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(yīng)用已經(jīng)引起人們的高度關(guān)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(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此對低維磁性材料磁各向異性的調(diào)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(yīng)變誘導(dǎo)的磁各向異性為調(diào)控外延金屬磁性薄膜磁學(xué)特性提供了良好的途徑。本文采用磁控濺射(Magnetron Sputtering)技術(shù)制備高質(zhì)量外延Ni磁性薄膜,研究了應(yīng)變效應(yīng)對Ni薄膜磁各向異性的調(diào)控機理。取得的主要實驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)晶度良好。AFM和XRR測試結(jié)果表明薄膜表面平整,晶粒大小均勻。磁學(xué)測試結(jié)果表明薄膜在室溫下具有良好的鐵磁性及面內(nèi)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(jié)果表明薄膜表面光滑平整,薄膜厚度為25 nm。根據(jù)XRD結(jié)果計算了三種不同取向薄膜的應(yīng)變。薄膜在面內(nèi)受到張應(yīng)變,而在面外受到壓應(yīng)變,結(jié)果與RSM獲得的一致。通過對三種外延薄膜的面內(nèi)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(yīng)變誘導(dǎo)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(yīng)變誘導(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)生應(yīng)變,通過界面的磁電耦合調(diào)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(diào)控薄膜的應(yīng)變狀態(tài)從而調(diào)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(jié)晶性良好。AFM和XRR的測試結(jié)果表明薄膜表面光滑平整,其厚度為30 nm。根據(jù)XRD測試結(jié)果分析了四種不同襯底上生長的薄膜應(yīng)變狀態(tài)。通過測試不同樣品室溫下的面內(nèi)面外磁滯回線,發(fā)現(xiàn)外延薄膜的磁化狀態(tài)與其應(yīng)變狀態(tài)有關(guān),結(jié)果表明利用雙軸應(yīng)變可以調(diào)控外延薄膜的磁各向異性。為調(diào)控微電子器件的磁學(xué)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(diào)控作用。當(dāng)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(yīng)力,表現(xiàn)出面內(nèi)面外磁各向異性。隨著緩沖層厚度增加,晶體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生界面效應(yīng),增強了襯底和薄膜間的位錯,導(dǎo)致應(yīng)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(jié)果表明薄膜面內(nèi)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(shè)計,實現(xiàn)對體系磁各向異性的調(diào)控。上述實驗結(jié)果有助于能更好的理解薄膜的磁各向異性,而且為調(diào)控磁各向異性提供了新的實驗思路和手段。
【學(xué)位單位】：湖北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.2
【部分圖文】：

壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)力和拉應(yīng)力的示意圖如圖１．１所示。薄膜保持應(yīng)力的前??提是與襯底晶格相匹配，因此利用應(yīng)力調(diào)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(jié)構(gòu)和相應(yīng)的晶格參數(shù)。晶格失配是表征??薄膜所受應(yīng)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(nèi)拉伸應(yīng)變，插入緩沖層后薄??膜受到面內(nèi)壓縮應(yīng)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(zhuǎn)到面內(nèi)方向。表明引入緩沖層可以明顯改變薄膜的應(yīng)??變狀態(tài)，最終調(diào)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(yīng)變狀態(tài)來調(diào)控薄膜的磁學(xué)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(nèi)壓縮應(yīng)變，在ＭｇＯ襯底上沉積的薄膜??受到面內(nèi)拉伸應(yīng)變。測試薄膜的磁學(xué)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(yīng)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(yīng)力，當(dāng)??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(yīng)力，剩磁比從０．８６減小到??０．２９。而在－０．２６％的壓應(yīng)力下，剩磁比又增加到０．８９；繼續(xù)增大壓縮應(yīng)變，磁滯回線矩??形度和矯頑力變得很難得到進一步改變。當(dāng)磁場沿著難軸方向時，剩磁比從沒有壓應(yīng)力??狀態(tài)下的０．３７調(diào)控到受０．７８％拉伸應(yīng)變狀態(tài)下的０．１９；而易軸方向剩磁比在０．７８％的壓縮??應(yīng)變狀態(tài)下為０．７９。因此，可以通過給柔性襯底施加應(yīng)力改變薄膜的磁滯回線矩形度和??磁各向異性
【參考文獻】

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1 楊遠俊;典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能的應(yīng)變調(diào)控[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

本文編號：2870178