 结构。如下图所示。 o 】 o o n m a si o n 0g od o no f e o f 8 j c u | 0 n 图2 - 1 ：( a ) b c c 结构的f e c u 合金生长在g a a s ( 0 0 1 ) 表面：( b ) 旋转4 5 度的f c c 结 构的f e c u 合金( 0 0 1 ) 表面。 i i 实验 外延牛长在是柏：分子束外延系统上进行。纯度为9 9 9 9 的f e ；f , l ! c u 经过进 步的清洁、去除氧化表面的处理厉分别装在两个a 1 2 0 3 的坩锅中。掺t e f l , j g a a s ( 0 0 1 ) 单品衬底首先通过常规的机械抛光、清洁去油。然后用1 - 1 2 s 0 4 ：h 2 0 2 ：i - 1 2 05 ：1 ：l ( 体 积比) 进行化学腐蚀，快速送入真空室。在超高真空条件卜，5 8 0 0 c 下闪速退火， 最后得到清洁的g a a s ( 0 0 1 ) 表面。在r h e e d 看至t j ( 4 x 1 ) 再构。生长室的本底真空是 3 x 1 0 - s p a 。，| 二长时，真空度优于2 x 1 0 。p a 。根据要生长的合金的组分比例计算得 到需要各个蒸发源达剑的蒸发速率，利用石英晶体振荡器柬分别测定蒸发速二礼 通过加热共蒸发的方式来生长f e 。c u t 。薄膜，在实验巾共蒸发速率维持神： 0 2 n m m i n 左右，单个蒸发源速率维持在0 1 n m m i n 左右，各次实验中按照组分比 例计算速率的具体大小。 o冷 、 魁、忽 秽 袋 i i i 实验结果和讨论 首先我们研究室温下c u 的外延情况。从r h e e d 图上看，c u 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面只能在小于1 5 n m 左右的厚度下为接近b c c 的b c t 结构的单晶薄膜，当厚度 增加时逐渐变为多晶。这是由于铜的热稳定相为f & 结构，由于衬底的诱导作用 可以维持在亚稳定相b c t 结构，当厚度趋向于体材料时发生结构相变转变为f c c 结构。 f e 在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延生长时的高能电子衍射图样如下所示，从衍射图样 及图中格点的长宽比( a 厅1 4 ) 来看，f e 的外延薄膜为标准的b c c 结构。与此相 对照可见，c u 的r h e e d 格点长宽比从最初生长时的1 3 ，随着厚度的增加最后 转变为f b c 结构时长宽比为1 0 。f e 。c u , ；合金薄膜在g a a s ( 0 0 1 ) 衬底表面外延时 按( 0 0 1 ) 1 0 0 m 。( 0 0 1 ) 1 0 0 g a a 。的方式生长，当铁的组分大于2 5 即x o 2 5 时， 合金薄膜从最开始生长时的b c c 结构，随着薄膜厚度的增加始终为纵向拉长的 b c t 结构。当x = 0 2 5 时，以f e o2 5 c u o7 5 为例，随着薄膜厚的增加r h e e d 图样中 格点的长宽比逐渐从最丌始接近于b c c 比例的1 3 到厚度增加时的1 2 左右，到 厚度大于8 n m 时发生结构相变转变为f c c 结构时的1 0 。 图2 - 2 ：在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延生长时的r h e e d 图样( a ) f e 外延薄膜：( b ) ( d ) c u 外延薄膜：( e ) ( h ) i 。c u 。* 外延薄膜 为了确定合金薄膜生长过程中确实为b c t 结构，在排列兴角成4 5 0 方向的两 块相同处理的洁净的g a a s ( 0 0 1 ) 衬底上同时生长f e ，c u 。合金，分别使电子束沿 着砷化钾 1 1 0 和 i o o ? 方向入射，如下图所示，f e o s o c u o , s o 合盒薄膜的r h e e d 衍射图样进一步证实了合金的b c l ：结构。 图2 - 3 ：f e o 5 0 c u os o 合金薄膜在g a a s ( 1 0 0 ) 表面的r h e e d 图像。 ( a ) b e a m l l g a a s 1 1 0 ；( b ) b e a m g a a s 1 0 0 图2 4 ：在小i q 组分h 内f e 。c u l _ x 合金薄膜在生长过程中从r h e e d 上得到的 a + 心随薄膜厚度增加i ij 变化。 出于在f 氐c u l 一。合金在整个外延生长过程中的r h 匪d 衍射斑点都很清晰， 表明在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延生长得到了单品的薄膜，这种b c t 结构完好的单晶薄 膜能维持到8 n m 左右，在f e 的组分更多的情况下可以使得b c t 结构的单晶状态 维持较长，而当铜的组分较多，比如x 0 2 5 时合金薄膜在较薄时为接近b c c 的b c t 结构，随着厚度的增加为在 纵向逐渐拉长的b c t 结构：当x o 2 5 时合金薄膜丌始为b c t 结构，随着厚度的增 加纵向逐渐拉长，至6 n m 左右丌始发生结构相变，至1 s n m 左右转变为f c c 结构。 ga p r i n z ，p h y s r e v l e t t 5 4 1 0 5 l ( 1 9 8 1 ) ”x f j i n ，mz h a n g ，gsd o n g ，m x u ，y c h e n ，x w a n g ，x gz h o u ，xls h e n ， a p p l p h y sl e t t 6 5 3 0 7 8 r 1 9 9 4 ) “1 mh a n s e n ! c o n s t i t u t i o no f b i n a 巧la 1 1 0 y s ，e d i t e db ym h a n s e n ( m c g r a w - h i l l ，n e w , y o r k 19 5 8 ) p 5 8 0 i vp h d u w e ze ta 1 ，j a p p lp h y s 3 1 ，1 1 3 6f 1 9 6 0 ) vk s u m i y a m a ，t y o s h i t a b c ，a n dyn a k a m u r a ，jp h y s s o c j p n 5 8 。1 7 2 5 ( 1 9 8 9 ) v ic lc h i e na n ds h l i o u ，p h y s r c v b3 3 ，3 2 4 7f 1 9 8 6 1 ”1 p c r e s p oe ta l ，p h y s r e v b4 9 ，1 3 2 2 7 ( 1 9 9 4 ) ”s s u n d e rm a n o h a r a n m k l a u a js h e n j b a r t h e l h j e n n i c h e sa n djk 】r s c h n e r p h y s r e vb5 88 5 4 9 ( 19 9 8 1 第三章在g a a s ( 0 0 1 ) 表面外延生长的f e x c u 卜x 合金 薄膜的磁性研究 i 引言 一直以来3 d 金属的合金效应是磁学研究中的热门课题，作为典型的铁磁性 金属f e ，和其他的铁磁性金属或非磁性金属的合金被广泛研究。由于目前 咒 结构的铁薄膜只能在c u ( 1 0 0 ) 衬底上外延得到，而且蠡) c 铁薄膜的磁结构非常 丰富，随着薄膜厚度分别呈现出铁磁性和类似于铁磁性的反铁磁结构，在 f e c u ( 1 0 0 ) 的体系中f e c u 界面形成了铁铜合金层。对于f e ef e c u ( 1 0 0 ) 体系的 关注也引起了人们对于f e c u 合金的关注。自从用快速冷却的方法制备合金开始， 在探索用各种方法制备的铁铜合金的同时对磁性进行了大量的研究，并发现了如 “旋节线分解”这样特殊的现象。对于典型的铁磁性金属f e 和非磁性金属c u 的合金也进行了大量的工作。 很显然随着合金中铁的组分的不断减少铁铜合会f e 。c u ，一；将从铁磁性( 极端 情况为x = 1 0 纯铁) 转变为非磁性( 极端情况为x = 0 ) ，但是随着组分的变化合 金中f e 原予的磁矩将如何变化则并不明显。在实验方面，u e n i s h i 等人的实验表 明f e 原子的磁矩在x 0 5 的组分下保持一2 2ub ，当铁的组分小于5 0 时随着组 分的减少迅速减小为零：c h i e n 的实验则表明f e 的原子磁矩在所有组分下，甚 至c u 的比例很高的情况卜基本保持不变。在理论计算方面， s e r e n a 等人通过 第一性原理的计算表明，无论合金的结构是f c c 还是b c c ，当x o 5 的时候f e 原 子的磁矩与组分的变化无关，当x o 2 5 时减小并降低为零：然而与此结果不同 的是，w a n gj i n t a o 等人在原来第一性原理计算的方法基础上考虑了体积效应， 即计算中磁性合金l j 的晶格原胞需考虑受到磁性的影响而发生变化，需要以计算 能量驰豫到最低状念时的原胞大小为实际的原胞，进而计算合金中f e 的原子磁 矩，这样得到的结果为：如果铁铜合金为b c c 结构，当x 从10 降低到0 5 时铁 原了的平均磁矩从2 2 “b 增大到2 6 2ub ，如果合金为f c c 结构，随着x 从0 5 减小到0 2 5 ，铁原予的平均磁矩也从2 6 7ub 增大到2 7 2ub 。 由于铁铜体材料之问旺混度非常低使得一直没有能够获得铁铜合金的单品， 因此对于铁铜合金的符向异性研究很难进行；本论文中用分子束外延的方法存 g a a s ( 0 0 1 ) 衬底上制备得到了铁铜合金的单品薄膜，并对其各项异性进行了测量。 i i 实验结果及讨论 表面磁光克尔效应( s m o k e ) 测量结果 将，l i 长完成的铁铜合金覆盖了6 n m 左右的a u 作保护层防i 上= 氧化，然后 将其从真空腔中取出，在大气中表面磁光克尔效应装置上对不同组分下 f e 。c u l l x 的磁性进行了测量。测量结果表明，当铁的组分大于3 3 1 b j 傲铜合 余一赢表现为铁娩盹，存x = 03 3 时6 n m 的铁铜合会的磁光克尔效应信号很 小，可以视作铁铜合金从铁磁到非磁的转变点。 为了比较样，磁性随薄膜厚度的增加所产， i 的变化，在g a a s ( 0 0 1 辟 底 上生长了劈型的样一犏，便于在同样的衬底及生长条件下比较薄膜厚度对磁性 的影响。对劈型样品的测量显示铁铜合金的磁性随着外延薄膜的厚度增加而 一直在逐渐增大，在有限体积效应影响可以忽略的厚度下随厚度的增加呈线 性增加，表明在厚度增加的情况下铁铜合金始终表现为铁磁性，没有发生铁 磁月e 磁或者铁磁反铁磁相变。 h o e ) 图3 一l ：纵向磁光克尔效应测量6 n ma u 6 n m f e o5 c u o5 g a a s ( 0 0 1 ) 样晶，难轴 和易轴的磁滞匹线。图中的插图为对f e o5 c u o5 g a a s ( 0 0 1 ) 劈型样品随厚度变 化的纵向磁光克i i 效应磁性信号变化。 芎 量 l 董 量 “(