基于矢量磁光克爾效應測試的外延磁性薄膜磁化翻轉與反磁化機制研究

馮心薇，張 慧，薛珂磊，詹清峰

(華東師范大學 物理與電子科學學院，上海 200241)

近年來，磁性薄膜被廣泛應用于磁電子學的各個領域[1-2]，如信息存儲[3-4]、磁傳感器[5]、微波通信[6]等. 不同應用領域需要具備不同性能的磁性薄膜，因此磁性薄膜性質的研究成為廣大研究者關注的熱點. 本文重點介紹了華東師范大學在外延磁性薄膜與異質結領域中的研究進展，主要包括:外延磁性薄膜中單軸磁各向異性的調控及其對磁化翻轉的影響,外延交換偏置異質結中單軸磁各向異性的調控及其對磁化翻轉的影響,外延磁性薄膜與交換偏置異質結中疇壁形核與位移反磁化機制. 展示了磁光克爾效應測試在磁學研究中的廣泛應用.

1 外延磁性薄膜的反磁化機制

磁性薄膜主要是由能夠直接或間接產生磁性的Fe,Co,Ni等過渡族金屬及其化合物制備而成. 外延磁性薄膜是指在單晶襯底上生長的具有和單晶襯底相同晶向或者薄膜的某個結晶取向的晶格常量與單晶襯底的晶格常量相匹配的磁性薄膜. 因此，外延生長的磁性薄膜都是單晶薄膜，單晶磁性薄膜與多晶磁性薄膜的主要區別在于與晶軸取向相關的磁晶各向異性.

目前常用的外延磁性薄膜制備手段有分子束外延(Molecular beam epitaxy, MBE)、磁控濺射(Magnetron sputtering, MS)以及離子束濺射(Ion beam sputtering, IBS). 通過控制沉積速率以及襯底溫度等參量，使薄膜能夠在適當的單晶襯底上外延生長.

磁性薄膜受到外加磁場的作用時，通過磁疇轉動和疇壁位移的方式，使新的磁疇結構替代原有磁疇. 從磁中性狀態變為所有磁疇取向都為外磁場方向的技術磁飽和狀態的過程稱為磁化過程，從一個方向的技術飽和磁化狀態變為相反方向的技術飽和磁化狀態的過程稱為反磁化過程. 反磁化機制主要包括2種理論模型，分別是Stoner-wohlfarth模型和疇壁形核與位移模型. Stoner-wohlfarth模型也稱一致轉動模型，該理論假定磁性材料由單疇粒子的集合構成，磁化強度的改變只能通過粒子磁矩在外磁場的作用下抵抗磁各向異性的一致轉動來實現. 疇壁形核與位移模型是指在外磁場的作用下，小區域的反磁化核逐步長大成為反磁化疇，并出現疇壁，進而進行可逆和不可逆疇壁位移，即在反磁化過程中分別經歷磁疇生長和疇壁位移2個階段.

2 矢量磁光克爾效應測試系統與方法

磁光克爾效應(Magneto-optic Kerr effect, MOKE)是指線偏振光經過磁性材料表面，其反射光的偏振態發生變化的現象. MOKE測試是一種高靈敏的測試技術，可以表征磁性薄膜的面內和面外磁性[7]. 研究外延磁性薄膜反磁化機制，表征磁化翻轉路徑，需要同時測量磁化矢量平行外磁場的縱向分量mx和垂直外磁場的橫向分量my，如圖1所示[8].

圖1 外延磁性薄膜的磁化矢量示意圖

矢量MOKE測試裝置如圖2所示，主要由He-Ne激光器、起偏器、四極磁鐵、檢偏器、光彈調制器、光電檢測器組成. 通過四極磁鐵可以對樣品表面施加x方向和y方向磁場. 保持光平面不變，通過改變磁場方向并旋轉樣品，利用縱向克爾效應可以測出mx和my.

圖2 矢量磁光克爾效應測試系統示意圖

具體操作方法為：

1)使用x方向的1對磁極，基于縱向MOKE測量，得到mx(正比于克爾角θK)隨外磁場的變化關系，即縱向磁滯回線；

2)將外磁場切換到y方向，同時將樣品旋轉90°，使my處于光入射面內，而磁場方向垂直于my.基于縱向MOKE測量，得到my(正比于克爾角θK)隨外磁場的變化關系，即橫向磁滯回線；

3)通過平面內旋轉樣品，改變磁場H與易磁化軸的夾角φ，獲得不同磁場方向下的縱向與橫向磁滯回線，得到磁化翻轉場的角度依賴關系.

3 實驗研究進展

外延磁性薄膜表現出內稟磁晶各向異性K1，對于具有體心立方結構的Fe，磁晶各向異性在面內具有四重對稱性，如圖1所示.此外，由于單晶襯底的斜切以及傾斜生長等原因，單晶外延磁性薄膜中還會額外引入1個感生單軸磁各向異性Ku[9].對于單晶外延交換偏置異質結，鐵磁層與反鐵磁層界面處的交換耦合作用會給鐵磁層施加1個單向磁各向異性Keb，并誘導出1個Ku.通過傾斜生長，可以在鐵磁層中獲得另外1個Ku.由于這3種磁各向異性的共同作用，外延磁性薄膜和交換偏置異質結在不同外磁場方向下表現出不同的磁化翻轉行為，磁化翻轉場表現出復雜的角度依賴關系.

采用矢量MOKE系統通過測試磁化矢量的縱向分量mx和橫向分量my，研究了Keb和Ku的強度與方向對外延磁性薄膜與異質結磁化翻轉行為影響的規律，建立了兩步連續和分立發生的90°疇壁形核與位移反磁化機制，闡明了外延磁性薄膜與異質結的反磁化行為.

3.1 外延磁性薄膜中單軸磁各向異性的調控及其對磁化翻轉的影響

利用MBE技術在MgO(001)單晶襯底上采用150 ℃的襯底溫度外延生長厚度分別為20 nm和100 nm的2種Fe薄膜. 反射高能電子衍射(Reflection high-energy electron diffraction, RHEED)沿Fe[110]方向測試表現為條紋狀，表明薄膜為原子有序的單晶態，如圖3(a)所示. 掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscopy, STM)測試表明Fe薄膜表面呈現30 nm大小的顆粒狀，如圖3(b)所示. Fe薄膜在真空中700 ℃退火1 h后，顆粒狀表面變得非常平整，達到原子級平整度，如圖3(c)所示. 使用2 keV的Ar離子束沿Fe[110]方向以60°入射轟擊100 nm薄膜樣品表面200 min，薄膜表面呈現出沿Fe[110]方向橫向周期為35 nm的條紋狀形貌結構，如圖3(d)所示. Ar離子束刻蝕不僅能夠有效改變薄膜的表面形貌，還能夠減小樣品厚度，經過Ar離子刻蝕處理的外延Fe薄膜樣品，X射線反射(X-ray reflectivity, XRR)測試表明其厚度僅為20 nm.

(a)RHEED譜 (b)STM表面形貌圖

(c)退火后表面形貌 (d)Fe[110]方向表面形貌圖3 外延Fe/MgO薄膜在制備態時的形貌[10]

矢量MOKE測試表明，經過和未經過Ar離子束表面刻蝕處理的樣品，當外磁場沿Fe[100]方向測試時，磁化矢量的縱向分量M‖表現為單步跳躍的矩形磁滯回線，對應180°磁化翻轉過程，磁化翻轉場也就是矯頑場Hc;磁化矢量的橫向分量M⊥信號很弱，表明反磁化機制為疇壁形核與位移過程，如圖4(a)所示.

(a)沿Fe[100]方向

(b)與Fe[100]方向夾角25°圖4 外延薄膜在不同磁場方向下的磁滯回線[10]

當外磁場遠離Fe[100]方向時，磁化矢量的縱向分量M‖和橫向分量M⊥均表現為兩步跳躍的臺階型磁滯回線，對應2次90°磁化翻轉過程，2個磁化翻轉場分別為Hc1和Hc2，如圖4(b)所示.

通過平面內旋轉樣品，改變磁場方向與Fe[100]方向的夾角，獲得磁化翻轉場的角度依賴關系. 由于磁化翻轉場由磁各向異性決定，因此磁化翻轉場的角度依賴關系對稱性以及單步跳躍矩形磁滯回線和兩步跳躍臺階型磁滯回線存在的磁場方向區間直接反映了磁性薄膜的磁各向異性.

未經過Ar離子刻蝕處理的Fe/MgO(001)薄膜的磁化翻轉場與不同類型磁滯回線發生的磁場區間沿面內Fe[100]方向對稱，表明感生單軸磁各向異性沿Fe[100]方向，與有關Fe/MgO(001)的研究報道中磁各向異性構型相同[11]，如圖5(a)所示. 經過Ar離子刻蝕處理的Fe/MgO(001)薄膜的磁化翻轉場與磁滯回線發生磁場區間沿面內Fe[110]方向對稱，表明感生單軸磁各向異性沿著Fe[110]方向，如圖5(b)所示.

(a)未經過Ar離子束定向刻蝕

(b)經過Ar離子束定向刻蝕圖5 外延Fe/MgO(001)薄膜在不同磁場方向下的 磁化翻轉場的角度依賴關系[10]

這種磁各向異性構型通常能夠在Fe/GaAs(001)薄膜中被觀察到，但是從未在Fe/MgO(001)薄膜中被觀察到[12]. 通過離子束刻蝕定向修飾外延Fe薄膜表面，由于表面晶粒形狀的取向性，產生沿Fe[110]方向的單軸磁各向異性，獲得有別于以往Fe/MgO(001)相關研究工作的全新磁各向異性構型[10].

傾斜生長是在磁性薄膜中誘導產生單軸磁各向異性的常用方法，其原理為生長過程中薄膜晶粒產生的自遮蔽效應[13]，從而薄膜表面晶粒在垂直原子入射方向上被拉長，由于晶粒的形狀呈現各向異性，導致薄膜表現出垂直于原子入射方向的單軸磁各向異性. 在Fe/MgO(001)薄膜外延生長過程中，改變Fe原子束流與襯底法線方向的傾斜生長夾角，控制原子束流的平面內方位角沿Fe[010]或Fe[110]方向.

(a)單步

(b) 兩步

(c)“反型”兩步

(d)三步圖6 傾斜生長外延Fe/MgO(001)薄膜的磁滯回線[14]

生長在不同單晶襯底上的外延磁性薄膜通常都會出現感生單軸磁各向異性，疊加在內稟四重對稱磁晶各向異性上，這個感生單軸磁各向異性的來源有多種可能，例如，在Fe/GaAs(001)薄膜中觀察到的單軸磁各向異性歸因于GaAs襯底表面懸掛鍵的單軸特性[15]；生長在臺階表面的Fe薄膜由于奈爾表面效應會表現出1個垂直于原子臺階的單軸磁各向異性[16]；傾斜生長由于自遮蔽效應會表現出1個垂直于原子束流方向的單軸磁各向異性[17].

為研究外延Fe/MgO(001)薄膜中單軸磁各向異性來源的物理機制，制備厚度為5～100 nm的外延Fe/MgO(001)薄膜. 在薄膜生長過程中，通過不斷旋轉襯底的方法，避免傾斜生長導致的單軸磁各向異性. 利用矢量MOKE測試獲得薄膜在不同磁場方向下的磁化翻轉場，利用疇壁形核與位移模型對磁化翻轉場的角度依賴關系進行擬合，能夠定量獲得單軸磁各向異性Ku與90°疇壁形核能ε90°，如圖7所示.

圖7 外延Fe/MgO(001)薄膜的單軸磁各向異性Ku及90°疇壁形核能ε90°與Fe層厚度成反比[9]

薄膜的單軸磁各向異性和疇壁形核能均與Fe層厚度成反比，表明單軸磁各向異性與疇壁形核能均來自于與界面相關的物理效應. 由于單晶襯底斜切導致的原子臺階是薄膜單軸磁各向異性的最主要可能來源. 此外，晶格失配產生的外延應變由于磁致伸縮效應而產生的磁應力各向異性也是單軸磁各向異性的可能來源. 異質外延生長在界面處會存在位錯等結構缺陷，對疇壁位移起到釘扎作用，從而增大疇壁形核能[9].

3.2 外延交換偏置異質結中單軸磁各向異性的調控及其對磁化翻轉的影響

交換偏置效應是鐵磁/反鐵磁異質結由于界面交換耦合作用導致磁滯回線偏離中心的現象. 反鐵磁界面磁結構是決定界面交換耦合的重要因素，不同的界面磁結構導致不同的界面交換耦合方式，根據鐵磁矩與反鐵磁矩取向之間的關系，可以分為平行耦合與垂直耦合[18]. 以往對于鐵磁/反鐵磁交換偏置異質結的研究，磁性層大多以多晶形式存在，而單晶外延交換偏置體系由于制備困難而很少被關注.

相比多晶體系，外延交換偏置異質結的界面磁結構更容易控制，通過改變制備工藝可以獲得補償或非補償的反鐵磁界面，從而產生不同的界面交換耦合方式與交換偏置特性. MnPd是具有CuAu-I型原子有序結構的反鐵磁合金，奈爾溫度為540 ℃，晶格常量a=0.407 nm,c=0.358 nm，如圖8(a)所示. 通過精確控制襯底溫度，在MgO(001)單晶襯底上獲得了MnPd的c軸取向生長(補償反鐵磁面)和a軸取向生長(非補償反鐵磁面)，如圖8(b)和8(c)所示，不同取向生長的反鐵磁層與Fe層構成的外延交換偏置異質結表現出截然不同的磁學性質[19].

(a)MnPd原子結構

(b)補償反鐵磁表面 (c)非補償反鐵磁表面圖8 具有CuAu-I型原子有序結構的MnPd 反鐵磁合金表面特性

圖9是外延生長的MnPd/Fe異質結的X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)圖，a軸取向樣品表現出MnPd(200)和Fe(002)峰，c軸取向樣品表現出MnPd(001)，MnPd(002)和Fe(002)峰，表明外延生長關系分別是MnPd(100)[100]||Fe(001)[110]||MgO(001)[100]和MnPd(001)[100]||Fe(001)[110]||MgO(001)[100].a軸取向的MnPd/Fe異質結，Fe層厚度固定為10 nm，晶格常量為0.288 nm. 隨著MnPd層厚度從5 nm增加到75 nm，MnPd的晶格常量逐漸從0.392 nm增加到0.400 nm，表明由于晶格失配導致的外延應變隨著薄膜厚度的增加而通過產生結構缺陷的方式逐漸被釋放.

(a)a軸取向

(b)c軸取向圖9 不同軸取向生長的外延MnPd/Fe/MgO(001) 異質結的X射線衍射圖[20]

(a)MnPd厚度20 nm

(b)MnPd厚度30 nm

(c)界面鐵磁/反鐵磁交換耦合作用隨MnPd厚度變化圖10 MnPd/Fe異質結磁性變化趨勢[20]

(a)偏離中心的單步跳躍矩形磁滯回線

(b)“雙邊”兩步跳躍臺階磁滯回線

(c)“單邊”兩步跳躍臺階磁滯回線

(d)上行支單步、下行支兩步的非對稱磁滯回線圖11 外延MnPd/Fe交換偏置異質結的磁化翻轉

當磁場沿Fe[100]方向垂直交換偏置時，外延交換偏置異質結表現出“單邊”兩步跳躍磁化翻轉過程，磁化矢量的橫向分量表明磁滯回線上下行支都經過Fe[010]交換偏置方向，如圖11(c)所示. 隨著反鐵磁層厚度增大，交換偏置場逐漸增大，例如MnPd厚度為75 nm時，樣品在偏離Fe[010]方向20°交換偏置時呈現出上行支單步、下行支兩步的非對稱磁滯回線，如圖11(d)所示.

通過疇壁形核模型對磁化翻轉場的角度依賴關系進行擬合，結果表明交換偏置單向磁各向異性Keb、單軸磁各向異性Ku、疇壁形核能ε90°隨著反鐵磁厚度的增加而變大，當MnPd層厚度達到75 nm時還未達到飽和，明顯區別于多晶交換偏置體系[21].

根據交換偏置反鐵磁疇理論，反鐵磁層中的結構缺陷導致反鐵磁疇的產生，導致未補償反鐵磁矩和交換偏置[22]. 外延單晶反鐵磁薄膜中的缺陷較少，隨著反鐵磁層厚度增加，結構缺陷的產生使得外延應變逐漸被釋放,反鐵磁疇尺寸逐漸減小，從而使得交換偏置及其誘導的單軸磁各向異性不斷增大. 界面結構缺陷同時對鐵磁疇形成釘扎作用，使得疇壁形核能不斷增大.

利用矢量MOKE，可以研究不同磁各向異性構型對外延交換偏置異質結磁化翻轉過程的影響規律. 具有傳統Ku∥Keb磁各向異性構型的IrMn/FeGa異質結在不同磁場方向下表現出類似MnPd/Fe體系中的單步跳躍矩形磁滯回線，“雙邊”與“單邊”兩步跳躍臺階磁滯回線，以及上行支單步、下行支兩步的非對稱磁滯回線.

通過傾斜生長控制可以獲得具有Ku⊥Keb磁各向異性構型的IrMn /FeGa樣品，實驗結果如圖12所示.

(a)新型非對稱磁化翻轉

(b)具有交換偏置的三步磁化翻轉

(c)上行支路徑 (d)下行支路徑 圖12 具有Ku⊥Keb磁各向異性構型的IrMn /FeGa樣品，一定磁場方向的磁化翻轉行為及相應的磁化翻轉路徑

3.3 外延磁性薄膜與交換偏置異質結中疇壁形核與位移反磁化機制

外延磁性薄膜與交換偏置異質結表現出多種磁化翻轉過程，具體磁化翻轉路徑由磁晶各向異性、單軸磁各向異性、單向磁各向異性，以及不同方向下施加的外磁場共同決定. 劍橋大學Cowburn等人認為180°磁化翻轉遵從180°疇壁形核機制，90°磁化翻轉遵從90°疇壁形核機制，相應的能量為180°疇壁形核能和90°疇壁形核能[24-25]. Cowburn等人建立的模型能夠解釋外延磁性薄膜中90°磁化翻轉場的角度依賴關系，但是并不能解釋180°磁化翻轉場的角度依賴關系[26]. 在Fe/MgO(001)薄膜中，180°磁化翻轉存在于單步跳躍矩形磁滯回線以及三步跳躍臺階磁滯回線的中間一步磁化翻轉[圖6(a)和6(d)].

(a)傾斜生長的樣品

(b)無傾斜生長的樣品

(c)經Ar離子刻蝕的樣品圖13 具有不同單軸磁各向異性的Fe/MgO(001)薄膜的磁化翻轉場的角度依賴關系[26]

為從理論上理解外延磁性薄膜與交換偏置異質結的磁化翻轉過程與反磁化機制，探究180°疇壁形核機制不能解釋180°磁化翻轉過程的原因，在Cowburn等人建立的疇壁形核與位移模型基礎上進一步推廣與補充. 外延磁性薄膜具有磁晶各向異性K1和單軸磁各向異性Ku，外延交換偏置異質結除此之外還具有交換偏置單向磁各向異性Keb. 因此，外延磁性薄膜與異質結中任意單疇的總自由能包括四重對稱磁晶各向異性能、單軸磁各向異性能、單向磁各向異性能和外磁場導致的塞曼能：

Kebcosθ-MHcos (φ-θ),

(1)

其中，M是磁化強度，H是外磁場強度，φ是H和[010]方向的夾角，θ是M和[010]方向的夾角，如圖14所示.

圖14 外延磁性薄膜與交換偏置異質結具有K1,Ku和Keb

外延磁性薄膜中，Keb=0.外延交換偏置異質結中，Keb≠0，Ku>0表明Ku沿[010]方向，Ku∥Keb；Ku<0表明Ku沿[100]方向，Ku⊥Keb.磁化強度在四重對稱磁晶各向異性易磁化方向之間的磁化翻轉場分別定義為Hc1～Hc4和HcI～HcIV.通過計算磁化翻轉過程中的終止軸和起始軸之間的能量差可以得到90°磁化翻轉場的理論表達式[23]：

(2)

其中，ε90°是90°疇壁形核能.

(3)

其中，ε180°是180°疇壁形核能.

(a)H=Hc (b)H=Hc1

(c)H=Hc1 (d)H=Hc2圖15 具有四重對稱磁晶各向異性和單軸磁各向異性的外延磁性薄膜體系在不同外磁場下的自由能曲線圖[9]

Cowburn等人認為180°磁化翻轉對應180°疇壁形核機制，簡單地以單一勢壘來考慮180°和0°之間的能量差，忽略了90°中間態仍存在能量最低點. 本文采用2次連續發生的90°疇壁形核機制能夠很好地解釋磁化翻轉場的角度依賴關系，能夠與2次分立發生的90°疇壁形核機制很好地統一[9]. 本文提出的模型能夠很好地擬合具有不同磁各向異性的外延磁性薄膜與外延交換偏置異質結的磁化翻轉場的角度依賴關系，進一步驗證了提出機制的正確性與普適性[27].

4 結束語

磁光克爾效應是很多高校開設的本科生近代物理實驗，利用磁光克爾效應能夠測試磁性薄膜的磁滯回線. 本文利用Ar離子束表面刻蝕處理、傾斜生長等技術調控外延磁性薄膜與交換偏置異質結的磁各向異性構型. 將矢量磁光克爾效應測試作為主要表征手段，通過測試磁化矢量的縱向與橫向分量，確定了外延磁性薄膜與交換偏置異質結的磁化翻轉路徑. 利用磁光克爾效應轉角測試獲得了外延磁性薄膜與交換偏置異質結的磁化翻轉場的角度依賴關系. 建立了基于疇壁形核與位移的反磁化機制模型，能夠很好地解釋外延磁性薄膜與異質結的各種磁化翻轉過程.