ITO/CoFeB/ITO/Ag多層異質磁納米結構薄膜的制備及其磁光克爾效應的研究

韓澤欣，張偉偉，趙翠翠，宋玉軍

（1.唐山市第一中學，河北唐山，063000；2.北京科技大學數理學院，北京，100083；3. 北京市磁光電復合材料與界面科學北京市重點實驗室，北京，100083)

0 引言

本文利用磁控濺射法制備了氧化銦錫（ITO）（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質磁納米結構薄膜。選擇具有在可見光下化學性質穩定、折射率高（大于2）、消光系數較小（小于0.5）的ITO層構建法布里-珀羅諧振腔實現了室溫下對CoFeB薄膜磁光效應的有效調控，使得縱向磁光克爾偏轉角比在單層的CoFeB薄膜有了明顯提高。

1 實驗部分

本實驗用磁控濺射的方法將多層異質磁納米結構ITO/CoFeB/ITO（x）/Ag按 照 Ag、ITO、CoFeB、ITO的 順 序 自下而上依次沉積到備好的玻璃襯底上。其中磁控真空度達到9.8×10-4Pa。對ITO、Ag采用直流濺射的方法，功率密度2.54W/cm2,充入氬氣壓強控制在2Pa，流速為80sccm。對CoFeB采用射頻濺射的方法，功率密度是5.09W/cm2，充入氬氣壓強控制在0.1Pa，流速為80sccm。各層薄膜厚度用光學橢偏儀進行監測，通過控制沉積時間調節各層薄膜的厚度。其中CoFeB、Ag的沉積厚度分別為 36nm，56nm。頂層ITO的厚度為10nm，中間插入層ITO的厚度分別取10nm,15nm和20nm。

利用自行搭建的磁光測量裝置在室溫下對樣品的縱向克爾效應（磁場在入射面內且平行于樣品表面，光源選用波長為660nm的線偏振光，入射角為45°。）進行表征。樣品在室溫下的反射率由帶積分球的UV-Vis-NIR分光光度計(PerkinElmer, UV950)得出。

2 結果與討論

2.1 樣品的磁光性質

圖1 室溫下,在波長660 nm的線偏振光的照射下，厚度為36 nm的純CoFeB薄膜和中間層ITO厚度不同的ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質磁納米薄膜的縱向磁光克爾曲線（a）純CoFeB薄膜；（b）x = 10 nm；（c）x = 15 nm；（d）x = 20 nm。

如圖1是室溫下在波長660nm線偏振光的照射下，厚度為36nm的純CoFeB薄膜和中間層ITO厚度不同的ITO（10nm）/CoFeB(36nm)/ITO(x)/Ag(56nm)多層異質磁納米薄膜的縱向磁光克爾曲線。由圖1可知，各樣品的縱向克爾偏轉角在16000A/m下已經達到飽和。取飽和磁場下的縱向克爾偏轉角進行比較,發現單層CoFeB薄膜的偏轉角相對較小，為129mdeg。多層異質磁納米薄膜的偏轉角相對較大，其中，中間層ITO厚度分別為10nm，15nm，20nm時，縱向克爾偏轉角分別為230mdeg，303mgeg,287mdeg。中間層ITO厚度為15nm時，縱向克爾偏轉角是單層CoFeB薄膜的2.34倍。說明ITO（10nm）/CoFeB(36nm)/ITO(x)/Ag(56nm)多層異質磁納米結構能明顯增強磁光克爾效應，且可以通過改變中間層ITO厚度可以實現室溫下對縱向克爾偏轉角的調控。為了探究多層結構增強磁光克爾效應的物理機理我們對各樣品的反射率進行了測試。

2.2 樣品的光學性質

圖2 室溫下純CoFeB薄膜和多層異質磁納米薄膜的反射率隨波長變化的曲線。棕色虛線橫坐標為660nm。

圖2 是室溫下波長范圍為400 nm-800 nm 時，CoFeB厚度為36 nm的單層膜和中間層ITO厚度不同的ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質磁納米薄膜的反射率隨波長變化曲線。由圖2可知單層CoFeB薄膜的反射率較大且隨波長變化基本不變,穩定在40%以上。而多層異質磁性納米結構 ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）的反射率對中間層ITO的厚度的變化比較敏感并且在所測波長范圍內低于30%，并在600 nm到750 nm之間出現極小值。這是由于在多層異質磁納米結構中存在著由ITO構成的雙層法布里-珀羅光學腔。正是這種腔的效應引起了多層膜表面反射光的干涉相消，使反射的能量降低。

當波長為660 nm時，多層磁納米結構磁光克爾效應的增強（圖1）與反射率的降低（圖2）是聯系在一起的。并且通過對中間層ITO厚度的調控發現當其厚度為15 nm時多層異質磁性薄膜的反射率最小，這與磁光克爾角取最大值時的中間層ITO厚度相對應。這是由于由ITO層構成的雙光學腔使得光束在結構表面發生相消干涉，促使反射率相比于單層CoFeB薄膜大幅下降。我們知道，由于反射率的減小，反射的電磁能量降低。由能量守恒定律推測可知多層薄膜結構內部的光電場將會得到增強，即發生了腔的能量增強效應，使得光在薄膜內部多次反射，與磁性物質CoFeB薄膜的作用得到加強，最終得到較大的磁光克爾偏轉角。

3 結論

本文利用磁控濺射法制備了多層異質磁性納米結構并對其在室溫下的磁光克爾效應和反射率與相同厚度的單層CoFeB薄膜進行比較。研究表明：（1）室溫下 ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質磁性納米結構能夠明顯提高波長為660 nm的線偏振光下的縱向磁光克爾角。尤其是當中間層厚度為15 nm時，多層結構的磁光克爾角是單層 CoFeB 薄膜的 2.34 倍。（2）ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）復合結構可以明顯降低薄膜系統的反射率。這是由于系統中存在由ITO構成的法布里-珀羅光學腔，使得系統表面的光發生相消干涉。（3）磁光克爾角的增大與系統的反射率降低相對應。這是由于反射的電磁波能量降低，系統內部電磁波能量增強使得光與CoFeB薄膜的作用增強，進而增強了系統的磁光效應。