（光学专业论文）nifecu（001）超薄膜的结构与磁性的温度特性.pdf

y 9 5 1 7 9 4 摘要 在磁性超薄膜的研究中 f e 膜随着其晶格常数的不同 可以表现出丰富的 磁相 这使得f e c u 0 0 1 磁性与结构的研究成为了低维磁学研究中最活跃的课题 之一 本论文中利用磁光克尔效应 s m o k e 低能电子衍射 l e e d 反射式高 能电子衍射对f e c u 0 0 1 以及n i f e c u 0 0 1 的结构和磁性的温度特性进行了研 究 并阐明了n i 诱导f e c u 0 0 1 自旋重取向 s r t 的物理机制 生长温度对f e c u 0 0 1 的结构和磁性有着很大的影响 低温下 1 l o k 1 4m l 的f e 是f c t 结构 其易磁化轴是垂直于膜面的 在4 5m l 的时候 伴随 着薄膜结构从f c t 向b e c 的转变 f e 膜的易磁化轴发生了从垂直于膜面到平行于 膜面的自旋重取向过程 在c u 0 0 1 表面生长的3m l 左右的f e 薄膜 在进 行室温退火的过程中会伴随着结构从f c t 到b e e 的不可逆转变 同时f e 小岛逐渐 长大直到饱和 2 3 0k 左右 与之相对应的 f e 膜的磁性也发生了不可逆的变 化 当退火循环完成以后 f e 膜的结构不再随温度变化 其磁性也成了温度的 函数 在低温下 1 i o k 楔形f e c u 0 0 1 表面覆盖少量的n i 会使得f e c u 0 0 1 的自旋重取向过程提前 这个现象有可能是以下两个因素导致 1 n i 的覆盖 导致了f e 薄膜发生了结构变化 2 n i 的覆盖改变了f e 薄膜的表面各向异性 能 实验证实和理论上的估计证实 n i 的覆盖虽然一定程度上改变了f e 薄膜的 面内晶格常数 但不会导致f e 薄膜的相变和自旋重取向的发生 n i 诱导 f e c u 0 0 1 自旋重取向的发生来自于f e 的表面各向异性能的改变 另外 实验 发现 n i 的覆盖对f e 表面各向异性常数的改变只跟n i 的厚度有关 而跟温度 无关的 不同厚度的f e 要发生自旋重取向过程所需的n i 的厚度是不同的 这样 通过将n i 外推到0 m l 就可以得到了低温 1 1 0 k 下f c t 的f e 非结构变化而 产生自旋重取向的真正厚度 关键词 结构与磁性 自旋重取向 磁各向异性 温度特性 a b s t r a c t i nt h es t u d yo fu l t r a t h i nm a g n e t i cf i l m s f ee x h i b i t sr i c hm a g n e t i cp h a s e sw i t l l t h ed i f f e r e n c eo ft h ec r y s t a l l i n ec o n s t a n t s w h i c hm a k e st h es t u d yo ff e c u 0 0 0 u l t r a t h i nm a g n e t i cf i l m so n eo ft h em o s ta t t r a c t i v es u b j e c t si nl o wd i m e n s i o n m a g n e t i s mf i e l d i nt h i st h e s i s w es t u d i e dt h es t r u c t u r ea n dm a g n e t i s mo ff e c u 0 0 1 a n d n i f e c u 0 0 1 f i l m s e s p e c i a l l y t h e i rt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e b ym e a n so f m a g n e t o o p t i c a lk e r re f f e c t s m o k e l o we n e r g ye l e c t r o nd i f f r a c t i o n l e e d a n d r e f l e c t i v eh i g he n e r g ye l e c t r o nd i f f r a e t i o n r h e e d i na d d i t i o n w ee x p l a i n e dt h e p h y s i c a lm e c h a n i s mo fn i i n d u c e ds p i n r e o r i e n t a i o nt r a n s i t i o n s r t o ff e c u 0 0 1 u l t r a t h i nf i l m t h es t r u c t u r ea n dm a g n e t i s mo ff e c u 4 0 0 1 w e r es t r o n g l yd e p e n d a n to n t e m p e r a t u r e a tl o wt e m p e r a t u r e l t 1 4m l f ef i l mh a saf c ts t r u c t u r ea n dt h ee a s y a x i so fm a g n e t i z a t i o ni so u t o f p l a n e a ta b o u t4m lt h ee a s ya x i so ff er o t a t e st o i n p l a n ea l o n gw i t has t r u c t u r et r a n s i t i o nf r o mf c tt ob e f o ra b o u t3m l f ef i l mw i t h l tg r o w t h i ta l s oh a sa ni r r e v e r s i b l es t r u c t u r et r a n s i t i o nf r o ml e tt ob c ci nt h e a n n e a l i n gp r o c e s so fr o o mt e m p e r a t u r e 1 i nt h es a m et i m e t h ei n c r e a s i n go ft h e s i z eo ff ei s l a n d si so b s e r v e d a f t e rt h er ta n n e a l i n gp r o c e s si sa c c o m p l i s h e dt h e s t r u c t u r eo ff ef i l md o e s n tc h a n g ew i t ht e m p e r a t u r ea n dt h em a g n e t i s mb e c o m e s t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t a tl t as m a l la m o u n to f n ia d l a y e rc a l lp u tt h es r to f f ef i l mf o r w a r da n dt w o p o s s i b l er e a s o n sa l et a k e ni n t oa c c o u n t 1 t h en ia d l a y e rm a k e sf ef i l mas t r u c t u r e t r a n s i t i o n 2 t h en im l a y e rc h a n g e st h es u r f a c ea n i s o t r o p yc o n s t a n t sk so ft h ef e f i l m t h ee x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a le s t i m a t i o ns h o wt h a tt h en ia d l a y e rc a nn o t i n d u c et h es t r u c t u r et r a n s i t i o nt h o u g hi tc h a n g e st h ei n p l a n ec r y s t a l l i n ec o n s t a n t so f t h ef ef i l mi nac e r t a i ne x t e n t t h en i i n d u c e df es r ti sa s c r i b e dt ot h el a t e rp o s s i b l e r e a s o n a d d i t i o n a l l y w e f o u n di n e x p e r i m e n t t h a t t h e c h a n g eo f 蚝i s t h i c k n e s s d e p e n d e n t o fn i a d l a y e ra n dt e m p e r a t u r e i n d e p e n d e n t t h e n b y e x t r a p o l a t i n gt h et h i c k n e s so fn il i n e a r l yt oz e r o w ec a n a t t a i nt h er e a lt h i c k n e s so f t h es r to f t h el e tf e c u 0 0 1 f i l mw i t h o u ts t r u c t u r e c h a n g i n g k e yw o r d s s t r u c t u r ea n dm a g n e t i s m s p i n r e o r i e n t a t i o nt r a n s i t i o n s r t m a g n e t i ca n i s o t r o p y t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t 9 幢 复旦大学硕士学位论文n d f c c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 第一章绪论 1 1 引言 人们对磁学的认识已经有了非常悠久的历史 但直到1 9 0 7 年外斯在朗之万 顺磁性理论的基础上提出分子场假说和磁畴假说了解释铁磁性现象 现代磁学才 开始逐渐发展起来 此后的发展主要有以下两个方向 1 用来解释铁磁体在外 磁场作用下的行为的磁畴理论 这方面的研究属于技术磁化范畴 绝大多数的实 验和理论结果来自于对磁滞追线的研究 2 用来解释铁磁性本质的自发磁化理 论 这个方面涉及到了电子的重要内禀属性 自旋 自旋与自旋间的相互作用 以及材料的晶体结构与磁性的关联等 由于近些年柬真空技术 薄膜制备技术以及表面分析技术的发展 低维磁学 的研究成了磁学的一个重要分支 在磁性薄膜或超薄膜中 由于晶体对称性的破 坏以及退磁场的影响 材料的结构和磁性较之体材料有着非常大的不同 对低维 磁学的研究可以更好地促进现代磁学的发展 另外 在应用方面 大多数的磁性器件都是基于磁性薄膜 对低维磁学的研 究更显得尤为重要 这其中主要包括 巨磁阻电效应及多层膜的层间耦合研究 磁性薄膜及图形薄膜的各向异性 静态和动态磁化性质的研究 磁性合金与半导 体的外延生长以及磁性半导体性质的研究 超薄膜的结构和磁性的关联等 分子束外延技术的发展为超薄膜的结构和磁性研究提供了强大的技术支持 尤其是表面结构 成分和磁性的探测技术如低能电子衍射 l o we n e r g ye l e c t r o n d i f f r a c t i o n l e e d 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 i f f r a c t i o n r h e e d 俄歇电子谱 a u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p y a e s 自旋分辨的电子发 射谱 磁光 m a g n e t o o p t i c a l m o 技术等也不断完善 被大量地引入到磁性金属 超薄膜的研究上来 另外 伴随着计算机技术的高速发展和理论研究的进一步深 入 使得运用第一性原理来计算二维自旋体系的性质成为可能 为实验研究提供 了理论的依据和指导方向 总之 技术的发展为磁性金属超薄膜的研究提供了必 要的背景 使得对超薄膜磁性的全面深入研究成为可能 这一领域的研究目前主 要集中在以下几个方向 1 结构与磁性的研究 在超高真空条件下外延生长一 些在自然条件下不会存在的结构 研究它的磁性 比较典型的如f e c u 0 0 1 另 外 还可以通过改变薄膜的生长条伊1 2 1 表面的气体吸附 3 4 蜘 覆盖异质金属 复旦大学硕士学位论文 n d f c c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 6 7 和改变基底的形貌怫1 川等来改变薄膜的结构和磁性 在这个研究方向中 磁 各向异性是一个非常重要的参数 2 研究超薄膜中的磁畴 磁畴的大小和结构 磁畴间的耦合作用 3 一些动力学过程 如畴壁的移动 磁化翻转 弛豫的过 程 4 薄膜间的交换偏置 耦合振荡现象 以及导致这些现象的量子机制 本论文主要研究了f e c u 0 0 1 和n i f e c u o o i 的结构和磁性的温度特性并讨 论了n i 诱导f e c u 0 0 1 自旋重取向物理机制 第一章主要对论文中涉及到的基 本概念和知识作以简要的介绍 第二章中介绍了实验设备和实验流程 第三章中 介绍了f e c u 0 0 1 的结构和磁性 并研究了其温度特性 第四章中通过对 n i f e c u 0 0 1 的磁性的温度特性的研究试图阐明n i 诱导f e c u 0 0 1 实验的合理 性和物理机制 第五章中对今后的工作进行展望 1 2 自发磁化和交换作用 本世纪初 w e i s s 提出自发磁化的经典理论 指出铁磁性物质内部存在分子 场 能够在居里点一下使原子磁矩呈有序排列 在一个小区域内形成自发的饱和 磁化 不同小区域自发磁化强度的方向不同 这些自发磁化的小区域称为磁畴 使原子磁矩平行排列的分子场可以达到8 1 0 8a m 1 0 7 0 e 比磁矩的偶极矩相 互作用高出了3 个数量级 这么强的分子场使如何产生的呢 经典理论还无法给 出解释 量子力学的发展说明了分子场的实质是电子问的交换作用 在多电子体 系中 由于泡利不相容原理和电子交换的不变性 出现了该附加的静电作用项 成为交换作用 交换作用是分子场的柬源和本质 它是出现铁磁性和反铁磁性的 根本原因 交换作用主要包括以下四种类型 海森堡局域电子直接交换作用 超交换作 用 r k k y 交换作用和巡游电子交换作用 1 2 1 海森堡 h e i s e n b e r g 局域电子直接交换作用 静电性相互作用不影响磁矩的取向 但量子力学证明 静电性的交换作用与 电子自旋的取向有关 海森堡首先将氢分子中发现的交换作用用于解释铁磁性的 2 褂 复旦大学硕士学位论文 n f f f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 来源 因它来自相邻原子间的直接相互作用 故称为海森堡直接交换作用 交换 作用能可以表示为 以 之 a 墨 q 1 1 f j 式中a q 为i j 原子的交换常数 交换积分 s 和s j 分别表示第i j 个原子 的原子自旋角动量算符 当交换积分a 0 时 s 和s j 平行 即近邻原子的自旋 磁矩相互平行排列 材料呈现铁磁性 当a 0 时 易轴方向垂直 于膜面 反之 当k a 在这个范围内 f e 膜的结构并不稳定 在2 m l 左右 有一个4 1 的超结构 在4 m l 左右 有一 个5 1 的超结构i 2 0 l 6 l l m l 时是f c c 结构 并且通过在生长过程中r h e e d 的监测可以看出 在这个区域 薄膜是逐层生长的 当薄膜厚度超过了1 1 层后 薄膜表现出了与块体材料一样的b e e 结构 在前几层时 关于f e c u 0 0 1 的层间距和面间距到现在为止还没有一个统一 的说法 一种观点认为 由于基底作用导致晶格畸变 使得原予层间的距离被拉 伸了 以致总体积为1 2 1a 3 比后面5 1 1 层对应的f e e 结构的体积儿 4 a 3 来得 大 其表面结构也和 f e e 的表面结构有根本 不同 2 1 1 而另一种观 点认为 f e 与c u 晶格 失配导致了f e 的面内 晶格间距被拉伸 而层 间间距被压缩 d o n g q il i 等人吲 利用楔形膜系对 f e c u 0 0 1 的结构和 磁性以及其温度特性 进行了研究 并给出了 rt h i c k a e uf m l 图3 i f e l c u 0 0 1 在不同温度和厚度下的结构和磁性 p h y s r e v l e t t 7 2 3 1 1 2 1 9 9 4 1 8 复且大学硕士学位论文n i f c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 相图 如图3 1 所示 常温下在c u 0 0 1 表面生长的f e 由于前几层是岛状生 长 直到1 5m l 才出现磁有序 或者可以说1 s m l 以前薄膜的居里点非常低 在1 5 4m l 薄膜结构为f c t f a c e c e n t e r e dt e t r a g o n u m 结构 薄膜呈现比 较强的磁性 并且易轴是垂直于膜面的 在5 1 1m l 之间 f e c u 0 0 1 表现出 了非常丰富的磁性 f e 膜仅仅在最表 面的两层呈现铁磁性 其易轴垂直膜 面 而下面的f e 表现出反铁磁性 表现在实验上就是 薄膜的磁性减弱 了 在s m o k e 中表现为饱和剩余磁 化强度的降低 在k e r ri m a g e 中表现 为相对较暗的区域 在无表面吸附 的情况下 在1 1m l 左右 f e 的结构 从f e e 变成了b e e 同时易磁化轴的方 向从垂直膜面变到了平行膜面 另外 通过对常温下生长的楔形 f e 的矫顽力的研究发现 伴随着薄膜 结构从f a 到f c c 以及f e e 到b e e 的转变 喜 量 三 爹 咖 枷 名 3 0 0 l b l t 2 0 k j la f e c u l l o o i t 一3 0 0 k i l ll l i 1 6sl n1 21 4 1 i c k n e 酶 m l 图3 2 常温下生长的楔形f e 膜的矫顽力与厚 度关系 p h y s r e v l e g7 2 3 1 1 2 1 9 9 4 f e 膜的矫顽力出现了突变 见图3 2 3 2 低温下f e c u 0 0 1 的结构和磁性 由于低温下的不稳定性 使得对低温生长的f e c u 0 0 1 的研究变得困难 因 此 相关文献的报道也就比研究常温 f e c u 0 0 1 性质的文献少得多 另外 各 个研究小组的实验环境和实验方法也不 尽相同 这使得不同研究小组之间的实验 结果有一定的差别 图3 3 是j o i e r g i e l 等人利用s t m 对 1 9 图3 3 室温和低温下f e c u 0 0 1 薄膜的 粗糙度 p h y s r e v b5 2 8 5 2 8 1 9 9 5 复旦大学硕七学位论文 n f f f c c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 室温和低温下f e c u o o i 薄膜的粗糙 咖 手 fi 唧 0 一 i j 矿 矿 驴旷 i 商期舻 生从垂直于膜面到平行于膜面的翻转的 厚度范围 图3 4 是l l o k 下生长的楔形的 f e c u 0 0 1 的饱和磁化强度m 剩余磁化 强度m r 和矫顽力h c 与薄膜厚度的关系图 例 可以看出 在4 m l 左右 薄膜发生 了自旋重取向过程 跟前面的常温的性质 相比 可以发现 虽然翻转厚度不同 但 在m r 和h 的规律上两者却有着相似之 处 i la l l e n s p a e h 等人1 2 3 1 利用自旋极化 扫描电镜对低温下楔形的f e c u 0 0 1 进行 图3 5 低温下楔形f e c u 0 0 1 的磁性与 厚度关系 实心圆表示极向信号 空心圆 表示纵向信号 a l t 旋极化与厚度关系 总自旋极化 或自发磁化 与厚度关系 p h y s r e v l e g6 9 3 3 8 5 1 9 9 2 船 o 仲 一 一r5口墨l 足 复巨大学硕士学位论文n t f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 了研究 实验结果如图3 5 所示 与前面所不同的是 他们的实验是在9 0k 下 生长 在1 7 5 k 测量的 在低温下 f e 膜直到约2 m l 的时候才出现磁有序 另 外 从图中可以看出翻转厚度在5 6m l 之间 比图3 4 中的结果推迟了1 2 m l 这个差别不光是由于低温的不稳定性和实验方法的不同所导致 在下一节 中将会看到两者的区别 3 3f e c u 0 0 1 的温度特性 3 3 1 f e c u 0 0 1 结构的温度特性 如前所述 低温和常温下 f e c u 0 0 1 的结 构是不同的 低 温下薄膜的结构 图3 61 2 0k 温度下生长的3m lf e 在升温过程中的s t m 图像 和磁性的不稳定 a 1 6 5 k b 2 1 5 k c 2 3 8 k d 2 9 6 k 性为研究低温下p h y s r e v 础9 0 2 1 7 2 0 3 2 0 0 3 超薄膜的磁性带来了不小的困难 为了在低温下得到一个平整的且结构稳定的薄 膜 许多研究小组采取了常温生长后降至低温的办法 这里出现了一个可能的问 题就是 在降温过程中薄膜的结构是否会发生变化 进而影响磁性的变化 a e n d e r s 1 2 4 1 等人利用s t m 和k e r ri m a g e 研究了低温 1 2 7k 下在c u 0 0 1 表面生长的f c 结构的温度特性 图3 6 是1 2 0 k 下生长的3m lf e 在升温过程 中的s t m 图像 在2 3 8k 以下 小岛有一个不断长大的过程 在2 3 8k 以上直 到室温 小岛没有进一步的长大趋势 另外 a l b e r t b i e d e r m a n n 等人1 2 5 1 利用高分 辨率的s t m 证明 低温下生长的2 4m l 的f c t 结构的f e 膜 在升温过程中薄膜 结构有从触变成b e e 结构的趋势 而室温下生长的f e 膜 随着厚度的不同 其 结构的温度特性也有着很大的不同 2 6 1 在区域i 4m l 以下 和i i 1 4m l 9 m l 降温过程不会引起薄膜的结构相变 而在区域 2 9m l i im l 薄膜 结构会随着温度的降低发生f e e 到b e e 的结构相变 2 l 复旦大学硕士学位论文n f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 图3 7 是1 1 0 k 下我们实验中生长的4 m l f e 在首先的升温和接下来的降温 过程中的l e e d 图案 其中入射电子能量为1 4 8e v 从图中可以看到 4m l 的 f e 为比较好的立方结构 但由于 低温下薄膜的表面粗糙度比较 大 所以刚生长好的f e 膜的l e e d 图案的衍射点相对比较模糊 随 着温度的升高 衍射点的强度逐 渐变强 同时也更尖锐 说明了 膜面在升温过程中逐渐趋于平 整 另外由于技术的限制 这里 很难分辨出衍射点之间的间距变 化 在接下来的降温过程中 从 衍射点的尖锐程度变化程度来 看 膜面的粗糙度基本保持了近 图3 71 1 0 k 下生长的4 m lf e 在升温和接下来的 室温的情形 在温度降到1 6 0k 左 降温过程中的l e e d 图案 其中入射电子能量为 1 4 8e v 右的时候 衍射图案开始出现了 比较明显的1x 5 的再构现象 图3 8 为l l ok 生长的4m l f e 在升温至室温过程的r h e e d 图案 入射电子 能量为2 0k e v 入射方向沿着 o l o 方向 从图中可以看到 在升温的过程中 r h e e d 图案的衍射点有拉伸变 成直线的趋势 这同样反应了在 此过程中的膜面由粗糙趋于平整 的趋势 另外 可以分辨出来 衍射点阵在横向有被拉伸的趋 势 即从正方形变为长方形的趋 势 这个现象从一个侧面反应了 在低温下生长的薄膜在升温过程 中有从f c c 向b e 转换的趋势 图3 81 1 0 k 温度下生长的3m l f e 在升温过程中 复旦大学硕i 学位论文 n l f e c u 0 0 超薄膜的结构与磁性 图3 9 常温下生长的3i v t l f e 在降温过程中的l e e d 图案 入射电子能量为1 4 7 e v 图3 9 是常温下生长的3m l f e 在降温过程中的l e e d 图案 可以看出降温过 程与图3 7 中的降温过程有着相似之处 首先是衍射点的强度几乎没有变化 说 明室温下生长的f e 膜在降至低温的过程中表面并没有变得粗糙 然后是点子间 距也没有明显的变化 这是没有发生结构相变的间接证据 同时也出现了再构现 象 1 x 4 可以认为 常温下生长的3m l f e 膜在降温过程中并没有发生体结 构的相变 3 3 2f e c u 0 0 1 磁性的温度特性 图3 1 0 是1 1 0 k 温度下生长的3 m lf e 在升温和接下来的降温过程 的k e r r 迥线 从左面一列迪线可以 看出 随着温度的升高 f e 膜的矫 顽力h c 不断减小 这个现象跟升温 过程膜面趋于平整有关 另外 可以 看到 在2 3 0 k 到2 5 0 k 之间 薄膜 的易磁化轴方向发生了从垂直于膜 面到平行与膜面的翻转 由于升温过 程中 薄膜的结构发生了变化 所以 随之而来引起的磁性的变化是显而 易见的 从右面一列迪线可以看出 j f j f j f 舻 符妒 一刚妒v 噼黼 仟 叠 一 丁 水 w 一 i i 神哺 v h w 州 舻静 n t i of l e l d o e i a n e t i e i d l o 在接下来的降温过程中 翻转的温度 图3 1 0 1 1 0 k 温度下生长的3 m l f e 在升温和接下来的降 区间发生变化 而且薄膜的矫顽力有 温过程的极向k e r r 蚴 了明显的增大 也就是说 在升温和接下来的降温过程中 薄膜的性质发生了不 ln导2j坤e盏 i一 量 t墨 复旦大学硕十学位论文 n f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 可逆的变化 同样地 可以想象 当低温下在c u 单晶表面生长楔形的f e 膜 那么在一定退火温度下和重新降温到生长温度的过程中可以观察到临界厚度 发 生自旋重取向的厚度 的变化 而且是不可逆的 图3 1 1 给出了1 1 0k 下生长的楔形f e 膜的临界厚度与退火温度关系 需要 特别指出的是 表示从退火温度 横坐标 回到生长温度 1 1 0k 时的所测量的 临界厚度 在图中实验中 楔形的f e 膜在1 1 0k 温度下生长好后 开始在不同 温度下 为了避免长时间实验过程中的气体吸附 图中只给出了四个温度条件下 的实验点 退火 升温的 速率为约2 0k s 利用 s m o k e 对每个厚度点进 行测量 可以确定在该温 度下的临界厚度 然后 重新将温度回到1 1 0k 再次确定其临界厚度 从 图中可以看出 随着温度 的升高 薄膜的临界厚度 逐渐增加 当每次薄膜的 温度重新回到1 1 0k 时 临界厚度较原来有了很大 的增加 再次验证了其温 虿 v 箜 岿 馨 遣火温度c k 图3 1 11 1 0 k 下生长的楔形f e 膜的i 晦界厚度与退火温度关系图 其e ea 表示退火温度下实验点 表示从退火温度回到1 1 0k 时的 实验点 图中虚线箭头表示实验点的测量顺序 度特性的不可逆性 同时 我们发现 随着退火温度的增加 退火温度下薄膜的 l 临界厚度和回到1 1 0k 的i 临界厚度均为线性增加 或者说两者的差值随着退火温 度的增加而线性的增加 从而我们可以猜测 在升高温度的过程中 薄膜的结构 发生了不可逆的相变 进而引起了不可逆的磁性的不可逆变化 a e n d e r s 等人的研究工作很完美地解释了低温下生长的f e 的结构和磁性的 温度特性 1 2 4 1 他们将临界厚度随温度的不可逆变化归因于薄膜的表面磁各向异 性常数k 的变化 同时 可将足 随温度的变化分解成可逆和不可逆两部分 即 k x d k 其中k t 是温度的一元函数 其值与t 一一对应 而在图3 1 l 中 每个退 复旦大学硕土学位论文 n f f f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 火循环内从退火温度回到生长温度和退火温度下的临界厚度差值刚好反映了磁 中的可逆部分 即该差值跟k 丁 密切相关 而不可逆项k 虽然跟温度t 有关 但同时它跟温度变化的路径也有关系 与t 不存在一一对应的关系 图3 1 2 是a e n d e r s 等人在实验工作中结果 可以明显地发现 在 a 图中 2 2 0k 左右的地方薄膜的临界厚度发生了一个转折 而在我们的实验中一直没有 观察到该转折的出现 与图3 6 对比可以发现 在2 3 8k 以下 小岛有一个不断 长大的过程 在2 3 8k 以上直到室温 小岛没有进一步的长大趋势 也就是说小 岛的尺寸达到饱和是在2 1 5k 和2 3 8k 之间 这个结果刚好将结构和磁性的变化 紧密联系到了一起 另外 根据b r u n o 的工作 2 7 1 小岛的长大造成了磁的增大 而磁的增大引起了临界厚度的增大 这跟我们的实验数据又一次吻合 当小岛 的大小在2 3 8k 左右达到饱和以后 另一个影响因素凸显了出来 那就是在升 温过程中薄膜从f c t 向b e e 转变的趋势 该趋势对临 界厚度的影响就是使得临 界厚度减小 在我们的实验中没有 观察到临界厚度的转折 可能的原因是小岛在我们 实验温度范围下一直处于 长大过程 没有达到饱和 这个跟具体的实验条件 以及低温系统下的不确定 性有关 综合本节的讨论 我们 可以得到以下结论 1 室温下生长的f c t 的f e 在 降温至低温过程中没有发 图3 1 2c a 低温下生长的f e 膜在不同退火温度下临界厚 度的温度特性 b 在 a 图中两者的差值正比与k t p h y s r e v l e t t 9 0 2 1 7 2 0 3 2 0 0 3 生相变 而再次升温至室温过程中 薄膜发生了f c t 到b e e 的转变 当结构相变 完成以后 温度的变化对结构影响变得非常小 2 在温度变化过程中 薄膜磁 复旦大学硕士学位论文n d f c c u 0 0 1 超簿膜的结构与磁性 性受到了三个因素的影响 a e 随温度不同的自身变化 b 薄膜中小岛尺寸的 影响 即表面形貌的影响 c 薄膜结构的影响 复旦大学硕上学位论文 n l f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 第四章n i 诱导f e c u 0 0 1 的自旋重取向 本章的主要目的是 研究n i f e c u 0 0 1 的温度特性 并说明n i 诱导f e c u 0 0 1 的结构和磁性变化的物理机制和可行性 从前面的章节可以知道 在低温下生长 或是常温生长降至低温 的f e 膜 在5m l 左右发生了从垂直于膜面到平行膜面的自旋重取向过程田 而对于其结 构来说 也是在5m l 左右发生了从缸到b e e 的结构相变 我们无法区分薄膜 的自旋重取向过程来自于结构相变的贡献还是来自于纯粹的厚度增加的贡献 从 前面的章节可知 通过改变外界条件 如温度 厚度 气体吸附 覆盖异质材料 等可以改变薄膜的磁性和结构 在实验中我们发现 低温下 在楔形的f e c u 0 0 1 薄膜上覆盖很薄的n i 可以使得薄膜的自旋重取向过程提前 7 3 同样 一定厚度 的f e 在覆盖了不同厚度的n i 之后也会发生从垂直膜面到平行膜面的自旋重取向 过程 这样 我们就可以在f e 膜发生结构相变之前研究其自旋重取向的规律 在研究了发生自旋重取向时不同厚度的f e 于所覆盖的n i 的厚度关系 并将其线 性外推到n i 的厚度为零的情况 就可以得到低温下在f e 未发生结构相变的情况 下的临界厚度了 但是需要注意的是 1 在f e 膜上覆盖n i 的时候f e 是否会发生结构相变 2 线性外推是否有足够的道理 本章将主要阐明这两个问题 4 1 覆盖层对磁性薄膜的结构和磁性的影响 我们知道 n i 的晶格常数比f e 的晶格常数小 这样 在f e 膜上覆盖n i 的 时候不可避免地会使得f e 膜面内晶格常数减小 同时层间距增大 下面首先估 计一下薄膜结构变化对临界厚度的影响 磁性薄膜发生自旋重取向的临界厚度可以写为刚 慧蠢 2 b p m 其中b 为磁弹性耦合常数 占为应力 我们知道 在1 1 0k 下 f e 薄膜的临 复旦大学硕士学位论文 n u f c c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 界厚度约为4 3m l 现在我们考察1 1 0k 下 3m lf e 上面覆盖楔形n i 的情况 并假设薄膜发生自旋重取向的原因完全来自于n i 所引起的f e 的结构变化 从文 献中 2 4 2 8 1 我们可以得到f e 膜的数据 丝 1 7 5 1 m a m 气 5 b 矿 1 3 5 m j m 3 带入式 4 1 中可以得到覆盖n i 后一 1 3 3 吐 吐 取反 3 5 7 a 则 哦帅 o 4 8 a 比较巧的是 刚好n i 的面内晶格常数3 5 2 a 与f e 的面内晶格常数相差0 5 a 显然 在覆盖了少量n j 之后 f e 的面内晶 格常数不可能减小到n i 的数值 也就是说仅仅由n i 所引起的f e 膜的结构的变 化不足以引起自旋重取向的发生 另外 在文献 2 9 中利用s x r d s u r f a c e x r a y d i f f r a c t i o n 对覆盖层所诱导的自旋重取向进行研究并得出结论 覆盖层对下面 薄膜的结构影响是极其微弱的 不足以导致自旋重取向的发生 而自旋重取向的 发生更多的是来自于覆盖层对其下面的薄膜的表面各向异性的改变 这与我们的 估计是一致的 4 2n i 诱导f e c u 0 0 1 自旋重取向 1 1 0k 由于n i 诱导f e c u 0 0 1 自旋 重取向 1 1 0k 主要是前人所做工 作 这里仅作简要的介绍 图4 1 是3m lf e c u 0 0 1 覆盖不同厚度 的n i 时的磁光克尔迪线 其中左 边的一栏是极向的测量结果 右边 一栏是相应的纵向迪线 样品中 f e 的厚度为3m l 在室温下生长 然后降温到1 1 0k 接下来在3m l f e c u 0 0 1 上边生长n i 边测量 从图中可以非常清楚地看到 在没有n i 覆盖时 3m l 缸f e 的 极向克尔迥线是一个典型的矩形 b i o n g d u d m a l k r 一 i 厂 l 厂 图4 1 1 1 0 k 下覆盖了不同厚度的n i 的3 m l f e 的极向和纵向克尔遛线 最右边一栏的三个迪线 中 4 表示x 和y 轴都放大了4 倍 我们发 现重定向大约在n i 厚度为0 1 6m l 时开始 在0 2 0 m l 左右结束 正a p p p h y s z o o z 0 0 3 复旦大学硕士学位论文n f c c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 状迪线 而纵向的信号几乎是一条平坦的直线 这表明此时的薄膜是容易沿着垂 直膜面方向磁化的 随着n i 厚度的不断增大 薄膜的矫顽力迅速降低 但是直 到0 1 6m l 薄膜仍然是垂直磁化的 在平行膜面的方向上 仍然没有发现明显 的逼线 这个时候如果继续增加n i 覆盖层的厚度 极向的迪线就会明显地发生 倾斜 直到彻底消失 而在纵向上 当覆盖层厚度达到0 1 8m l 时 就出现了一 个矩形的遛线 这表明 此时的易轴已经从垂直膜面变成了平行膜面 在图4 2 中 我们给出了遛线矫顽力皿及剩磁比肘 j j i t 随n i 厚度变化的曲 线 图中实心的圆圈表示极向遛线矫顽力见 空心的圆表示极向回线的剩磁比 m 肘 而空心的正方形表示纵向回线的剩磁比 从图中可以看出 对于极向 来说 皿基本上是线性地随着n i 厚度的增加而减少 而肘 t 在厚度小于0 1 6 m l 地区域里保持为1 在超过o 1 6m l 后 m 肘 开始迅速下降 进而在0 1 8 m l 附近几乎为零 而纵向的剩磁比在0 1 7 5m l 到o 1 8m l 之间有一个非常明 显的上升 这是一个非常明显地自旋重取向过程 在n i 的厚度达到o 2 0 m l 后 在平行膜面的方向形成 了典型的矩形遛线 这意 味着易磁化轴从垂直膜 面到平行膜面的重取向 过程的结束 我们可以发 现 n i 诱导的f e c m 0 0 1 的自旋重取向是在一个 非常狭小的区域里完成 的 开始于o 1 6 m l 结 束于0 2 0 m l 整个过程 在0 0 4 m l 里已经完成 我们近似地认为覆盖n i 厚度0 1 8m l 是3m l f a f e 在l l ok 发生自旋重 图4 2 迫线矫顽力皿及剩磁比 t 随n i 厚度变化的 曲线 图中实心的圆圈表示极向的迪线矫顽力皿 空心的 圆表示极向追线的剩磁比肘 t 而空心的正方形表示纵 向迪线的剩磁比 j 铆 p h y s 9 4 s l o o 2 0 0 3 言一r血i i 复旦大学硕士学位论文 n i f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 取向的翻转厚度 图4 3 给出了不同厚度下f e 发生n i 诱导的自旋重取向的临界覆盖率 或n i 的l f 缶界名义厚度1 可以发现他们符合线性关系 我们将这些点用最小二乘法拟 合到一条直线上 在图中用虚线表示 这条虚线与横轴交于4 3m l 它表明在 1 1 0k 温度下 如果 f e 在生长过程中保持 f c t 相不变 那么由厚 度变化引起的自旋重 取向应发生在4 3 m l 这个结果与别的 小组用c o 进行覆盖 得到的结果非常相 近 他们的结果是约 4 6m l 3 0 也就是说 1 i o k 时 在f c t 的f e 没有发生结构相变的 情况下的翻转厚度和 i et h i c k n e s s m l 图4 3 n i 覆盖层翻转厚度随f e 厚度变化的关系 拟合的直线 交x 轴于4 3 m l 处 正a p p lp h y s 9 4 5 1 0 0 2 0 0 3 发生结构相变的情况下的翻转厚度基本相同 至此 可以得出结论 1 1 0k 下 f e 膜发生的从垂直于膜面到平行于膜面的自旋重取向过程仅仅来自于薄膜厚度 增加的贡献 而跟f e 的结构相交无关 4 3n i f e c u 0 0 1 的温度特性 实验中 首先在1 1 0 k 温度下在c u 0 0 1 表面生长一个楔形的f e 膜 然后 将楔形的f c 膜在不同温度下退火 退火温度由低到高 并在每个退火循环的开 始和结束测量薄膜的临界厚度变化 直到室温退火循环结束后 然后在楔形的 f e 膜上再均匀地生长0 2m l 的n i 测量薄膜在升温过程中f e 膜的临界厚度的 变化 一邑0 口芒 iu謦toi 复旦大学硕士学位论文 n i f e c u 0 0 1 超薄膜的结构与磁性 图4 4 给出了实验过程中的薄膜临界厚度随温度变化的关系 其中 实心圆 所表示的数据点示 从每个对应的退火 温度回到1 1 0k 时 的f e 的临界厚度 每个数据点旁边标 的数字代表了实验 的先后顺序 从图 中可以看到 覆盖 的0 2m ln i 使得 薄膜的临界厚度从 数据点7 的5 6m l 图4 4 1 1 0 k 下生长的楔形f e 膜的临界厚度随温度变化的关系图 降到了数据点8 的 表示每个退火温度下的f e 的临界厚度 表示从每个对应的退 5 0m l 同时 随 l i ln i 后f e 的i 临界厚度 数据点旁边的数字表示实验过程中的测 着温度的升高 量顺序 n i f f e c u 0 0 1 的临界厚度又开始增加 另外我们发现 f e c u 0 0 1 的升温曲线 数 据点1 2 4 6 和n i f e c u 0 0 1 的升温曲线 数据点8 9 1 0 1 1 近似平 行 也就是说 两者的差值近似为一常数 从第一章的讨论可知 磁性薄膜的自旋发生翻转时其临界厚度为 f 茎芝 茎竺 4 2 2 r m 一k 其中置夕 为f e 膜的表面各向异性常数 j 厂 为f c 膜c u 基底之间的的界面备向 异性常数 由于只是覆盖了少量的n i 所以我们可以唯象地认为n i 的覆盖仅仅改 变了f e 的表面各向异性常数k 一 于是覆盖0 2m l n i 后 式 4 2 可以改 写为 t 2 整 竺 茎竺 4 3 2 x m 一k 其中k 一 为由于引入了n i 后的f e 的表面各向异性常数 将式4 3 和式4 2 相减 3 l 复e l 大学硕士学位论文n f e c u 0 0 i 超薄膜的结构与磁性 可以得到 t t c 1 k p 面m i k f f x 4 4 而j 哆 一k 夕一 刚好是由于覆盖了n i 引起的f e 的x 的变化 从图4 4 两者的差值为近似一常数 说明由于覆盖了n i 引起的f e 的足 的变化与温度无 关或是温度的缓变函数 图4 5 为1 1 0k 下生长的 3m lf e 在经过室温退火 后 再覆盖一楔形的n i 在 升温过程中测到的发生自 旋翻转时的n i 的厚度与温 度的关系图 由于n i 的厚 度只有o 2m l 左右 还无 法形成规则的晶体结构 所 以在升温过程中可以认为 n i 没有所谓的结构上的变 化 同时 由于f e c u 0 0 1 图4 5 低温下 1 1 0 k 楔形n i 3 m l f e 在发生自旋翻转 时的n i 的厚度随温度的变化关系 经历了室温的退火 其结构相变已经完成 在后来的升温过程中不可能再发生附 加的结构变化 由上面的讨论可知 在温度变化的过程中 一定厚度的n i 引起 的f e 的足 的变化是一定的 由于k 随温度是线性变化的 所以 我们可以得到的结论是 由于覆盖了 n i 而引起的f e 的置 的变化是跟温度无关的 而且是随n i 的厚度线性变化的 所以 我们n i 诱导f e 的自旋重取向实验中 线性外推是可取的 最后需要说