具有条纹磁畴结构的NiFe薄膜的制备与磁各向异性研究

具有条纹磁畴结构的磁性薄膜表现出面内转动磁各向异性,对于解决高频电子器件的方向性问题起着至关重要的作用.本文采用射频磁控溅射的方法,研究了NiFe薄膜的厚度、溅射功率密度、溅射气压等制备工艺参数对条纹磁畴结构、面内静态磁各向异性、面内转动磁各向异性、垂直磁各向异性的影响规律.研究发现,在功率密度15.6 W/cm^2与溅射气压2 mTorr(1 Torr=1.33322×102Pa)下生长的NiFe薄膜,表现出条纹磁畴的临界厚度在250 nm到300 nm之间.厚度为300 nm的薄膜比250 nm薄膜的垂直磁各向异性场增大近一倍,从而磁矩偏离膜面形成条纹磁畴结构,并表现出面内转动磁各向异性.高溅射功率密度可以降低薄膜出现条纹磁畴的临界厚度.在相同功率密度15.6 W/cm^2下生长300 nm的NiFe薄膜,随着溅射气压由2 mTorr增大到9 mTorr,NiFe薄膜的垂直磁各向异性场逐渐由1247.8 Oe(1 Oe=79.5775 A/m)增大到3248.0 Oe,面内转动磁各向异性场由72.5 Oe增大到141.9 Oe,条纹磁畴周期从0.53μm单调减小到0.24μm.NiFe薄膜的断面结构表明柱状晶的形成是表现出条纹磁畴结构的本质原因,高功率密度下低溅射气压有利于柱状晶结构的形成,表现出规整的条纹磁畴结构,高溅射气压会导致柱状晶纤细化,面内转动磁各向异性与面外垂直磁各向异性增强,条纹磁畴结构变得混乱.

真空磁场热处理温度对不同厚度的Ni88Cu12薄膜畴结构及磁性的影响

利用射频磁控共溅射方法,在Si衬底上制备了Ni88Cu12薄膜,并且研究了膜厚以及真空磁场热处理温度对畴结构和磁性的影响. X射线衍射结果表明热处理后的薄膜晶粒长大,扫描电子显微镜结果发现不同热处理温度下薄膜表现出不同的形貌特征.热处理前后的薄膜面内归一化磁滞回线结果显示,经过热处理的Ni88Cu12薄膜条纹畴形成的临界厚度降低,未热处理的Ni88Cu12薄膜在膜厚为210 nm时出现条纹畴结构,而经过300℃热处理的Ni88Cu12薄膜在膜厚为105 nm就出现了条纹畴结构.高频磁谱的结果表明,随着热处理温度的增加, Ni88Cu12薄膜的共振峰会有小范围的移动.

Tb/FeCo多层膜的垂直交换偏置效应

采用磁控溅射方法,制备结构为Glass/Cu(60 nm)/[Tb(tTb=1.5,3.0 nm)/FeCo(1.5 nm)]5/Ta(10 nm)的两种不同Tb子层厚度的多层膜。采用X射线衍射分析仪、原子力和磁力显微镜、振动样品磁强计对样品的晶体结构、磁畴结构和室温磁性质进行表征,研究该多层膜系统的垂直磁各向异性和垂直交换偏置效应。X射线衍射分析表明,多层膜中Tb/FeCo界面主要呈非晶或纳米晶态。磁力显微镜结果显示,制备态薄膜均呈现迷宫状条纹磁畴结构。室温磁性测量表明,薄膜的易磁化方向都垂直膜面,垂直矫顽力分别为122和351 kA/m。在由这两种多层膜组合而成的Glass/Cu(60 nm)/[Tb(1.5 nm)/FeCo(1.5 nm)]2/[Tb(3.0 nm)/FeCo(1.5 nm)]5/Ta(10 nm)软磁/硬磁型多层膜中发现交换偏置场为20 kA/m的垂直交换偏置效应,这一效应的发现对Tb/FeCo多层膜在现代超快磁存储器中的应用具有重要意义。

倾斜溅射对CoFeB薄膜条纹磁畴结构与磁各向异性的影响

利用倾斜溅射的方法制备了非晶Co Fe B磁性薄膜,研究了倾斜溅射对非晶Co Fe B磁性薄膜条纹磁畴结构、面内静态磁各向异性、面内转动磁各向异性、垂直磁各向异性的影响规律。结果表明,倾斜溅射可以有效地降低Co Fe B非晶薄膜条纹磁畴结构出现的临界厚度,无倾斜溅射时,Co Fe B薄膜出现条纹磁畴结构的临界厚度大于240 nm,倾斜溅射时,出现条纹磁畴结构的临界厚度小于240 nm。磁性测试结果表明,对于具有条纹磁畴结构的Co Fe B薄膜,倾斜溅射不仅可以提高磁性薄膜的面内静态磁各向异性的强度,同时还可以增强面内转动磁各向异性与垂直磁各向异性的强度。随着倾斜溅射角度的逐渐增大,磁各向异性的强度均呈现增大的趋势。XRD和TEM观测结果证明,Co Fe B薄膜趋于非晶结构,同时,SEM观察结果表明,Co Fe B薄膜虽然不存在长程有序的晶体结构,但依然可以形成柱状结构,由于倾斜溅射技术,形成的柱状结构呈倾斜状态,从而增强了薄膜的垂直磁各向异性,导致条纹磁畴结构的出现。

Nd含量对磁控溅射Si(111)/Cr/Nd-Co/Cr薄膜结构与磁性的影响

采用磁控溅射技术制备了系列Si(111)/Cr(10 nm)/NdCox(400 nm)/Cr(10 nm)薄膜,其中,Co/Nd原子比x=2.5~7.2。利用XRD、SEM、AFM/MFM、VSM等手段研究了Nd含量对制备态薄膜垂直磁各向异性(PMA)与磁畴结构及退火态薄膜相结构与磁性的影响规律。结果表明,随着Nd含量的变化,制备态Nd-Co薄膜的垂直磁各向异性能Ku在x=5.2附近存在一个较宽的峰,峰值处Ku=(80±5) kJ/m3。MFM图像的相移均方根偏差(Δφrms)在临界成分χ=5.2处也存在最大值,其成分依赖关系与Ku-x的变化趋势一致。薄膜应力诱导的磁弹各向异性是导致溅射Nd-Co非晶薄膜PMA的主要原因。经过在600℃真空快速退火后,所有薄膜均析出了Nd2Co17、NdCo2、Nd4Co3等金属间化合物,而NdCo5±x相纳米晶只在Nd过量(至少4%,原子分数)的χ=2.5和3.8薄膜中才被观测到,同时还伴随着Nd2Co7共生相的析出。室温磁性测试结果表明,NdCo5±x和Nd2Co7相纳米晶的析出,导致χ=2.5和3.8薄膜面内矫顽力(分别为Hc-in=54和51 kA/m)显著增强;而x≥4.4样品的面内矫顽力保持在低值(Hc-in=4~8 kA/m)范围内。