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磁控溅射NdCo、NdFeCo薄膜的微结构与垂直磁各向异性

王毅超  
【摘要】:近年来,基于磁性薄膜的新效应、新材料和新器件不断涌现,促成了“自旋电子学”这门新兴学科的诞生,同时极大地推动了信息技术和互联网技术的快速发展。具有高垂直磁各向异性(PMA)和高热稳定性的垂直磁化薄膜,是发展新一代超高密度信息存储介质的关键材料,也是目前磁电子学领域的重要课题。 本论文从提高非晶薄膜的垂直磁各向异性出发,探寻薄膜制备工艺与热处理工艺中的关键技术参数对薄膜PMA及热稳定性的影响规律,以实现人工调控非晶薄膜PMA及热稳定性的目的。实验采用磁控溅射方法制备NdFeCo和NdCo系列薄膜样品,利用X-射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、原子力与磁力显微镜(AFM/MFM)、和振动样品磁强计(VSM)等实验手段表征薄膜的微磁结构和静磁特性,系统研究了基底温度Ts,溅射氩气压PAr,以及RTA退火温度Ta和退火时间ta等工艺参数对薄膜微结构与PMA的影响规律。主要结论如下:一、Si(111)/NdFeCo/Cr系列样品的结构与磁性 在溅射氩气压PAr=0.1-1.5Pa条件下,制备了基底温度分别为Ts=25,310℃两个系列的Si(111)/Nd43Fe40Co17(600nm)/Cr(20nm)薄膜样品。室温VSM结果表明,在Ts=310℃下制备态样品的面内M-H回线呈现出典型的“Transcritical loop”特征,而室温基底样品的M-H回线则呈“易面”特征。室温磁力显微镜(MFM)显示,具有“Transcritical loop”特征的制备态样品呈现出与氩气压相关的磁畴结构,而室温基底样品没有检测到磁畴。在低氩气压(PAr=0.1Pa)下制备态样品磁畴呈规则的明暗相间的条纹畴。随氩气压增高,条纹畴变成不规则迷宫畴。在PAr=0.9Pa时,MFM相移的均方根值最大(Sqphase=2.28°)。最大垂直各向异性能为K⊥=124kJ/m3,品质因子Q=0.8。该值比先前在其它非晶薄膜中报道的Q~0.01都要大。 通过对PAr=0.3Pa下两组不同基底温度(Ts=25,310℃)制备态Si(111)/Nd43Fe40Co17(610nm)/Cr(20nm)样品的RTA热处理,结果表明:在低温(Ta≤310℃)退火时,基底加热样品的面内饱和场Hs//和MFM相移的均方根值Sqphase下降很快。表明PMA因局域内应力的弛豫而降低。在Ta=500℃退火时,基底加热样品析出了Nd6Fe13Si界面合金相,使其面内矫顽力达(Hc//=750Oe)高于室温基底样品的面内矫顽力(Hc//=480Oe)。室温基底退火态样品则没有观测到该界面相。由于Nd6Fe13Si界面合金相的室温热膨胀性能与Nd2Fe17相反,在内应力作用下的磁弹各向异性,是导致薄膜垂直磁化的主要原因。二、Si(111)/Cr/NdCox(x=4,5)/Cr薄膜的结构与磁性 为了研究稀土(Nd)原子周围环境过渡金属(Co)原子对NdCo非晶薄膜PMA作用规律,制备了两个不同合金成分的NdCox(x=4,5)系列薄膜样品。研究结果发现,制备态Si(111)/Cr/NdCo5(400nm)/Cr-I(RT)样品的室温MFM图呈现明暗相间的条纹畴结构。在PAr=0.17Pa下室温基底制备态Si(111)/Cr/NdCo5(400nm)/Cr-I(RT)样品的垂直各向异性能密度(K⊥=82.6kJ/m3)和品质因子(Q=0.094),都比Si(111)/Cr/NdCo4(400nm)/Cr-I(RT)样品的K⊥=32.4kJ/m3和Q=0.044高出一倍多。实验测得的条纹畴平均宽度(w实验=201nm),与采用朗道磁畴理论估算出的NdCo5合金的理想条纹畴宽度(w理论=226nm)基本吻合。而相同氩气压PAr=0.17Pa和相同结构基底加热(Ts=310℃)的制备态Si(111)/Cr/NdCo5(400nm)/Cr-I(HT)薄膜样品却呈现“易面”特征。实验结果表明,内应力导致的磁弹各向异性,以及各向异性Nd-Co原子对序(Anisotropic Atomic Pair Ordering)对NdCo5合金薄膜的PMA都起到重要作用。 以上研究结果对垂直磁各向异性的机理的研究,及磁电子元器件的发展具有一定的理论和实践的指导意义。


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