強(qiáng)磁場下Sm-Fe薄膜不同晶態(tài)組織演化及磁性能調(diào)控?

李國建 常玲2) 劉詩瑩3) 李萌萌3) 崔偉斌 王強(qiáng)

1)(東北大學(xué),材料電磁過程研究教育部重點實驗室,沈陽 110819)

2)(東北大學(xué)冶金學(xué)院,沈陽 110819)

3)(東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110819)

1 引 言

磁性納米薄膜是指厚度為納米量級的薄膜,對于電子元器件的微型化和集成化具有重要意義,由于尺寸效應(yīng)的影響,其在磁記錄、磁傳感和磁屏蔽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1].釤(Sm)原子的核外電子排布為6s24f6,雖然Sm原子本身對合金磁性的貢獻(xiàn)很小[2],但是會產(chǎn)生較大的c軸各向異性,能夠在Sm-Fe薄膜中展現(xiàn)出較好的磁性能[3].在形成Sm5Fe17相后,可以產(chǎn)生41.9 kOe(1 Oe=103/(4π)A/m)的高矯頑力[4],而且可以通過改變Sm含量控制Sm-Fe薄膜的晶態(tài)和非晶態(tài)組織[5,6],在非晶態(tài)組織中產(chǎn)生明顯的高場熱磁效應(yīng)[7].SmFe薄膜在室溫時還具有負(fù)的巨磁致伸縮效應(yīng)(?1560×10?6)[8],并且材料成本低,因此,在微機(jī)電系統(tǒng)、致動器、傳感和表面聲波過濾等方面有廣泛應(yīng)用[9].但是,目前要在一個大的膜厚范圍內(nèi)實現(xiàn)晶態(tài)和非晶態(tài)Sm-Fe薄膜磁性能的控制仍較為困難.

目前的研究主要是在不同Sm含量時,獲得非晶態(tài)組織的Sm-Fe薄膜[10].文獻(xiàn)[11]研究了Sm含量對Sm-Fe薄膜磁性能的影響,結(jié)果表明隨著Sm含量的增加,其飽和磁化強(qiáng)度Ms降低,矯頑力Hc升高.當(dāng)Sm-Fe薄膜中Sm含量從24%升高至34%時(含量均為原子比),在磁場強(qiáng)度為1200 kA/m時的磁致伸縮量可達(dá)到1000×10?6[12],甚至在非晶態(tài)Sm-Fe薄膜中出現(xiàn)了正霍爾效應(yīng)[13].通過摻雜也可以控制Sm-Fe薄膜的磁性能[14],但是會產(chǎn)生Cu和SmCu5等雜質(zhì)相,降低薄膜的磁性能.另外,也可以通過熱處理來優(yōu)化Sm-Fe非晶薄膜的磁性能[15],但非晶態(tài)薄膜熱處理后會析出晶體,改變薄膜的非晶組織.因此,目前還缺乏一種有效的既能控制Sm-Fe薄膜的晶態(tài)和非晶態(tài)組織,又能調(diào)節(jié)薄膜的磁性能的手段.

強(qiáng)磁場由于能無接觸地將各種磁化效應(yīng)作用于材料的生長過程[16,17],為解決上述問題提供了可能.而且,目前的研究結(jié)果表明,幾百奧斯特的磁場可以改變非晶態(tài)Sm-Fe薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性能[18].磁場會使非晶態(tài)Sm-Fe薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)由條紋狀變成迷宮狀,在磁場條件下濺射的非晶態(tài)Sm-Fe薄膜中產(chǎn)生各向異性[19].這些研究表明,磁場會對Sm-Fe薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性能產(chǎn)生影響,因此,有必要研究將強(qiáng)磁場用于控制不同膜厚的晶態(tài)和非晶態(tài)組織Sm-Fe薄膜的磁性能.

首先,本文在強(qiáng)磁場下,采用分子束氣相沉積方法制備不同厚度的Sm-Fe薄膜,并通過改變Sm含量調(diào)節(jié)薄膜的晶態(tài)和非晶態(tài)組織.然后,研究Sm含量、膜厚和強(qiáng)磁場對薄膜的晶態(tài)和非晶態(tài)組織以及磁性能的影響.最后,確定控制Sm-Fe薄膜晶態(tài)和磁性能的方法.

2 實 驗

本文在強(qiáng)磁場下,采用分子束氣相沉積方法制備不同膜厚和Sm含量的Sm-Fe薄膜.基片放置在磁感應(yīng)強(qiáng)度最大位置處,磁場方向豎直向上并垂直于基片,磁場強(qiáng)度分別為0和6 T.基片為Si(100)薄片,溫度為室溫,依次使用丙酮和乙醇超聲清洗15 min后,用高壓氬氣吹干備用.Sm和Fe源材料的純度均為99.99%,顆粒直徑約為3 mm.本底氣壓為9.0×10?5Pa,制備時的工作氣壓為3.0×10?4Pa.Fe束源溫度為1400?C,蒸發(fā)速率約為2 nm/min.Sm束源蒸發(fā)溫度分別為615和719?C,對應(yīng)的蒸發(fā)速率分別為0.5和3 nm/min,通過蒸發(fā)速率調(diào)節(jié)薄膜的Sm含量.Sm-Fe薄膜是由Sm和Fe共沉積得到.當(dāng)Sm源蒸發(fā)溫度為615?C和719?C時,分別與Fe共蒸發(fā)8,20,80 min和4,10,40 min來獲得3種不同膜厚的Sm-Fe薄膜.用能譜儀(Inca,Oxford Instruments,UK)確定了在兩種Sm源蒸發(fā)溫度下,薄膜中Sm的原子百分含量分別為5.8%和33.0%.兩種成分的樣品分別命名為Sm5.8Fe94.2和Sm33.0Fe67.0.用臺階儀(Dektak150,Veeco,USA)測量了薄膜的厚度,在3種蒸發(fā)時間下分別為20,50和200 nm.強(qiáng)磁場對薄膜中Sm的含量沒有影響.

用X射線衍射儀(XRD;DMAX 2400,Rigaku,Japan)檢測了薄膜的相組成,X射線源為Cu Kα1,采用2θ模式掃描,掠入射角度為1?,銅靶波長為λ=0.154056,掃描速度為1?/min.用振動樣品磁強(qiáng)計(EZ-9,MicroSense,USA)檢測了薄膜的磁性能.用原子力顯微鏡(AFM;Nanosurf Flex-Axiom,Switzerland)檢測了樣品的表面形貌.

3 結(jié)果與討論

圖1給出了不同磁場條件下不同膜厚和Sm含量時,Sm-Fe薄膜的XRD譜.從圖1(a)可以看出,不同磁場和膜厚的Sm5.8Fe94.2薄膜都在44.60?和65.04?出現(xiàn)了衍射峰,峰的強(qiáng)度隨磁場和膜厚沒有明顯的變化.這兩個峰與XRD標(biāo)準(zhǔn)圖譜中體心立方(bcc)相的Fe(110)和(200)指數(shù)面一致.這說明Sm5.8Fe94.2薄膜形成了bcc相的多晶結(jié)構(gòu),并且相組成和擇優(yōu)取向未受磁場和膜厚的影響.而Sm33.0Fe67.0薄膜的XRD譜如圖1(b)所示,衍射峰與Sm5.8Fe94.2薄膜的明顯不同,只在47.9?出現(xiàn)了一個非晶的饅頭峰,這說明所有的Sm33.0Fe67.0薄膜都是非晶態(tài)薄膜.而且,峰的強(qiáng)度和位置隨著磁場和膜厚沒有明顯的變化.另外,這個角度的衍射峰可能包括基體Si(100)的衍射峰.這些結(jié)果表明,強(qiáng)磁場和膜厚不影響Sm-Fe薄膜的晶態(tài)和非晶組織,通過改變Sm含量可以在一個較大的膜厚范圍內(nèi)獲得晶態(tài)和非晶態(tài)的Sm-Fe薄膜.

圖2給出了0和6 T磁場下不同膜厚Sm5.8-Fe94.2和Sm33.0Fe67.0薄膜的AFM像.從圖2可以看出,強(qiáng)磁場、膜厚和Sm含量對薄膜的表面形貌有顯著影響.膜厚對晶態(tài)和非晶態(tài)薄膜的表面形貌影響也不同,對于晶態(tài)的Sm5.8Fe94.2薄膜,20 nm的島狀生長會變成50 nm和200 nm時的層狀生長,最直接的表現(xiàn)就是表面大顆粒消失,薄膜表面形貌變得均勻致密.而對于非晶態(tài)的Sm33.0Fe67.0薄膜,隨著膜厚的增加,表面形貌會從無序變成顆粒再變成無序.隨著Sm含量的變化,表面形貌會從晶態(tài)的顆粒變成非晶態(tài)時的無序.強(qiáng)磁場對不同晶態(tài)的Sm5.8Fe94.2和Sm33.0Fe67.0薄膜表面形貌影響也不相同,而且隨著膜厚改變,強(qiáng)磁場的影響也不相同.

圖1 0和6 T磁場下不同膜厚(a)Sm5.8Fe94.2和(b)Sm33.0Fe67.0薄膜的XRD譜Fig.1.XRD spectra of(a)Sm5.8Fe94.2and(b)Sm33.0Fe67.0 films with different film thicknesses under 0 and 6 T magnetic fields.

圖2 0和6 T磁場下,膜厚為(a)20,(b)50,(c)200 nm的Sm5.8Fe94.2和Sm33.0Fe67.0薄膜的5μm×5μm AFM像(a1)—(c1)0 T,Sm5.8Fe94.2;(a2)—(c2)6 T,Sm5.8Fe94.2;(a3)—(c3)0 T,Sm33.0Fe67.0;(a4)—(c4)6 T,Sm33.0Fe67.0Fig.2.5μm×5μm AFM images of Sm5.8Fe94.2and Sm33.0Fe67.0 films with the thicknesses of(a)20,(b)50,(c)200 nm under 0 and 6 T magnetic fields:(a1)–(c1)0 T,Sm5.8Fe94.2;(a2)–(c2)6 T,Sm5.8Fe94.2;(a3)–(c3)0 T,Sm33.0Fe67.0;(a4)–(c4)6 T,Sm33.0Fe67.0.

利用AFM像統(tǒng)計了晶態(tài)Sm5.8Fe94.2和非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的表面顆粒尺寸和表面線粗糙度,結(jié)果如圖3所示.采用本文方法所制備的Sm-Fe薄膜表面非常平整,線粗糙度Rq都在0.4—2.3 nm.施加強(qiáng)磁場能夠降低薄膜的表面粗糙度,而在相同條件下,非晶薄膜的表面粗糙度要低于晶態(tài)薄膜的粗糙度.隨著膜厚的增加,薄膜的線粗糙度增加,這與其他研究結(jié)果一致[20,21].20 nm厚薄膜在施加6 T磁場后的粗糙度比無磁場時的低,這是因為在生長初期,薄膜的形貌主要受形核生長控制,而強(qiáng)磁場的磁化能和磁化力使顆粒獲得額外的能量,有利于顆粒形核生長成粗糙度低的薄膜[17].非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的表面顆粒尺寸小于晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的表面顆粒尺寸.而施加強(qiáng)磁場后,薄膜的顆粒尺寸增加.對于20 nm的Sm5.8Fe94.2薄膜磁場的反作用效果,可能的原因是與膜厚相關(guān)的生長階段在強(qiáng)磁場下發(fā)生變化,也就是說在強(qiáng)磁場就發(fā)生了從受形核生長控制的階段過渡到受表面擴(kuò)散控制的階段.

圖4給出了當(dāng)測量磁場在膜面內(nèi)與易磁化軸成不同角度時,不同條件下晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜室溫的磁化強(qiáng)度-磁場強(qiáng)度(M-H)曲線.圖5給出了非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜室溫的M-H曲線.具體的Ms和Hc的結(jié)果如圖6所示.可以看出,晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的3個角度的M-H曲線基本不重合,說明晶態(tài)薄膜都具有面內(nèi)磁各向異性,而施加磁場后面內(nèi)各向異性明顯增強(qiáng).這是由于不同晶粒內(nèi)的Sm含量不同,易磁化的方向也不相同,而施加磁場后產(chǎn)生的磁場誘導(dǎo)各向異性與易磁化方向也會不同[22],從而使薄膜具有較大的磁各向異性.而對于非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜,3個角度的M-H基本重合,說明薄膜具有面內(nèi)各向同性,這與磁場會在無序的Sm-Fe薄膜中誘導(dǎo)出各向異性的結(jié)果不同[18],這說明本文制備的Sm33.0Fe67.0薄膜中不存在納米團(tuán)簇等納米晶組織.另外,還可以看出,晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜具有較大的矩形比,而非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的矩形比較小.同時,非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的飽和磁場明顯大于晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的飽和磁場,這是由于非晶態(tài)薄膜的磁性較小,需要較大的磁場才能將薄膜磁化到飽和.這也說明薄膜的Ms和Hc與薄膜的組織形態(tài)、薄膜厚度和生長時施加的磁場有關(guān).

圖3 (a)晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜表面顆粒尺寸;(b)非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜表面顆粒尺寸;(c)晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜表面線粗糙度;(d)非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜表面線粗糙度Fig.3.(a)Surface particle size of crystalline Sm5.8Fe94.2 film;(b)surface particle size of amorphous Sm33.0Fe67.0 film;(c)surface line roughness of crystalline Sm5.8Fe94.2 film;(d)surface line roughness of amorphous Sm33.0Fe67.0 film.

圖4 測量磁場在膜面內(nèi)與易磁化軸成不同角度時,不同條件下晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜室溫M-H曲線 (a)20 nm,0 T;(b)20 nm,6 T;(c)50 nm,0 T;(d)50 nm,6 T;(e)200 nm,0 T;(f)200 nm,6 TFig.4.Room temperature M-H curves of crystalline Sm5.8Fe94.2 film under different conditions at different angles between measured magnetic field and easy magnetization axis in the plane of the films:(a)20 nm,0 T;(b)20 nm,6 T;(c)50 nm,0 T;(d)50 nm,6 T;(e)200 nm,0 T;(f)200 nm,6 T.

薄膜的Ms和Hc具體值如圖6所示,施加磁場后,無論是晶態(tài)還是非晶態(tài)薄膜的Ms都降低了,強(qiáng)磁場使晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的Ms平均降低45.8%,而使非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的Ms平均降低55.5%.而非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的Ms比晶態(tài)薄膜的Ms平均也降低了47.6%.Ms的降低是單位體積內(nèi)磁自旋量子數(shù)減少.由于非晶態(tài)組織的磁性較小,所以非晶態(tài)薄膜的Ms要比晶態(tài)的Ms小.另外,施加強(qiáng)磁場后,表面的無序狀組織明顯增多,這會增加弱磁性非晶態(tài)組織,造成強(qiáng)磁場作用下薄膜的Ms降低.50 nm的Sm5.8Fe94.2薄膜的Ms值約為1466 emu/cm3(1 emu/cm3=4π×10?10T),此值比非晶態(tài)Sm-Fe薄膜的1190 emu/cm3要高[23],而比相同條件下生長的純Fe薄膜的Ms值略高(約1422 emu/cm3)[24].而Ms隨厚度的增加而降低的現(xiàn)象與先前的研究結(jié)果類似[25].

本研究的Hc最大值為130 Oe,這比先前的Sm-Fe薄膜的Hc少2—3個數(shù)量級[11],這主要是因為在薄膜中沒有形成SmFe2等相[12].非晶態(tài)薄膜的Hc比晶態(tài)薄膜的Hc大,這是由于非晶態(tài)組織磁性弱難以磁化反轉(zhuǎn).對晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜來說,施加磁場后Hc增大,這是薄膜的顆粒尺寸增大造成的.而對于非晶態(tài)薄膜,施加強(qiáng)磁場后,Hc明顯減小,可能是非晶態(tài)薄膜在生長時施加的磁場使非晶態(tài)組織發(fā)生了預(yù)磁化,因此在磁滯回線測量時,磁疇容易發(fā)生反轉(zhuǎn).這個結(jié)果也表明,強(qiáng)磁場可以大幅降低非晶態(tài)薄膜的Hc,最高可以降低95%.這為不同晶態(tài)薄膜磁性能的控制提供了一種途徑.

圖5 測量磁場在膜面內(nèi)與易磁化軸成不同角度時,不同條件下非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜室溫M-H曲線 (a)20 nm,0 T;(b)20 nm,6 T;(c)50 nm,0 T;(d)50 nm,6 T;(e)200 nm,0 T;(f)200 nm,6 TFig.5.Room temperature M-H curves of amorphous Sm33.0Fe67.0 film under different conditions at different angles between measured magnetic field and easy magnetization axis in the plane of the films:(a)20 nm,0 T;(b)20 nm,6 T;(c)50 nm,0 T;(d)50 nm,6 T;(e)200 nm,0 T;(f)200 nm,6 T.

圖6 (a)晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms;(b)非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms;(c)晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的矯頑力Hc;(d)非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的矯頑力HcFig.6.(a)Saturated magnetization Msof crystalline Sm5.8Fe94.2 film;(b)saturated magnetization Ms of amorphous Sm33.0Fe67.0 film;(c)coercivity Hcof crystalline Sm5.8Fe94.2 film;(d)coercivity Hcof amorphous Sm33.0Fe67.0 film.

4 結(jié) 論

本文研究了強(qiáng)磁場、膜厚和Sm含量對分子束氣相沉積Sm-Fe薄膜晶態(tài)和非晶態(tài)組織演化和磁性能的影響,結(jié)果表明含量和強(qiáng)磁場可以用于調(diào)控Sm-Fe薄膜的晶態(tài)和磁性能.主要結(jié)論如下.

1)Sm含量可以調(diào)節(jié)Sm-Fe薄膜的晶態(tài)組織演化,Sm含量為5.8%的Sm5.8Fe94.2薄膜是bcc晶態(tài)組織,而在Sm含量為33.0%時,Sm33.0Fe67.0薄膜為非晶態(tài).非晶態(tài)薄膜的表面粗糙度和表面顆粒尺寸都比晶態(tài)薄膜的小,施加6 T強(qiáng)磁場會使表面顆粒尺寸增大,而表面粗糙度降低.

2)晶態(tài)組織的演化和強(qiáng)磁場對磁性能有顯著影響.非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的Ms比晶態(tài)Sm5.8Fe94.2薄膜的Ms(1466 emu/cm3)低47.6%.施加6 T強(qiáng)磁場會使非晶態(tài)和晶態(tài)薄膜的Ms均降低約50%.非晶態(tài)Sm33.0Fe67.0薄膜的Hc比晶態(tài)薄膜的Hc大.施加6 T強(qiáng)磁場使晶態(tài)薄膜的Hc增大,而使非晶態(tài)薄膜的Hc減小,最高可以減少95%.

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