分享:Nd含量對(duì)磁控濺射Si(111)/Cr/Nd-Co/Cr薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響
采用磁控濺射技術(shù)制備了系列Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜,其中,Co/Nd原子比x=2.5~7.2。利用XRD、SEM、AFM/MFM、VSM等手段研究了Nd含量對(duì)制備態(tài)薄膜垂直磁各向異性(PMA)與磁疇結(jié)構(gòu)及退火態(tài)薄膜相結(jié)構(gòu)與磁性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隨著Nd含量的變化,制備態(tài)Nd-Co薄膜的垂直磁各向異性能Ku在x=5.2附近存在一個(gè)較寬的峰,峰值處Ku=(80±5) kJ/m3。MFM圖像的相移均方根偏差(Δ?rms)在臨界成分x=5.2處也存在最大值,其成分依賴關(guān)系與Ku-x的變化趨勢(shì)一致。薄膜應(yīng)力誘導(dǎo)的磁彈各向異性是導(dǎo)致濺射Nd-Co非晶薄膜PMA的主要原因。經(jīng)過在600 ℃真空快速退火后,所有薄膜均析出了Nd2Co17、NdCo2、Nd4Co3等金屬間化合物,而NdCo5±x相納米晶只在Nd過量(至少4%,原子分?jǐn)?shù))的x=2.5和3.8薄膜中才被觀測(cè)到,同時(shí)還伴隨著Nd2Co7共生相的析出。室溫磁性測(cè)試結(jié)果表明,NdCo5±x和Nd2Co7相納米晶的析出,導(dǎo)致x=2.5和3.8薄膜面內(nèi)矯頑力(分別為Hc-in=54和51 kA/m)顯著增強(qiáng);而x≥4.4樣品的面內(nèi)矯頑力保持在低值(Hc-in=4~8 kA/m)范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞:
稀土-過渡金屬(RE-TM)非晶薄膜具有獨(dú)特的磁、光、電等性質(zhì),在電子、信息、能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。提高非晶薄膜的垂直磁各向異性(PMA),對(duì)于實(shí)現(xiàn)基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器[1,2,3,4]、磁光波導(dǎo)隔離器[5,6,7]、高頻微電子器件[8]等各類磁性元器件的高性能化起到關(guān)鍵作用。自1973年在RE-TM非晶薄膜中發(fā)現(xiàn)PMA以來[9],人們對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了廣泛研究。然而,由于缺乏晶態(tài)薄膜的磁晶各向異性,非晶態(tài)薄膜的PMA起源更為復(fù)雜。目前,已經(jīng)提出了多種物理機(jī)制,例如,單離子各向異性[10]、表面偶極子效應(yīng)[11]、原子對(duì)有序化[12]、隨機(jī)磁各向異性[13,14,15]、微應(yīng)力[5,16]及柱狀微結(jié)構(gòu)[17,18]等。因此,無論從技術(shù)應(yīng)用還是基礎(chǔ)研究角度看,都有必要對(duì)RE-TM非晶薄膜的制備工藝與PMA間的關(guān)聯(lián)性做進(jìn)一步研究。
以往對(duì)RE-TM非晶薄膜PMA的研究主要集中在含重稀土的(Tb, Dy)-FeCo合金系統(tǒng)。相對(duì)于重稀土-過渡族金屬合金而言,含輕稀土的非晶薄膜,如(Nd, Pr)-FeCo合金,在激光器的藍(lán)光短波段具有更顯著的磁光Kerr效應(yīng)[6]。因此,具有強(qiáng)PMA特性的輕稀土-過渡族金屬薄膜將具有更為廣泛的磁光應(yīng)用前景[7]。Cid等[14]采用只對(duì)過渡金屬中3d電子敏感的橫向磁光Kerr效應(yīng),研究了NdCo5非晶薄膜中Co位原子對(duì)磁各向異性的貢獻(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)非晶NdCo5薄膜的室溫垂直磁各向異性能高達(dá)2×105 J/m3,該值與晶態(tài)NdCo5的室溫磁各向異性能6.3×105 J/m3相近。并認(rèn)為這是在薄膜沉積過程中,Co和Nd局部原子環(huán)境的不對(duì)稱所致。近期,本課題組[19,20]研究了基底溫度與濺射氣壓等制膜工藝參量對(duì)Si(111)/Nd41Fe40Co19/Cr薄膜PMA特性的影響,發(fā)現(xiàn)薄膜與襯底間的界面應(yīng)力,以及濺射氣壓誘導(dǎo)的微應(yīng)力所導(dǎo)致的磁彈各向異性,是產(chǎn)生非晶薄膜PMA的主要原因。然而,關(guān)于Nd成分對(duì)NdCo非晶薄膜PMA特性和磁疇結(jié)構(gòu)的影響,以及快速退火工藝對(duì)不同Nd含量NdCo合金薄膜相結(jié)構(gòu)與磁性影響規(guī)律的系統(tǒng)研究還鮮見報(bào)道。
快速熱退火(RTA)工藝的最大特點(diǎn)是它的高加熱和冷卻速率,這是采用傳統(tǒng)退火爐方法無法達(dá)到的。RTA工藝在精確控制參雜含量、提高異質(zhì)結(jié)界面質(zhì)量以及修復(fù)缺陷等方面具有突出技術(shù)優(yōu)勢(shì),被廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)。近年來,RTA技術(shù)越來越多地應(yīng)用于高性能磁性材料,特別是薄膜材料的加工和制備[19,20]。本工作通過磁控濺射方法,在Si(111)襯底上制備了Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)系列合金薄膜,其中,Co/Nd原子比的變化范圍為:x=2.5~7.2。采用X-射線衍射儀(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、原子力與磁力顯微鏡(AFM/MFM)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)等對(duì)樣品的磁疇結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行表征,結(jié)合高真空RTA工藝,系統(tǒng)研究Nd成分對(duì)制備態(tài)Nd-Co非晶薄膜的PMA特性與磁疇結(jié)構(gòu)以及退火態(tài)薄膜的相結(jié)構(gòu)與磁性的影響規(guī)律。
薄膜樣品采用JGP-600型多靶多功能磁控濺射設(shè)備制備。在水冷卻的Si(111)基底上制備結(jié)構(gòu)為Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)系列薄膜,其中Co/Nd原子比為x=2.5~7.2。為了防止樣品被氧化,避免襯底對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和磁性的影響,在Si(111)襯底及薄膜表面分別添加了10 nm厚的Cr緩沖層和保護(hù)層。實(shí)驗(yàn)用NdCo復(fù)合靶材由高純Co靶和置于其上的高純Nd片組成,NdCo合金薄膜的成分通過改變復(fù)合靶材上Nd片數(shù)量控制。其中,Nd片規(guī)格為5 mm×5 mm×2 mm;Co和Cr靶直徑50.8 mm,厚度2 mm,純度均在99.95%以上。濺射系統(tǒng)的背景真空度優(yōu)于2.0×10-5 Pa。NdCo復(fù)合靶采用直流電源控制,濺射Ar氣壓為0.1 Pa;Cr靶采用射頻磁控電源控制濺射,濺射Ar氣壓保持在0.3 Pa。為防止Nd的氧化,濺射前先預(yù)濺射20~30 min。薄膜厚度通過沉積速率和沉積時(shí)間由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。沉積速率通過單層厚膜的沉積時(shí)間和厚度來確定。單層厚膜的膜厚采用6JA型雙光束干涉顯微鏡測(cè)定,并由原子力顯微鏡校正。退火態(tài)薄膜的RTA工藝在高真空RTA-500快速退火設(shè)備中進(jìn)行,系統(tǒng)真空度優(yōu)于5.0×10-4 Pa。
薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)及合金成分分別采用D8 XRD、Nova NanoSEM 430 FE-SEM以及附帶的能譜儀(EDS)測(cè)定。采用Easyscan2 AFM/MFM表征薄膜的形貌和磁疇結(jié)構(gòu)。采用HH-15 VSM表征薄膜的基本磁性。所有測(cè)量均在室溫下進(jìn)行。
圖1是制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的XRD譜。XRD譜只顯示出源于Si(111)基底的衍射峰,沒有觀察到Nd、Co及其合金的衍射峰。表明沉積的薄膜呈非晶(或納米晶)結(jié)構(gòu)。隨著薄膜中Nd (Co)含量的減小(增加),Si(111)主峰及其伴隨的干涉衛(wèi)星峰(分別標(biāo)注為-1、-2和+1級(jí)),Si(222)高次衍射峰的強(qiáng)度增強(qiáng)。這是因?yàn)閄射線在金屬Co中的穿透深度比在Nd中的大,導(dǎo)致源于Si(111)基底的衍射峰強(qiáng)度隨Co含量的增加而增強(qiáng)。
圖1 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox (400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的XRD譜
Fig.1 XRD spectra of the as-deposited Si(111)/ Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) films with the atomic ratios of Co/Nd x=2.5~7.2
圖2顯示了4種典型Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜樣品的面內(nèi)與法向的磁滯回線。由于薄膜的形狀各向異性占主導(dǎo)作用,所有樣品均呈現(xiàn)出面內(nèi)各向異性。并且,面內(nèi)磁滯回線形狀敏感地依賴于Co/Nd原子比。對(duì)于x=2.5樣品,面內(nèi)回線的矯頑力(Hc-in約為2kA/m)較低,表現(xiàn)出非晶軟磁的特征,其較高的剩磁比(Mr/Ms約為0.9,其中,Mr為剩磁,Ms為飽和磁化強(qiáng)度)意味著薄膜的平均磁矩以平行于膜面為主。隨著x的增大,剩磁比降低,面內(nèi)回線呈現(xiàn)出明顯的“S”型“跨臨界磁滯回線”的特征[17,18,19,20,21],即從剩磁到飽和磁化過程中,磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)出線性增強(qiáng)的磁化行為,如圖2c所示。具有這種特征回線的非晶薄膜常被認(rèn)為與PMA相關(guān)。
圖2 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的面內(nèi)與法向磁滯回線
Fig.2 Hysteresis loops with the magnetic field applied perpendicular and parallel to the plane of the thin films at room temperature for the as-deposited Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) thin films with x=2.5 (a), 3.8 (b), 5.2 (c), 7.2 (d), respectively (M—magnetization, Ms—saturation magnetization, H—intensity of the applied magnetic field)
式中,μ0為真空磁導(dǎo)率,Hk為磁各向異性場(chǎng)。通常Hk可以近似地由Hs-in確定[24]。由式(1)可以估算出x=5.2時(shí),薄膜的垂直磁各向異性能為Ku=(80±5) kJ/m3。該值約為Cid等[14,15]報(bào)道的NdCo5非晶薄膜垂直各向異性能(約180 kJ/m3)的一半。其差別可能源于薄膜制備工藝參數(shù)及表征技術(shù)的差異所致。此外,最大質(zhì)量因子Q (定義為垂直磁各向異性能與退磁能的比值Q=2Ku/(μ0Ms2))約為0.2。該值比其它非晶薄膜,如(Fe10Co90)17Nd2 (Q≈0.07)[17]、Fe45Co45Nb10B (Q≈0.01)[18]、Fe78B13Si9 (Q≈0.02~0.04)[23]等非晶薄膜的Q均高。
圖3 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)和平面內(nèi)飽和磁化場(chǎng)(Hs-in),及有效磁各向異性能(Keff)、形狀各向異性能(Kd)和磁彈性各向異性能(Kme)隨x的變化
Fig.3 Saturation magnetization and in-plane saturation magnetic field (Hs-in) (a), and effective magnetic anisotropy energy (Keff), shape anisotropy energy (Kd) and magneto-elastic anisotropy energy (Kme) (b) of the as-deposited Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) thin films with x=2.5~7.2
式中,Kc、Kd、Kme分別表示磁晶各向異性能、形狀各向異性能和磁彈性各向異性能,t為鐵磁層厚度,Ks表示Néel表面各向異性能。薄膜的形狀各向異性能為Kd=(1/2)μ0NDMs2,其中,ND為退磁因子。假設(shè)ND=1,可以推算出Kd值,如圖3b所示??紤]到制備態(tài)非晶薄膜的軟磁特性,磁晶各向異性可以忽略不計(jì)。鑒于界面和表面各向異性僅對(duì)幾個(gè)原子層厚的磁性層有顯著的貢獻(xiàn)[27],在本工作制備的磁性層厚度約為t=400 nm的薄膜中,界面和表面各向異性項(xiàng)2Ks/t也可以忽略不計(jì)。根據(jù)式(2),以及所確定的Kd和Keff值,可得到磁彈性各向異性Kme的大小,如圖3b所示。結(jié)果表明,Kme隨著x的增加而增強(qiáng),在x=5.2達(dá)到最大值后,則略有降低。在Nd-Co非晶合金中,Co磁矩基本上是共線的,而非S態(tài)稀土Nd原子具有強(qiáng)局域磁各向異性,在自旋軌道耦合和單離子晶體場(chǎng)的共同作用下,Nd原子磁矩的取向分布在一定大小的立體角錐體中,其錘軸指向Co磁矩方向,從而形成散鐵磁性(asperomagnetism)磁結(jié)構(gòu)[6,28]。Co/Nd成分的變化將導(dǎo)致Nd磁矩分布的立體角大小的改變,進(jìn)而導(dǎo)致薄膜內(nèi)微應(yīng)力和PMA的相應(yīng)變化。這里發(fā)現(xiàn)的磁彈性各向異性能Kme隨Nd成分的變化關(guān)系可以理解為:對(duì)于x≤5.2的薄膜樣品,Nd-Co非晶的Curie溫度(Tc)隨Nd含量增加而急劇下降,從而導(dǎo)致室溫Kme的快速降低;而當(dāng)Nd含量低于臨界成分(x≈5.2)時(shí),單離子晶體場(chǎng)相互作用對(duì)Nd-Co非晶薄膜PMA的貢獻(xiàn)隨之減小,從而導(dǎo)致x≥5.2薄膜樣品的Kme隨x的增加反而降低[6]。
AFM/MFM由于其分辨率高(垂直分辨率達(dá)0.1 nm,橫向在0.1~5.0 nm)而成為探測(cè)鐵磁薄膜微磁結(jié)構(gòu)的有效工具[19,20,21,22,23,24,29]。圖4a~d分別顯示了x=2.5、3.8、5.2、7.2薄膜在剩磁態(tài)下測(cè)定的典型MFM像,掃描范圍均為10 μm×10 μm。結(jié)果顯示,x=2.5薄膜樣品的磁力圖呈現(xiàn)出近乎均勻分布的磁力色差,看不到明顯的磁疇特征,表明薄膜樣品的平均磁矩方向是平行于薄膜平面的。在x=3.8樣品的MFM像上開始隱約呈現(xiàn)出明暗相間的條紋疇結(jié)構(gòu)。繼續(xù)增加至x=5.2時(shí),磁力圖的條紋疇更加清晰,磁力色差對(duì)比度明顯增強(qiáng)。而x=7.2時(shí),明暗條紋依然可見,但色差對(duì)比度有所降低。
圖4 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的MFM像
Fig.4 Magnetic force microscopy (MFM) images for the as-deposited Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) films with x=2.5 (a), x=3.8 (b), x=5.2 (c) and x=7.2 (d), respectively
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條紋疇的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是鐵磁性薄膜具有PMA特性的直接證據(jù),條紋疇方向是由于樣品在外磁場(chǎng)的前一次面內(nèi)飽和磁化期間誘導(dǎo)的磁化方向[20,21,22,23,24]。一般而言,對(duì)于在相同色差標(biāo)尺下測(cè)定的磁力圖,明暗條紋的色差對(duì)比度越大,磁力圖像的相移均方根偏差(??rms)也越大。圖5為制備態(tài)薄膜在同一色差標(biāo)尺和相同掃描范圍(10 μm×10 μm)內(nèi)測(cè)定的??rms隨x的變化曲線。為了對(duì)比,圖中也給出了由式(1)得到的Ku數(shù)據(jù),這里得到的Ku隨x的變化曲線與文獻(xiàn)[6,30]報(bào)道結(jié)果相一致。由圖可見,由MFM測(cè)定的??rms-x變化曲線,與采用VSM測(cè)定的Ku-x變化趨勢(shì)基本一致,兩者在臨界成分x=5.2處都存在最大值。其實(shí),由MFM像測(cè)定的??rms的大小,正比于樣品表面磁場(chǎng)梯度,即雜散場(chǎng)的垂直z分量的平均值。其大小通常與Ms相關(guān)[24]。因此,由MFM像測(cè)定的??rms可以間接地反映垂直磁化薄膜的PMA特性,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了PMA隨x的變化規(guī)律。
圖5 制備態(tài)薄膜的單軸磁各向異性常數(shù)(Ku)和MFM像相移的均方根偏差(Δ?rms)隨x的變化曲線
Fig.5 The x dependence of the magnetic uniaxial anisotropy constant (Ku) and the root mean square deviation of phase shift in MFM images (Δ?rms) of the as-deposited films
圖6是x=2.5和5.2制備態(tài)薄膜的AFM和MFM像,掃描范圍為20 μm×20 μm。從圖6c和d的AFM像可見,制備態(tài)樣品表面均存在一定的高低起伏,測(cè)得的薄膜表面粗糙度(定義為相對(duì)名義高度偏距的均方根Sq)在Sq=0.40~1.48 nm之間。由圖6a和b的MFM像可見,樣品的磁力色差對(duì)比度以及條紋寬度在薄膜內(nèi)均存在一定的波動(dòng)。圖7為x=2.5和5.2樣品的SEM-EDS圖,掃描面積范圍均為40 μm×40 μm??梢钥闯?,樣品中Co和Nd元素在膜面內(nèi)的分布也都是均勻的。如前文所述,非晶薄膜的PMA主要源于薄膜應(yīng)力導(dǎo)致的磁彈各向異性。薄膜應(yīng)力主要包括非S態(tài)稀土原子的強(qiáng)局域磁各向異性產(chǎn)生的薄膜微應(yīng)力以及界面/表面粗糙度引起的薄膜宏觀(或在微米級(jí)尺度上的介觀)應(yīng)力。其中,稀土原子的局域原子結(jié)構(gòu)和高非球面4f電荷分布的存在,是導(dǎo)致薄膜PMA并出現(xiàn)條紋疇磁結(jié)構(gòu)的主要原因[6]。薄膜界面/表面粗糙度引起的宏觀應(yīng)力,又對(duì)薄膜局域微磁結(jié)構(gòu)起到一定的調(diào)制作用。根據(jù)Landau的磁疇結(jié)構(gòu)理論[22],條紋疇寬度(w)可表示為[22,23]:
式中,A是合金的交換剛度常數(shù)。由式(3)可知,對(duì)于Co和Nd原子均勻分布的Nd-Co非晶薄膜,界面/表面粗糙度引起了鐵磁薄膜厚度t在微米介觀尺度上的起伏波動(dòng),從而導(dǎo)致條紋疇寬度及磁力色差對(duì)比度在介觀尺度上的相應(yīng)波動(dòng),如圖6所示。
圖6 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的MFM和AFM像
Fig.6 MFM (a, b) and AFM topographic (c, d) images for the as-deposited Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) films with x=2.5 (a, c) and 5.2 (b, d), respectively
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圖7 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) 薄膜中Co和Nd元素的二維成分分布圖
Fig.7 Typical two-dimensional elemental maps of Co (a, c) and Nd (b, d) in the as-deposited Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox (400 nm)/Cr(10 nm) alloy films with x=2.5 (a, b) and 5.2 (c, d), respectively (Areas of SEM-EDS images are 40 μm×40 μm)
薄膜中存在的微應(yīng)力可以通過退火實(shí)驗(yàn)得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。圖8為制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCo5.2(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜經(jīng)過不同退火溫度真空退火40 min后測(cè)定的面內(nèi)磁滯回線。由圖可見,隨著退火溫度逐漸升高,Hs-in逐漸降低,同時(shí)伴隨著Hc-in降低、Mr/Ms逐漸回升。當(dāng)退火溫度升至500 ℃時(shí),面內(nèi)矯頑力降為最低,PMA基本消失。這主要是由于退火過程導(dǎo)致非晶態(tài)薄膜中微應(yīng)力得到逐步地釋放,導(dǎo)致原子弛豫或局域磁性原子短程序的變化所致。當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高到600 ℃,Hc-in略有上升。這主要是非晶態(tài)薄膜開始結(jié)晶所致(詳見后文)。
圖8 制備態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCo5.2 (400 nm)/Cr(10 nm)薄膜分別經(jīng)過在不同退火溫度(Ta)真空退火后的面內(nèi)磁滯回線,及面內(nèi)矯頑力(Hc-in)和剩磁比(Mr/Ms)隨Ta的變化關(guān)系
Fig.8 In-plane hysteresis loops of the as-deposited and subsequently annealed Si(111)/Cr(10 nm)/NdCo5.2 (400 nm)/Cr(10 nm) films at annealing temperatures Ta=300, 400, 500 and 600 ℃, respectively (Inset shows Ta dependence of the in-plane coercivity (Hc-in) and remanence ratio (Mr/Ms), respectively)
為了進(jìn)一步研究Nd含量對(duì)濺射Nd-Co薄膜相結(jié)構(gòu)與磁性的影響,對(duì)所有樣品進(jìn)行了真空RTA處理。圖9是Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜在600 ℃退火30 min后的XRD譜。退火態(tài)薄膜中可能析出的物相及其XRD反射晶面也標(biāo)注在圖9中。結(jié)果顯示,所有樣品均析出了Nd2Co17、Nd4Co3、NdCo2等物相。此外,在Nd元素實(shí)際含量比NdCo5相標(biāo)稱值過量的薄膜(x=2.5和3.8)中,還觀測(cè)到了NdCo5和Nd2Co7相納米晶的衍射峰。其中,NdCo5相納米晶的衍射峰譜與采用高能球磨制備的NdCo5片狀納米粉末的XRD譜[31]相類似。根據(jù)Scherrer公式和(111)衍射峰估算出NdCo5納米晶的平均晶粒尺寸為8.6 nm。還發(fā)現(xiàn),NdCo5和Nd2Co7相納米晶??偸窍喟槲龀觯@與Seifert等[32]采用脈沖激光沉積技術(shù),并采用Cr為緩沖層和覆蓋層,在MgO(110)襯底上外延制備的NdCo5±x單晶體薄膜的結(jié)果相一致。但他們后來采用Al2O3(001)基底,并采用Ru緩沖層和Cr覆蓋層后卻沒有觀測(cè)到伴生相Nd2Co7納米晶的析出[33]。這表明Nd2Co7共生相的析出與采用Cr緩沖層有關(guān)。二元化合物Nd2Co7具有六方晶系Ce2Ni7型晶體結(jié)構(gòu),其空間群為p63/mmc。Nd2Co7相是由2層Laves相NdCo2和2層CaCu5型NdCo5子塊沿c軸方向交替堆疊而成,它在Nd-Co體系中是熱力學(xué)穩(wěn)定相[34,35]。值得指出的是,在x=2.5和3.8樣品中觀測(cè)到的金屬間化合物Nd2Co17、NdCo5、Nd2Co7、NdCo2、Nd4Co3等物相,均為Liu等[35]理論計(jì)算相圖所預(yù)測(cè)的熱力學(xué)穩(wěn)定相。但在x≥4.4的薄膜樣品中,并未觀測(cè)到明顯的NdCo5和Nd2Co7相衍射峰。這表明薄膜中Nd的實(shí)際含量比NdCo5相的標(biāo)稱值過量(至少4%,原子分?jǐn)?shù))時(shí),才有利于NdCo5和Nd2Co7相晶粒的析出。
圖9 在600 ℃快速退火30 min后Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的XRD譜
Fig.9 XRD spectra of the annealed Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) films with x=2.5~7.2. The films were annealed at 600 ℃ for 30 min in a RTA system
上述XRD結(jié)果可由磁性測(cè)量數(shù)據(jù)得到進(jìn)一步佐證。圖10為在600 ℃經(jīng)RTA后4種典型合金成分薄膜Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)的面內(nèi)與法向磁滯回線。圖11為退火態(tài)樣品的Hc-in隨x的變化關(guān)系。結(jié)果表明,NdCo5和Nd2Co7相納米晶的析出導(dǎo)致了退火態(tài)薄膜Hc-in的顯著增強(qiáng),而x≥4.4的退火態(tài)薄膜的Hc-in卻顯示較低值。在所觀測(cè)到的金屬間化合物Nd2Co17、NdCo5、Nd2Co7、NdCo2、Nd4Co3等物相中,只有前3種在室溫下才具有鐵磁性[35]。注意到,x=2.5樣品的面內(nèi)磁滯回線出現(xiàn)臺(tái)階現(xiàn)象,而x=3.8樣品的面內(nèi)M-H磁滯回線則沒有。這可能是由于x=2.5樣品中不僅析出了NdCo5相納米晶,同時(shí)還存在成分偏離1∶5化學(xué)計(jì)量比的NdCo5±x相納米晶粒。因?yàn)椋瑹o論是貧Co還是富Co的NdCo5±x相化合物,其單軸磁各向異性能都要比具有完全化學(xué)計(jì)量比的NdCo5相晶體要低[32]。與x=2.5樣品相比,x=3.8樣品的面內(nèi)矯頑力有所降低。這可能是由于該樣品析出的主要是富Co的NdCo5+x相納米晶。在x≥4.4的薄膜中,室溫下因只有Nd2Co17或Co相具有鐵磁性,樣品的室溫矯頑力Hc-in呈現(xiàn)較低值。
圖10 經(jīng)600 ℃快速退火30 min后Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的室溫磁滯回線
Fig.10 Magnetic hysteresis loops of the post RTA annealed Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) films with x=2.5 (a), 3.8 (b), 5.2 (c) and 7.2 (d), respectively, where the magnetic field is parallel and perpendicular to the film plane at room temperature, respectively. The films were annealed at 600 ℃ for 30 min in a RTA system
圖11 室溫下測(cè)定的退火態(tài)Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜的Hc-in隨x的變化關(guān)系
Fig.11 The x dependence of Hc-in of the annealed Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm) films with x=2.5, 3.8, 4.4, 5.2, 6.1 and 7.2, respectively
(1) 采用磁控濺射技術(shù)制備了Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)系列薄膜。隨著x的增加,制備態(tài)薄膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms單調(diào)增強(qiáng);而垂直磁各向異性能的Ku-x關(guān)系曲線在x=5.2附近卻存在一較寬的峰,峰值處Ku=(80±5) kJ/m3。由MFM表征的??rms-x關(guān)系曲線,也與Ku-x的變化趨勢(shì)基本一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了PMA隨Nd成分的變化規(guī)律。
(2) 稀土原子的單離子各向異性所產(chǎn)生的薄膜微應(yīng)力,以及界面/表面粗糙度引起的應(yīng)力,是導(dǎo)致條紋疇寬度及磁力色差對(duì)比度在薄膜表面微米介觀尺度上波動(dòng)的主要原因。
(3) 經(jīng)過600 ℃真空快速退火后,所有薄膜均析出了Co17Nd2、Co2Nd、Co3Nd4等金屬間化合物,而NdCo5±x相納米晶只在Nd過量(至少4%,原子分?jǐn)?shù))的x=2.5和3.8的薄膜中才被觀測(cè)到,同時(shí)還伴隨著Nd2Co7共生相的析出。
(4) 室溫磁性測(cè)量表明,NdCo5±x和Nd2Co7相納米晶的析出,導(dǎo)致x=2.5和3.8薄膜面內(nèi)矯頑力(分別為Hc-in=54和51 kA/m)顯著增強(qiáng);而在x≥4.4薄膜樣品的面內(nèi)矯頑力(Hc-in=4~8 kA/m)保持在低值區(qū)間。
1 實(shí)驗(yàn)方法
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 Nd含量對(duì)制備態(tài)NdCo薄膜PMA的影響
圖1
圖2
圖3
圖4
圖5
圖6
圖7
圖8
2.2 Nd含量對(duì)退火態(tài)NdCo薄膜相結(jié)構(gòu)與磁性的影響
圖9
圖10
圖11
3 結(jié)論
來源--金屬學(xué)報(bào)
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