氧氣壓強對Si基片上沉積YIG薄膜微觀結構和磁性的影響

【摘要】本文研究了氧氣壓強對用脈沖激光沉積技術（PLD）在Si（100）基片上制備的YIG薄膜性能的影響。采用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、震動樣品磁強計（VSM）、鐵磁共振儀（FMR）等檢測了薄膜微觀性能及磁性。研究發現：（1）在0.3Pa和1Pa下制備的YIG薄膜中沒有雜相，而在4Pa和16Pa的薄膜中出現了YIP相；（2）薄膜的晶粒尺寸隨氧壓增大而減小；（3）在1Pa下制備得到的薄膜共振線寬最小，為91Oe；（4）薄膜飽和磁化強度（Ms）隨氧壓的增加而降低，1Pa下得到的薄膜的Ms為138Oe，最接近理論值。

【關鍵詞】脈沖機關沉積技術；YIG薄膜；氧氣壓強

1.引言

由于具有較高的法拉第旋光效率和較低的傳播損耗，釔鐵石榴石（YIG）薄膜在非互易波導器件、集成光學器件和磁光記憶領域擁有巨大的應用前景[1，2]。當前，YIG的薄膜制備工藝已經比較成熟，但制備薄膜所使用的基片多為GGG基片和陶瓷基片，這限制了其在半導體行業中的應用[3，4]。另外，GGG基片和陶瓷基片造價較高，增加了薄膜微波器件的研發與應用成本。Si是當前在半導體領域制備工藝最成熟、應用最廣泛的材料，在Si基片上制備YIG薄膜用于制備薄膜器件對降低器件造價造價、提高器件在半導體領域的應用都有很大意義。

Si基片的晶格常數和熱膨脹系數分別為5.430?和4.7x10-6/oC，而YIG的晶格常數和熱膨脹系數分別為12.380?和13.8x10-6/oC，兩種材料的匹配性較差，這增大了在Si基片上制備高質量YIG薄膜的難度。PLD技術被廣泛應用于制備各種薄膜材料，特別是在制備成分復雜的鐵氧體薄膜方面有巨大的優勢[5-8]。相較于磁控濺射、溶膠凝膠、液相外延等薄膜制備技術，PLD更容易通過調節制備條件來控制成分復雜的薄膜的性質[1，9]。

氧氣壓強對薄膜的微觀性能以及磁性有最大影響的條件之一。其主要從兩個方面來影響薄膜性質：（1）作為背底氣體，主要起到減小濺射粒子的動能和壓縮羽輝形貌的作用；（2）作為反應氣體，濺射出來的粒子發生反應，補充薄膜中的氧氣缺陷[7]。

本文討論了在用PLD法在Si（100）基片上制備YIG薄膜時氧氣壓強對薄膜微觀結構性能及磁性的影響。

2.實驗

把純度為99.99%的Fe2O3和99.99%的Y2O3按標準比例混合，使用傳統的固相反應法制備了YIG靶材制備，燒結條件為在1400℃大氣氛圍下燒結3h。制備薄膜的激光為波長為248nm的KrF激光器，脈沖寬度為25ns，激光頻率為5Hz，激光能量為300mJ。基片溫度為700℃，真空腔的本底真空為5X10-4Pa，靶材和基片的距離為50mm。沉積薄膜的氧壓分別設定為0.3Pa、1Pa、4Pa、16Pa。最終制備出的薄膜厚度分別為都在1.3m左右。最后，沉積的的樣品都在750℃下退火5h。

用XRD分析了薄膜的物相組成，用SEM測試了樣品表面結構以及薄膜厚度，用FMR測試了薄膜的共振線寬，用VSM測試了薄膜的磁性。

3.結果與討論

圖1 不同氧壓下在Si基片上制備的YIG薄膜的XRD圖譜，下方的豎線是YIG的標準峰

圖2是不同氧壓下在Si基片上沉積的YIG薄膜的SEM圖，從圖中可以看到隨著氧壓的增強，薄膜表面的晶界逐漸增多，晶粒逐漸減小，到16Pa時，表面基本上是以數十納米的晶粒存在的。而0.3Pa和1Pa下制備的薄膜表面晶界較少，晶粒尺寸較大。

圖4 不同氧壓下在Si基片上制備的YIG薄膜的M-H圖譜，測量磁場平行于膜面

4.結論

參考文獻

[1]Katlakunta S，Murthy S R.Effect of oxygen pressure on structural and magnetic properties of YIG thin films[J].2012：719-720.

[2]Kumar N，Prasad S，Misra D S，et al.The influence of substrate temperature and annealing on the properties of pulsed laser-deposited YIG films on fused quartz substrate[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（18）：2233-2236.

[3]Syvorotka I I，Syvorotka I M，Kityk I V.Surface morphological changes and magnetic properties of Sc-substituted Y3Fe5O12 epitaxial films deposited on the GGG substrate[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2010，322（21）：3314-3319.

[4]Zhou X，Lin F，Ma X，et al.Fabrication and magnetic properties of Ce1Y2Fe5O12 thin films on GGG and SiO2/Si substrates[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（12）：1817-1821.

[5]Bhoi B，Venkataramani N，Aiyar R P R C，et al.Frequency dependent FMR studies on pulsed laser ablated YIG films deposited on（111）GGG substrate[J].2013：692-693.

[6]Tehranchi M M，Hamidi S M.Growth-induced magnetic anisotropy behavior in thin garnet films fabricated by pulsed laser deposition[J].Applied Physics A，2012，109（1）：169-172.

[7]Eason R.pulsed laser deposition of thin films[M].UK：Wiley Interscience，2007.

[8]Kumar N，Misra D S，Venkataramani N，et al.Magnetic properties of pulsed laser ablated YIG thin films on different substrates[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2004：272-276.

本研究得到了國家自然科學基金項目（項目編號：No.51302056）；浙江省自然科學基金（項目編號：No.LQ12E02001，No.Y107255）；浙江省教育廳基金（項目編號：No.Y201017252）的資助。

作者簡介：

門天宇（1988—），男，河南三門峽人，研究生，研究方向：鐵氧體薄膜材料。

鄧江峽（1983—），女，陜西西安人，博士，主要從事鐵氧體材料研究。