低維磁性材料在傳感器、存儲器、自旋電子器件等方面的潛在應用已經引起人們的高度關注。磁各向異性是低維磁性材料的重要指標之一,也是其在上述領域應用的基礎。因此對低維磁性材料磁各向異性的調控顯得尤為重要。在低維磁性材料中,外延金屬磁性薄膜具有優(yōu)良的性能而被廣泛研究,其中應變誘導的磁各向異性為調控外延金屬磁性薄膜磁學特性提供了良好的途徑。本文采用磁控濺射(Magnetron Sputtering)技術制備高質量外延Ni磁性薄膜,研究了應變效應對Ni薄膜磁各向異性的調控機理。取得的主要實驗結果如下:(1)采用磁控濺射法在(001)取向的SrTiO3(STO)單晶襯底上制備了面心立方結構的金屬鎳(Ni)薄膜。通過優(yōu)化薄膜沉積的工藝參數(shù),確定的最佳沉積工藝參數(shù)如下:襯底溫度500℃、沉積壓強0.5 Pa、靶基距50 mm、濺射功率60W、退火溫度500°C、退火時間30min。XRD測試結果表明此工藝條件下沉積薄膜沿(001)晶面族取向生長,薄膜結晶度良好。AFM和XRR測試結果表明薄膜表面平整,晶粒大小均勻。磁學測試結果表明薄膜在室溫下具有良好的鐵磁性及面內面外磁各向異性。(2)采用磁控濺射優(yōu)化工藝,在不同取向的Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3(PMN-PT)單晶襯底上制備了(001)、(110)、(111)不同取向的外延Ni薄膜。XRD衍射圖譜表明,三種不同取向PMN-PT單晶襯底上生長的Ni薄膜均與襯底保持外延生長。AFM和XRR的結果表明薄膜表面光滑平整,薄膜厚度為25 nm。根據(jù)XRD結果計算了三種不同取向薄膜的應變。薄膜在面內受到張應變,而在面外受到壓應變,結果與RSM獲得的一致。通過對三種外延薄膜的面內與面外磁滯回線的測量發(fā)現(xiàn),(111)取向的薄膜具有最強的磁各向異性;而(001)取向薄膜比(110)取向薄膜具有更強的磁各向異性。通過計算不同取向Ni薄膜的應變誘導磁彈能表明,(110)取向的薄膜相比于(001)取向的薄膜有更大的應變誘導磁彈能,(110)取向薄膜的自由能更高,磁各向異性場低,因而(001)取向的薄膜表現(xiàn)出比(110)取向薄膜更強的磁各向異性。對于(111)取向的薄膜,其磁彈能低導致自由能最低,磁各向異性場大,因此具有最強的磁各向異性。由于襯底具有壓電性,選取(110)取向樣品襯底施加電場使襯底產生應變,通過界面的磁電耦合調控薄膜的磁各向異性。利用薄膜與單晶襯底間的晶格失配,調控薄膜的應變狀態(tài)從而調控Ni薄膜的磁各向異性。采用最優(yōu)生長工藝在(001)取向的LAO、PMN-PT、MgA12O4(MAO)、MgO單晶襯底上制備了 Ni薄膜。XRD衍射分析表明,四種不同襯底上生長的Ni薄膜均沿著襯底外延生長,結晶性良好。AFM和XRR的測試結果表明薄膜表面光滑平整,其厚度為30 nm。根據(jù)XRD測試結果分析了四種不同襯底上生長的薄膜應變狀態(tài)。通過測試不同樣品室溫下的面內面外磁滯回線,發(fā)現(xiàn)外延薄膜的磁化狀態(tài)與其應變狀態(tài)有關,結果表明利用雙軸應變可以調控外延薄膜的磁各向異性。為調控微電子器件的磁學性能提供了思路。(3)采用磁控濺射最優(yōu)化工藝,在(001)取向的PMN-PT單晶襯底上制備Ni薄膜,研究緩沖層對Ni薄膜磁各向異性的調控作用。當在薄膜與襯底之間插入惰性金屬Ta后,釋放了薄膜的固有應力,表現(xiàn)出面內面外磁各向異性。隨著緩沖層厚度增加,晶體結構變化,磁各向異性減小。利用脈沖激光沉積的方法在PMN-PT單晶襯底和Ni薄膜之間制備SrRu03(SRO)薄膜作為緩沖層,由于SRO緩沖層的引入產生界面效應,增強了襯底和薄膜間的位錯,導致應變狀態(tài)發(fā)生改變,影響體系的磁各向異性和飽和磁化強度。磁滯回線結果表明薄膜面內與面外方向上表現(xiàn)出強磁各向異性。隨著緩沖層厚度的增加,磁各向異性場增強。通過引入緩沖層進行定向設計,實現(xiàn)對體系磁各向異性的調控。上述實驗結果有助于能更好的理解薄膜的磁各向異性,而且為調控磁各向異性提供了新的實驗思路和手段。
【學位單位】：湖北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.2
【部分圖文】：

壓應力）面外晶格參數(shù)的伸縮二維圖；（ｂ）薄膜外延生長時晶格受到拉（壓；）應力時的面外晶??格參數(shù)的伸縮變化三維圖。??薄膜生長在襯底上受到壓應力和拉應力的示意圖如圖１．１所示。薄膜保持應力的前??提是與襯底晶格相匹配，因此利用應力調控薄膜的物理性能需要考慮襯底與薄膜之間的??晶格失配度。表１．１表不常用的單晶襯底的結構和相應的晶格參數(shù)。晶格失配是表征??薄膜所受應力大小的重要參數(shù)：??２ｉａｒａｓ）??Ｊ?（ａ／＋ａｓ）?ａ／＋〇ｓ?〇－ｆ?Ｋ?Ｊ??２??

通過ＸＲＤ測試發(fā)現(xiàn)兩種ＣｏＦｅ２〇４薄膜的晶格常數(shù)不同。沒有ＳｒＲｕＯｓ緩沖層的樣品ｃ?＜?ａ；??插入緩沖層后表明沒有插入緩沖層的薄膜受到面內拉伸應變，插入緩沖層后薄??膜受到面內壓縮應變。如圖１．３所示，通過測試樣品在室溫下的磁滯回線發(fā)現(xiàn)插入緩沖??層后，薄膜的易軸從面外方向翻轉到面內方向。表明引入緩沖層可以明顯改變薄膜的應??變狀態(tài)，最終調控薄膜的磁各向異性。２０１０年，Ｘ．Ｗ．Ｗａｎｇ［４２］等人利用晶格失配改變薄??膜的應變狀態(tài)來調控薄膜的磁學性能，他們利用ＰＬＤ的方法在（００１）?ＳｒＴｉ０３、（００１）??ＬａＡｌＣｂ和（００１）?ＭｇＯ上制備了單層的７０?ｎｍ厚度的ＳｒＲｕ０３薄膜。ＳｒＲｕＣｂ是４ｄ過渡族??鐵磁金屬氧化物，屬于正交晶系，其三個方向的晶格參數(shù)分別為ｆｌ＝５．５７?Ａ，?６?＝５．５３?Ａ，ｃ??＝７．８４Ａ［４２］。襯底的晶格常數(shù)分別是?ｆｌＳＴ〇?＝?３．７９Ａ，〇ｌＡＯ＝３．９〇Ａ?和《Ｍｇ〇＝４．２ｌＡ。晶格失??配分別是０．６４％，３．５６％和６．７％。將ＳＲ０看成贗立方進行計算，晶格常數(shù)為３．９３?Ａ［４２］。??因此在ＳＴＯ和ＬＡＯ襯底上沉積的薄膜受到面內壓縮應變，在ＭｇＯ襯底上沉積的薄膜??受到面內拉伸應變。測試薄膜的磁學性能發(fā)現(xiàn)

用磁控濺射的方法在聚對苯二甲酸乙二醇酯（ＰＥＴ）柔性襯底上沉積１５０?ｎｍ厚的Ｆｅ８１Ｇａ１９??薄膜，頂電極Ａｕ的厚度為５ｎｍ。利用ＶＳＭＬａｋｅｓｈｏｒｅ７４１０測試不同方向上和施加不同機??械應力下薄膜的磁滯回線。如圖１．５所示，通過彎曲襯底給薄膜施加不同的機械應力，當??磁場分別平行于易軸方向和難軸方向時，施加０％？０．７８％的拉應力，剩磁比從０．８６減小到??０．２９。而在－０．２６％的壓應力下，剩磁比又增加到０．８９；繼續(xù)增大壓縮應變，磁滯回線矩??形度和矯頑力變得很難得到進一步改變。當磁場沿著難軸方向時，剩磁比從沒有壓應力??狀態(tài)下的０．３７調控到受０．７８％拉伸應變狀態(tài)下的０．１９；而易軸方向剩磁比在０．７８％的壓縮??應變狀態(tài)下為０．７９。因此，可以通過給柔性襯底施加應力改變薄膜的磁滯回線矩形度和??磁各向異性
【參考文獻】

相關博士學位論文 前1條

1 楊遠俊;典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結構、電磁性能的應變調控[D];中國科學技術大學;2013年

本文編號：2870178