劉文姝 高潤亮 馮紅梅 劉悅悅 黃怡 王建波2) 劉青芳?

1) (蘭州大學(xué), 磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000)

2) (蘭州大學(xué), 特殊功能材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000)

利用射頻磁控共濺射方法, 在Si襯底上制備了Ni88Cu12薄膜, 并且研究了膜厚以及真空磁場熱處理溫度對(duì)疇結(jié)構(gòu)和磁性的影響.X射線衍射結(jié)果表明熱處理后的薄膜晶粒長大, 掃描電子顯微鏡結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同熱處理溫度下薄膜表現(xiàn)出不同的形貌特征.熱處理前后的薄膜面內(nèi)歸一化磁滯回線結(jié)果顯示, 經(jīng)過熱處理的Ni88Cu12薄膜條紋疇形成的臨界厚度降低, 未熱處理的Ni88Cu12薄膜在膜厚為210 nm時(shí)出現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu), 而經(jīng)過 300 ℃熱處理的Ni88Cu12薄膜在膜厚為105 nm就出現(xiàn)了條紋疇結(jié)構(gòu).高頻磁譜的結(jié)果表明, 隨著熱處理溫度的增加, Ni88Cu12薄膜的共振峰會(huì)有小范圍的移動(dòng).

1 引 言

近年來, 磁性薄膜廣泛應(yīng)用于磁記錄[1,2]、濾波器[3]等高頻電子器件中.隨著人們生活質(zhì)量不斷提高, 對(duì)電子器件的要求也越來越高, 特別是其工作頻率, 相應(yīng)地, 對(duì)應(yīng)用于其中的軟磁材料的共振頻率也提出了更高的要求, 根據(jù)Kittel方程[4], 制備具有高面內(nèi)各向異性場Hk[5,6]的薄膜是提高軟磁薄膜共振頻率的有效方法.在實(shí)驗(yàn)中一般可以通過傾斜濺射[7,8]、磁場熱處理等方法誘導(dǎo)面內(nèi)單軸各向異性, 從而提高共振頻率.然而, 高的面內(nèi)單軸各向異性的存在不可避免地導(dǎo)致器件具有方向局限性, 這大大地限制了軟磁薄膜在微波器件中的應(yīng)用.研究表明, 具有條紋疇結(jié)構(gòu)的薄膜在動(dòng)態(tài)情況下具有轉(zhuǎn)動(dòng)各向異性, 從而可以解決高頻電子器件方向性的問題.條紋疇的形成是各向異性能、退磁能、交換作用能和疇壁能相互競爭達(dá)到能量最小時(shí)形成的疇結(jié)構(gòu)[9], 在這種疇結(jié)構(gòu)中, 薄膜的磁矩周期性向上或向下排列, 并且與膜面有一個(gè)夾角[10,11].當(dāng)施加一個(gè)足夠大的外磁場時(shí), 條紋疇的方向就會(huì)重新取向.坡莫合金是人們最早研究條紋疇結(jié)構(gòu)的體系之一[12?14], Ben Youssef等[15]詳細(xì)研究了厚度對(duì)條紋疇高頻性能的影響.接著許多研究者研究了Co[16], FeCo[17], CoZr[18], FeCoHf[19], FeCoAlON[20]等磁性較強(qiáng)的體系中的條紋疇結(jié)構(gòu).與這些磁性強(qiáng)的體系相比, 磁性比較弱的Ni基合金磁性薄膜關(guān)于條紋疇的研究較少.Ni具有較大的磁致伸縮系數(shù), 導(dǎo)致磁矩進(jìn)動(dòng)過程中阻尼較大, 不利于高頻方向的應(yīng)用.將少量的Cu摻雜到Ni薄膜中有利于降低其磁致伸縮系數(shù), 從而有利于高頻性能的提高.本文利用射頻磁控共濺射方法制備了一系列不同厚度的Ni88Cu12薄膜, 并對(duì)其進(jìn)行不同溫度的真空磁場熱處理, 發(fā)現(xiàn)熱處理后薄膜出現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu)的臨界厚度變小, 并可在小范圍內(nèi)對(duì)共振頻率進(jìn)行調(diào)控.

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用射頻磁控共濺射方法在2 cm ×2 cm的Si(100)襯底上制備了一系列不同厚度的Ni88Cu12薄膜(圖1).實(shí)驗(yàn)中使用的靶材是純度為99.9%的純Ni靶, 在Ni靶表面均勻貼上銅片進(jìn)行共濺射, 采用傾斜角度為25°的樣品托進(jìn)行斜濺射.濺射過程中, 系統(tǒng)本底真空值為 4.7 × 10–5Pa, 濺射氣體使用的是高純Ar氣, 濺射氣壓為0.5 Pa,濺射功率是100 W.實(shí)驗(yàn)中通過控制沉積時(shí)間改變薄膜的厚度, 濺射沉積速率為 0.104 nm/s, 其中52 nm 的 Ni88Cu12薄膜濺射時(shí)間為 500 s.薄膜制備完成后, 將樣品分成兩組, 一組直接測試, 另外一組進(jìn)行真空磁場熱處理之后進(jìn)行測試, 磁場強(qiáng)度為 4000 Oe ( 1 Oe=1/4π ×10?3A/m ).熱處理溫度為 300 ℃ 和 400 ℃.熱處理時(shí)真空優(yōu)于 3 ×10–5Pa, 保溫 30 min 后自然冷卻.

圖1 斜濺射制備磁性薄膜示意圖 (HA, 難軸方向)Fig.1.Schematic diagram of oblique sputtering for preparing magnetic films (HA, hard axis).

利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)分別測試了所制備薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌和靜態(tài)磁性, 使用X射線反射法測試膜厚.使用能量色散譜(EDS)確定薄膜的成分.使用磁力顯微鏡(MFM)觀察了薄膜表面的磁疇結(jié)構(gòu), 在測試MFM圖像時(shí), 先在薄膜面內(nèi)易軸(EA)方向施加約為2000 Oe的磁場, 使條紋方向沿面內(nèi)加場方向, 將磁場退掉后測試MFM圖像.采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA E8363B)和單端短路微帶線法測試樣品的高頻磁譜, 測試頻率范圍為 100 MHz—9 GHz.以上所有測量均在室溫進(jìn)行.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2(a)—(c)分別為未經(jīng)熱處理的Ni88Cu12薄膜在不同厚度下的MFM圖像.實(shí)驗(yàn)中, 在膜厚為52, 105和157 nm的薄膜中未觀察到明顯的條紋疇結(jié)構(gòu), 圖2(a)僅顯示了 105 nm 時(shí)的情況.當(dāng)膜厚達(dá)到210 nm時(shí)薄膜中出現(xiàn)了條紋疇結(jié)構(gòu), 疇寬約為 150 nm, 隨著膜厚的增加, 條紋疇結(jié)構(gòu)更加明顯, 如圖2(c)所示, 疇寬增加, 約為 180 nm.圖2(d)為不同厚度的Ni88Cu12薄膜的面內(nèi)歸一化磁滯回線, 測試方向?yàn)楸∧?EA 方向.可以看出, 隨著膜厚的增加, 出現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu)后, 面內(nèi)磁滯回線的Mr/Ms急劇下降.在較薄的薄膜中 Mr/Ms較大, 也未觀察到條紋疇結(jié)構(gòu), 說明比較薄的薄膜中磁矩更趨向于在面內(nèi)排列.而當(dāng)薄膜較厚時(shí), 會(huì)有一部分磁矩偏離膜面, 從而在面外會(huì)有一個(gè)垂直分量[10].可以用Q來表示磁矩偏離膜面的情況:

其中Kp是垂直各向異性常數(shù), Ms是飽和磁化強(qiáng)度.Q 是垂直各向異性能和退磁能的比值, 當(dāng)Q < 1時(shí), 薄膜中的磁矩趨向于在面內(nèi)排列.當(dāng) Q > 1時(shí),超過臨界厚度tc, 薄膜中磁矩排列與面內(nèi)具有一定的夾角, 產(chǎn)生在面外交替的垂直分量, 當(dāng)疇壁能大于退磁能, 會(huì)形成磁矩在面外交替排列的條紋疇,相鄰條紋間疇壁處的磁矩呈現(xiàn)螺旋排列, 相鄰條紋疇磁矩交替向上或向下排列, 當(dāng)退磁能大于疇壁能時(shí), 磁矩只能在面內(nèi)排列, 不能形成條紋疇[21?24].當(dāng)薄膜厚度增加到一個(gè)臨界值時(shí), 垂直于膜面排列的磁矩增加, 磁滯回線結(jié)果表現(xiàn)為Mr/Ms減小, 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)厚度達(dá)到210 nm時(shí)出現(xiàn)明顯的條紋疇結(jié)構(gòu), 這一結(jié)果與文獻(xiàn) [25]報(bào)道類似, 因此, 我們猜測未熱處理的Ni88Cu12薄膜出現(xiàn)條紋疇的臨界厚度在 157 —210 nm 之間.

圖2 未進(jìn)行熱處理的膜厚為 (a) 105 nm, (b) 210 nm 和 (c) 262 nm 的 Ni88Cu12 薄膜的 MFM 圖像; (d)不同厚度 Ni88Cu12 薄膜的面內(nèi)歸一化磁滯回線; (e)薄膜的Mr/Ms隨薄膜厚度的變化Fig.2.The MFM images of (a) 105 nm, (b) 210 nm and (c) 262 nm-thick Ni88Cu12 films before heat treatment; (d) in-plane normalized hysteresis loop of Ni88Cu12; (e) remanence ratio vs.film thickness.

圖3 (a) 厚 度 為 105 nm 的 Ni88Cu12 薄 膜 熱 處理 前 后 的XRD圖譜; 厚度為 105 nm的 Ni88Cu12薄膜在 (b)熱處理前、(c) 300 oC 熱處理后和 (d) 400 oC 熱處理后的SEM 形貌圖Fig.3.(a) XRD pattern of 105 nm-thick Ni88Cu12 film before and after heat treatment; the SEM surface morphology of 105 nm-thick Ni88Cu12 films (b) before heat treatment,(c) after 300 oC heat treatment, and (d) after 400 oC heat treatment.

圖3是厚度105 nm的Ni88Cu12薄膜在不同熱處理溫度下的XRD圖譜和相應(yīng)的SEM形貌圖.從圖3(a)可以看出, 熱處理前后的樣品均出現(xiàn)了Ni88Cu12合金 (111)面的衍射峰, 其 2q ≈ 44.5°,根據(jù)謝樂公式[26], 利用主衍射峰的半高寬, 估算出熱處理前樣品的晶粒尺寸約為11 nm, 400 ℃熱處理后晶粒長大, 約為 16 nm.在熱處理前, 薄膜表面十分致密, 經(jīng)過300 ℃熱處理后表面形貌發(fā)生了變化, 400 ℃熱處理后薄膜表面形貌與300 ℃相比變得更為致密.我們猜測表面形貌的變化是因?yàn)楸∧?00 ℃熱處理后晶粒長大, 與周圍的晶粒固溶, 因而在成核點(diǎn)附近的晶粒長大, 從而形成島狀; 而400 ℃熱處理后晶粒進(jìn)一步長大, 覆蓋晶粒間的空隙, 形成相對(duì)致密的表層.

圖4(a)是厚度為105 nm的Ni88Cu12薄膜在熱處理前后的歸一化磁滯回線, 可以看出, 熱處理后薄膜的飽和場Hs發(fā)生了變化, 由300 ℃時(shí)的745 Oe 變?yōu)?400 ℃ 的 1350 Oe, 熱處理溫度升高,Hs變大, 并且隨著 Hs的變大, Mr/Ms從 300 ℃ 的0.52 減小至400 ℃ 的0.24.除了52 nm 的Ni88Cu12薄膜之外, 其他厚度的薄膜經(jīng)過熱處理后都呈現(xiàn)出典型條紋疇結(jié)構(gòu)的磁滯回線[12], MFM結(jié)果也觀察到明顯的條紋疇結(jié)構(gòu).隨著熱處理溫度的升高, 條紋疇變得越明顯, 如圖4(d)所示.而熱處理前的磁滯回線是沒有條紋疇特征的回線, MFM測試的結(jié)果也沒有觀察到條紋疇結(jié)構(gòu), 如圖4(b)所示.值得一提的是, 在300 ℃熱處理后薄膜出現(xiàn)了條紋疇結(jié)構(gòu), 而熱處理前薄膜厚度增加至210 nm才出現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu), 這表明300 ℃熱處理會(huì)降低Ni88Cu12薄膜出現(xiàn)條紋疇的臨界厚度.300 ℃熱處理后條紋疇出現(xiàn)的臨界厚度在52—105 nm之間.除了厚度為52 nm的薄膜外, 其他厚度的Ni88Cu12薄膜的Hs和Mr/Ms也表現(xiàn)出類似的性質(zhì).這是因?yàn)闊崽幚砗? 52 nm厚度的Ni88Cu12薄膜仍未達(dá)到條紋疇出現(xiàn)的臨界厚度, 所以沒有觀測到條紋疇結(jié)構(gòu).

圖4 (a)厚度為 105 nm 的 Ni88Cu12薄膜在熱處理前后的歸一化磁滯回線; (b)厚度為 105 nm 的 Ni88Cu12薄膜在熱處理前、(c) 300 ℃ 熱處理后和 (d) 400 ℃ 熱處理后的 MFM 圖像Fig.4.(a) In-plane normalized hysteresis loop of 105 nm-thick Ni88Cu12 film before and after heat treatment; The MFM images of 105 nm-thick Ni88Cu12 films (b) before heat treatment, (c) after 300 oC heat treatment, and (d) after 400 oC heat treatment.

300 ℃熱處理后Ni88Cu12薄膜的臨界厚度降低, 主要是垂直各向異性常數(shù)Kp的增加所致, 可以根據(jù)飽和場Hs和臨界厚度tc的關(guān)系式[27]進(jìn)行說明:

其中t是Ni88Cu12薄膜的厚度.熱處理前, 厚度為105 nm的Ni88Cu12薄膜并沒有出現(xiàn)條紋疇結(jié)構(gòu),Mr/Ms較大, 為0.78, 即薄膜面外排列的磁矩很少,Q < 1, 臨界厚度推測在 157—210 nm 之間.而厚度為105 nm的Ni88Cu12薄膜經(jīng)過300 ℃的熱處理后, 出現(xiàn)了明顯的條紋疇結(jié)構(gòu), 說明薄膜面外排列的磁矩增加, 此時(shí)的 Q > 1, 臨界厚度明顯減小至105 nm以下, 而經(jīng)過熱處理后Hs有明顯的增加, 因此, 可以根據(jù) (2) 式推測出 Kp增大, 從而導(dǎo)致條紋疇的出現(xiàn).由此, 可以得到300 ℃熱處理會(huì)降低Ni88Cu12薄膜出現(xiàn)條紋疇的臨界厚度.300 ℃熱處理后條紋疇出現(xiàn)的臨界厚度在52—105 nm之間.

圖5給出了厚度為105 nm的Ni88Cu12薄膜樣品熱處理前后的磁譜圖, 可知薄膜在經(jīng)過熱處理后共振峰線寬變窄.熱處理前Ni88Cu12薄膜的自然共振頻率約為 2.1 GHz, 在 300 ℃ 熱處理后減小至 1.95 GHz, 在 400 ℃ 熱處理后又增長至 2.0 GHz.根據(jù) Kittel[4]方程:

其中, γ 是旋磁比, 4πMs是飽和磁化強(qiáng)度, Hk是各向異性場.在熱處理前薄膜具有弱各向異性, 通過磁滯回線面積法計(jì)算可得, 厚度為105 nm的Ni88Cu12薄膜具有28 Oe的面內(nèi)單軸各向異性場,經(jīng)過熱處理后薄膜面內(nèi)單軸各向異性幾乎消失.因此薄膜在熱處理前自然共振頻率較高, 熱處理后面內(nèi)單軸各向異性幾乎消失, 影響樣品共振頻率的因素主要是 4πMs, 300 ℃ 熱處理的 Ni88Cu12薄膜與未熱處理的薄膜相比 4πMs下降, 為 3.01 × 105A/m,而 400 ℃ 熱處理后 4πMs增加, 為 5.9 × 105A/m.因此共振頻率隨著 4πMs變化而變化.由此, 可通過調(diào)節(jié)熱處理溫度來小范圍調(diào)控共振頻率.另外熱處理后薄膜的共振峰線寬變窄, 這可能是由于熱處理后薄膜內(nèi)部應(yīng)力得到釋放, 薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和磁無序現(xiàn)象減少, 導(dǎo)致阻尼變小, 從而導(dǎo)致熱處理后薄膜的共振峰變窄, 這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[28?30]結(jié)果類似.經(jīng)過熱處理后的薄膜共振峰變窄, 則可以通過熱處理溫度的不同對(duì)薄膜的高頻性能進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖5 厚度為 105 nm 的 Ni88Cu12 薄膜熱處理前后磁譜Fig.5.Permeability spectra of 105 nm-thick Ni88Cu12 film before and after heat treatment.

4 結(jié) 論

利用射頻磁控共濺射方法制備了一系列不同厚度的Ni88Cu12薄膜, 對(duì)制備態(tài)的薄膜, 當(dāng)厚度達(dá)到210 nm時(shí)出現(xiàn)明顯的條紋疇結(jié)構(gòu).不同厚度的Ni88Cu12薄膜熱處理后晶粒長大, 并且隨著熱處理溫度的不同呈現(xiàn)出不同的形貌; 厚度為105 nm的Ni88Cu12薄膜經(jīng)過熱處理后剩磁比Mr/Ms下降,飽和場Hs增加, 導(dǎo)致Kp增加, 進(jìn)而熱處理后條紋疇出現(xiàn)的臨界厚度降低.熱處理前后的Ni88Cu12薄膜磁譜測試表明, 經(jīng)過熱處理后的樣品共振峰變窄, 可以小范圍調(diào)控共振頻率.