磁場下電沉積制備Co-Pt-P 磁性薄膜

金 震， 李銘鋼， 曹 穎， 孟祥鳳， 衛國英

（中國計量學院 材料科學與工程學院，浙江 杭州310018）

0 前言

研究發現［1-2］：Co-Pt合金薄膜具有強烈的垂直磁晶各向異性與高矯頑力，被廣泛用于磁記錄材料及微電子系統（MEMS）。制備Co-Pt薄膜的方法有磁控濺射、化學氣相沉積、化學沉積及電化學沉積等。其中電化學沉積法是一種簡單易行且成本低廉的生產技術。但電沉積制備也存在薄膜取向性較差、雜相多等不可忽視的缺點。最近的研究表明：通過外加磁場可有效調節磁性薄膜的結晶取向，提高薄膜的磁晶各向異性。目前普遍認為材料在電磁場作用下受到的電磁力以洛倫茲力和磁化力為主。磁場的施加會對電鍍過程產生如下影響：（1）洛倫茲力所引起的磁流體力學（MHD）效應；（2）磁化力的作用［3-4］；（3）影響化學反應［5］；（4）影響溶液的物理化學性能［6］；（5）影響電極表面的電流分布。

本文主要研究磁場的方向和強度對電沉積Co-Pt-P磁性薄膜性能的影響。

1 實驗

1.1 電沉積Co-Pt-P磁性薄膜

采用尺寸為2cm×5cm 的黃銅片作為基底。首先用MP-1A 型拋光機打磨黃銅片，除去其表面的污漬；拋光后，將帶有油污的黃銅片放入乙醇和丙酮的混合液中去油；最后進行弱浸蝕，用去離子水將處理好的黃銅片沖洗干凈，烘干待鍍。

鍍液配方及工藝條件為：Co（NH2SO3）20.1 mol／L，Pt（NH3）2（NO2）20.01 mol／L，Na2H2PO2·H2O 0.06 mol／L，（NH4）2C2H6O70.2 mol／L，NH2CH2COOH 0.1 mol／L，pH值8，0～0.5 T，0.06～0.10A，0.5h。

1.2 測試方法

采用XRD 測試Co-Pt-P 磁性薄膜的結構。采用振動樣品磁強計（VSM）測試Co-Pt-P 磁性薄膜的磁性能，根據磁滯回線確定薄膜的矯頑力及比飽和磁化強度。采用掃描電子顯微鏡（SEM）測試薄膜的表面形貌。采用能譜儀（EDS）測定合金的成分。采用臺階測厚儀測試薄膜的厚度。

2 結果與討論

2.1 電流的影響

圖1為不同電流下所得Co-Pt-P磁性薄膜的表面形貌。從圖1中可以看出：隨著電流的增大，薄膜表面的氣孔減小，孔隙率降低；當電流為0.08A 時，薄膜表面的微粒較致密，幾乎不見氣孔；電流繼續增大時，晶粒較小。這是由于電流過大，反應速率快，晶粒沒有足夠的生長時間，導致薄膜表面的微粒細小。在電流較小的情況下，鍍覆速率較慢，主要是氫氣的析出，表面容易產生孔洞。

圖1 不同電流下所得Co-Pt-P薄膜的SEM圖

圖2為樣品的矯頑力與電流的關系圖。從圖2中可以發現：隨著電流的增大，膜層的矯頑力呈現出先增大后減小的趨勢。當電流為0.08A 時，膜層的矯頑力最大。

圖2 不同電流下所得Co-Pt-P薄膜的VSM圖

2.2 溫度的影響

溫度變化對速率常數的影響非常大。根據范特霍夫公式，溫度越高，反應速率越快。按此理論應是溫度越高，薄膜越厚。但實驗發現并非如此。過高的溫度使得析氫作用明顯，薄膜表面有較多氣孔和裂紋。同時，溫度越高，速率越快，薄膜晶粒由于沒有足夠的生長時間，微粒細小。低溫下容易生長出晶粒粗大的膜層。

圖3為不同溫度下所得Co-Pt-P 薄膜的XRD圖。從圖3中可以發現：Co（002）方向是樣品的主要衍射峰。隨著溫度的升高，Co（002）方向衍射的強度逐漸降低。這是由于高溫下膜層表面晶粒細小，結晶度變差，導致衍射峰Co（002）的強度下降。

2.3 磁場強度的影響

在電沉積過程中外加一垂直于電場方向的磁場，所得薄膜的XRD圖，如圖4所示。從圖4中可以看出：在2θ=50°處出現了Cu（111）面的最強衍射峰，另外一個基底Cu（220）面的衍射峰出現在2θ=75°處。而且，2θ=44.5°處出現了（002）面上的衍射峰。經過卡片對照發現為六方鈷（ε-Co）。從不同磁場下的XRD圖譜中可以看出：隨著磁場強度的增大，Co（002）方向衍射峰的強度逐漸增大，膜層有了很好的（002）方向的擇優取向。這主要是由于鈷是鐵磁性微粒，在磁場作用下受到磁化力的作用，更容易沿著易磁化方向（002）生長。

圖3 不同溫度下所得Co-Pt-P薄膜的XRD圖

圖4 垂直磁場作用下薄膜的XRD圖

圖5 垂直磁場條件下電沉積Co-Pt-P薄膜的VSM圖

圖5為磁場強度對Co-Pt-P磁性薄膜磁滯回線的影響。從圖5中可以看出：當磁場強度為0.5T時，比飽和磁化強度最大。這是由于磁場作用下洛倫茲力產生的磁對流效應及磁化力的作用，可以起到減薄雙電層和提高鈷的質量分數的作用。鍍層中鈷的質量分數的提高，有利于提高膜層的比飽和磁化強度。

3 結論

（1）在電沉積制備Co-Pt-P 磁性薄膜的過程中，隨著電流增大，溫度升高，鍍速均會有不同程度的增大。但電流過大或溫度過高都會影響薄膜的表面形貌和磁性能。隨著電流的增大，薄膜表面的氣孔減小，孔隙率降低。電流為0.08A 時所得薄膜表面的微粒較致密，幾乎不見氣孔，且樣品可以達到最大的矯頑力。

（2）施加垂直于電場方向的磁場，可以產生洛倫茲力和場梯度力。隨著外加磁場強度的增大，鍍速顯著提高。當磁場強度為0.5T 時，鍍層中鈷離子會比鉑離子提前到達陰極表面發生氧化還原反應，使得鍍層中鈷的質量分數增加，從而提高鍍層的比飽和磁化強度。Co-Pt-P薄膜在磁場作用下能夠出現良好的（002）方向的擇優取向。

［1］陳文納.磁場影響化學反應研究概述［J］.廣西梧州師范高等專科學校學報，1998，14（3）：57-60.

［2］湯永新，李寒旭，葛琦.電磁場對水煤漿性能的影響［J］.煤炭科學技術，2000，28（12）：30-31.

［3］高誠輝，周白楊，黃水興.外加磁場鍍鐵槽內電磁特性研究［J］.電鍍與環保，1990，20（3）：8-11.

［4］吳輝煌.應用電化學基礎［M］.廈門：廈門大學出版社，2006：57-58.

［5］KHATRI M S， SCHLORB H， FAHLER S，etal.Electrodeposition of Co-Pt continuous films and nanowires within diblock copolymer template［J］.Electrochimica Acta，2009，54（9）：2 536-2 539.

［6］DECORPS T，HAUMESSER P H，OLIVIER S，etal.Electroless deposition of CoWP：Material characterization and process optimization on 300 mm wafers［J］.Microelectronic Engineering，2006，83（11）：2 082-2 087.