ITO/CoFeB/ITO/Ag多层异质磁纳米结构薄膜的制备及其磁光克尔效应的研究

韩泽欣，张伟伟，赵翠翠，宋玉军

（1.唐山市第一中学，河北唐山，063000；2.北京科技大学数理学院，北京，100083；3. 北京市磁光电复合材料与界面科学北京市重点实验室，北京，100083)

0 引言

本文利用磁控溅射法制备了氧化铟锡（ITO）（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多层异质磁纳米结构薄膜。选择具有在可见光下化学性质稳定、折射率高（大于2）、消光系数较小（小于0.5）的ITO层构建法布里-珀罗谐振腔实现了室温下对CoFeB薄膜磁光效应的有效调控，使得纵向磁光克尔偏转角比在单层的CoFeB薄膜有了明显提高。

1 实验部分

本实验用磁控溅射的方法将多层异质磁纳米结构ITO/CoFeB/ITO（x）/Ag按 照 Ag、ITO、CoFeB、ITO的 顺 序 自下而上依次沉积到备好的玻璃衬底上。其中磁控真空度达到9.8×10-4Pa。对ITO、Ag采用直流溅射的方法，功率密度2.54W/cm2,充入氩气压强控制在2Pa，流速为80sccm。对CoFeB采用射频溅射的方法，功率密度是5.09W/cm2，充入氩气压强控制在0.1Pa，流速为80sccm。各层薄膜厚度用光学椭偏仪进行监测，通过控制沉积时间调节各层薄膜的厚度。其中CoFeB、Ag的沉积厚度分别为 36nm，56nm。顶层ITO的厚度为10nm，中间插入层ITO的厚度分别取10nm,15nm和20nm。

利用自行搭建的磁光测量装置在室温下对样品的纵向克尔效应（磁场在入射面内且平行于样品表面，光源选用波长为660nm的线偏振光，入射角为45°。）进行表征。样品在室温下的反射率由带积分球的UV-Vis-NIR分光光度计(PerkinElmer, UV950)得出。

2 结果与讨论

2.1 样品的磁光性质

图1 室温下,在波长660 nm的线偏振光的照射下，厚度为36 nm的纯CoFeB薄膜和中间层ITO厚度不同的ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多层异质磁纳米薄膜的纵向磁光克尔曲线（a）纯CoFeB薄膜；（b）x = 10 nm；（c）x = 15 nm；（d）x = 20 nm。

如图1是室温下在波长660nm线偏振光的照射下，厚度为36nm的纯CoFeB薄膜和中间层ITO厚度不同的ITO（10nm）/CoFeB(36nm)/ITO(x)/Ag(56nm)多层异质磁纳米薄膜的纵向磁光克尔曲线。由图1可知，各样品的纵向克尔偏转角在16000A/m下已经达到饱和。取饱和磁场下的纵向克尔偏转角进行比较,发现单层CoFeB薄膜的偏转角相对较小，为129mdeg。多层异质磁纳米薄膜的偏转角相对较大，其中，中间层ITO厚度分别为10nm，15nm，20nm时，纵向克尔偏转角分别为230mdeg，303mgeg,287mdeg。中间层ITO厚度为15nm时，纵向克尔偏转角是单层CoFeB薄膜的2.34倍。说明ITO（10nm）/CoFeB(36nm)/ITO(x)/Ag(56nm)多层异质磁纳米结构能明显增强磁光克尔效应，且可以通过改变中间层ITO厚度可以实现室温下对纵向克尔偏转角的调控。为了探究多层结构增强磁光克尔效应的物理机理我们对各样品的反射率进行了测试。

2.2 样品的光学性质

图2 室温下纯CoFeB薄膜和多层异质磁纳米薄膜的反射率随波长变化的曲线。棕色虚线横坐标为660nm。

图2 是室温下波长范围为400 nm-800 nm 时，CoFeB厚度为36 nm的单层膜和中间层ITO厚度不同的ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多层异质磁纳米薄膜的反射率随波长变化曲线。由图2可知单层CoFeB薄膜的反射率较大且随波长变化基本不变,稳定在40%以上。而多层异质磁性纳米结构 ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）的反射率对中间层ITO的厚度的变化比较敏感并且在所测波长范围内低于30%，并在600 nm到750 nm之间出现极小值。这是由于在多层异质磁纳米结构中存在着由ITO构成的双层法布里-珀罗光学腔。正是这种腔的效应引起了多层膜表面反射光的干涉相消，使反射的能量降低。

当波长为660 nm时，多层磁纳米结构磁光克尔效应的增强（图1）与反射率的降低（图2）是联系在一起的。并且通过对中间层ITO厚度的调控发现当其厚度为15 nm时多层异质磁性薄膜的反射率最小，这与磁光克尔角取最大值时的中间层ITO厚度相对应。这是由于由ITO层构成的双光学腔使得光束在结构表面发生相消干涉，促使反射率相比于单层CoFeB薄膜大幅下降。我们知道，由于反射率的减小，反射的电磁能量降低。由能量守恒定律推测可知多层薄膜结构内部的光电场将会得到增强，即发生了腔的能量增强效应，使得光在薄膜内部多次反射，与磁性物质CoFeB薄膜的作用得到加强，最终得到较大的磁光克尔偏转角。

3 结论

本文利用磁控溅射法制备了多层异质磁性纳米结构并对其在室温下的磁光克尔效应和反射率与相同厚度的单层CoFeB薄膜进行比较。研究表明：（1）室温下 ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多层异质磁性纳米结构能够明显提高波长为660 nm的线偏振光下的纵向磁光克尔角。尤其是当中间层厚度为15 nm时，多层结构的磁光克尔角是单层 CoFeB 薄膜的 2.34 倍。（2）ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）复合结构可以明显降低薄膜系统的反射率。这是由于系统中存在由ITO构成的法布里-珀罗光学腔，使得系统表面的光发生相消干涉。（3）磁光克尔角的增大与系统的反射率降低相对应。这是由于反射的电磁波能量降低，系统内部电磁波能量增强使得光与CoFeB薄膜的作用增强，进而增强了系统的磁光效应。