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*

刘文姝 高润亮 冯红梅 刘悦悦 黄怡 王建波2) 刘青芳†

1) (兰州大学, 磁学与磁性材料教育部重点实验室, 兰州 730000)

2) (兰州大学, 特殊功能材料与结构设计教育部重点实验室, 兰州 730000)

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.

1 引 言

近年来, 磁性薄膜广泛应用于磁记录[1,2]、滤波器[3]等高频电子器件中.随着人们生活质量不断提高, 对电子器件的要求也越来越高, 特别是其工作频率, 相应地, 对应用于其中的软磁材料的共振频率也提出了更高的要求, 根据Kittel方程[4], 制备具有高面内各向异性场Hk[5,6]的薄膜是提高软磁薄膜共振频率的有效方法.在实验中一般可以通过倾斜溅射[7,8]、磁场热处理等方法诱导面内单轴各向异性, 从而提高共振频率.然而, 高的面内单轴各向异性的存在不可避免地导致器件具有方向局限性, 这大大地限制了软磁薄膜在微波器件中的应用.研究表明, 具有条纹畴结构的薄膜在动态情况下具有转动各向异性, 从而可以解决高频电子器件方向性的问题.条纹畴的形成是各向异性能、退磁能、交换作用能和畴壁能相互竞争达到能量最小时形成的畴结构[9], 在这种畴结构中, 薄膜的磁矩周期性向上或向下排列, 并且与膜面有一个夹角[10,11].当施加一个足够大的外磁场时, 条纹畴的方向就会重新取向.坡莫合金是人们最早研究条纹畴结构的体系之一[12−14], Ben Youssef等[15]详细研究了厚度对条纹畴高频性能的影响.接着许多研究者研究了Co[16], FeCo[17], CoZr[18], FeCoHf[19], FeCoAlON[20]等磁性较强的体系中的条纹畴结构.与这些磁性强的体系相比, 磁性比较弱的Ni基合金磁性薄膜关于条纹畴的研究较少.Ni具有较大的磁致伸缩系数, 导致磁矩进动过程中阻尼较大, 不利于高频方向的应用.将少量的Cu掺杂到Ni薄膜中有利于降低其磁致伸缩系数, 从而有利于高频性能的提高.本文利用射频磁控共溅射方法制备了一系列不同厚度的Ni88Cu12薄膜, 并对其进行不同温度的真空磁场热处理, 发现热处理后薄膜出现条纹畴结构的临界厚度变小, 并可在小范围内对共振频率进行调控.

2 实验方法

本文采用射频磁控共溅射方法在2 cm ×2 cm的Si(100)衬底上制备了一系列不同厚度的Ni88Cu12薄膜(图1).实验中使用的靶材是纯度为99.9%的纯Ni靶, 在Ni靶表面均匀贴上铜片进行共溅射, 采用倾斜角度为25°的样品托进行斜溅射.溅射过程中, 系统本底真空值为 4.7 × 10–5Pa, 溅射气体使用的是高纯Ar气, 溅射气压为0.5 Pa,溅射功率是100 W.实验中通过控制沉积时间改变薄膜的厚度, 溅射沉积速率为 0.104 nm/s, 其中52 nm 的 Ni88Cu12薄膜溅射时间为 500 s.薄膜制备完成后, 将样品分成两组, 一组直接测试, 另外一组进行真空磁场热处理之后进行测试, 磁场强度为 4000 Oe ( 1 Oe=1/4π ×10−3A/m ).热处理温度为 300 ℃ 和 400 ℃.热处理时真空优于 3 ×10–5Pa, 保温 30 min 后自然冷却.

图1 斜溅射制备磁性薄膜示意图 (HA, 难轴方向)Fig.1.Schematic diagram of oblique sputtering for preparing magnetic films (HA, hard axis).

利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和振动样品磁强计(VSM)分别测试了所制备薄膜的结构、形貌和静态磁性, 使用X射线反射法测试膜厚.使用能量色散谱(EDS)确定薄膜的成分.使用磁力显微镜(MFM)观察了薄膜表面的磁畴结构, 在测试MFM图像时, 先在薄膜面内易轴(EA)方向施加约为2000 Oe的磁场, 使条纹方向沿面内加场方向, 将磁场退掉后测试MFM图像.采用矢量网络分析仪(PNA E8363B)和单端短路微带线法测试样品的高频磁谱, 测试频率范围为 100 MHz—9 GHz.以上所有测量均在室温进行.

3 实验结果与分析

图2(a)—(c)分别为未经热处理的Ni88Cu12薄膜在不同厚度下的MFM图像.实验中, 在膜厚为52, 105和157 nm的薄膜中未观察到明显的条纹畴结构, 图2(a)仅显示了 105 nm 时的情况.当膜厚达到210 nm时薄膜中出现了条纹畴结构, 畴宽约为 150 nm, 随着膜厚的增加, 条纹畴结构更加明显, 如图2(c)所示, 畴宽增加, 约为 180 nm.图2(d)为不同厚度的Ni88Cu12薄膜的面内归一化磁滞回线, 测试方向为薄膜 EA 方向.可以看出, 随着膜厚的增加, 出现条纹畴结构后, 面内磁滞回线的Mr/Ms急剧下降.在较薄的薄膜中 Mr/Ms较大, 也未观察到条纹畴结构, 说明比较薄的薄膜中磁矩更趋向于在面内排列.而当薄膜较厚时, 会有一部分磁矩偏离膜面, 从而在面外会有一个垂直分量[10].可以用Q来表示磁矩偏离膜面的情况:

其中Kp是垂直各向异性常数, Ms是饱和磁化强度.Q 是垂直各向异性能和退磁能的比值, 当Q < 1时, 薄膜中的磁矩趋向于在面内排列.当 Q > 1时,超过临界厚度tc, 薄膜中磁矩排列与面内具有一定的夹角, 产生在面外交替的垂直分量, 当畴壁能大于退磁能, 会形成磁矩在面外交替排列的条纹畴,相邻条纹间畴壁处的磁矩呈现螺旋排列, 相邻条纹畴磁矩交替向上或向下排列, 当退磁能大于畴壁能时, 磁矩只能在面内排列, 不能形成条纹畴[21−24].当薄膜厚度增加到一个临界值时, 垂直于膜面排列的磁矩增加, 磁滞回线结果表现为Mr/Ms减小, 实验中发现厚度达到210 nm时出现明显的条纹畴结构, 这一结果与文献 [25]报道类似, 因此, 我们猜测未热处理的Ni88Cu12薄膜出现条纹畴的临界厚度在 157 —210 nm 之间.

图2 未进行热处理的膜厚为 (a) 105 nm, (b) 210 nm 和 (c) 262 nm 的 Ni88Cu12 薄膜的 MFM 图像; (d)不同厚度 Ni88Cu12 薄膜的面内归一化磁滞回线; (e)薄膜的Mr/Ms随薄膜厚度的变化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.

图3 (a) 厚 度 为 105 nm 的 Ni88Cu12 薄 膜 热 处理 前 后 的XRD图谱; 厚度为 105 nm的 Ni88Cu12薄膜在 (b)热处理前、(c) 300 ºC 热处理后和 (d) 400 ºC 热处理后的SEM 形貌图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.

图3是厚度105 nm的Ni88Cu12薄膜在不同热处理温度下的XRD图谱和相应的SEM形貌图.从图3(a)可以看出, 热处理前后的样品均出现了Ni88Cu12合金 (111)面的衍射峰, 其 2q ≈ 44.5°,根据谢乐公式[26], 利用主衍射峰的半高宽, 估算出热处理前样品的晶粒尺寸约为11 nm, 400 ℃热处理后晶粒长大, 约为 16 nm.在热处理前, 薄膜表面十分致密, 经过300 ℃热处理后表面形貌发生了变化, 400 ℃热处理后薄膜表面形貌与300 ℃相比变得更为致密.我们猜测表面形貌的变化是因为薄膜300 ℃热处理后晶粒长大, 与周围的晶粒固溶, 因而在成核点附近的晶粒长大, 从而形成岛状; 而400 ℃热处理后晶粒进一步长大, 覆盖晶粒间的空隙, 形成相对致密的表层.

图4(a)是厚度为105 nm的Ni88Cu12薄膜在热处理前后的归一化磁滞回线, 可以看出, 热处理后薄膜的饱和场Hs发生了变化, 由300 ℃时的745 Oe 变为 400 ℃ 的 1350 Oe, 热处理温度升高,Hs变大, 并且随着 Hs的变大, Mr/Ms从 300 ℃ 的0.52 减小至400 ℃ 的0.24.除了52 nm 的Ni88Cu12薄膜之外, 其他厚度的薄膜经过热处理后都呈现出典型条纹畴结构的磁滞回线[12], MFM结果也观察到明显的条纹畴结构.随着热处理温度的升高, 条纹畴变得越明显, 如图4(d)所示.而热处理前的磁滞回线是没有条纹畴特征的回线, MFM测试的结果也没有观察到条纹畴结构, 如图4(b)所示.值得一提的是, 在300 ℃热处理后薄膜出现了条纹畴结构, 而热处理前薄膜厚度增加至210 nm才出现条纹畴结构, 这表明300 ℃热处理会降低Ni88Cu12薄膜出现条纹畴的临界厚度.300 ℃热处理后条纹畴出现的临界厚度在52—105 nm之间.除了厚度为52 nm的薄膜外, 其他厚度的Ni88Cu12薄膜的Hs和Mr/Ms也表现出类似的性质.这是因为热处理后, 52 nm厚度的Ni88Cu12薄膜仍未达到条纹畴出现的临界厚度, 所以没有观测到条纹畴结构.

图4 (a)厚度为 105 nm 的 Ni88Cu12薄膜在热处理前后的归一化磁滞回线; (b)厚度为 105 nm 的 Ni88Cu12薄膜在热处理前、(c) 300 ℃ 热处理后和 (d) 400 ℃ 热处理后的 MFM 图像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 ℃热处理后Ni88Cu12薄膜的临界厚度降低, 主要是垂直各向异性常数Kp的增加所致, 可以根据饱和场Hs和临界厚度tc的关系式[27]进行说明:

其中t是Ni88Cu12薄膜的厚度.热处理前, 厚度为105 nm的Ni88Cu12薄膜并没有出现条纹畴结构,Mr/Ms较大, 为0.78, 即薄膜面外排列的磁矩很少,Q < 1, 临界厚度推测在 157—210 nm 之间.而厚度为105 nm的Ni88Cu12薄膜经过300 ℃的热处理后, 出现了明显的条纹畴结构, 说明薄膜面外排列的磁矩增加, 此时的 Q > 1, 临界厚度明显减小至105 nm以下, 而经过热处理后Hs有明显的增加, 因此, 可以根据 (2) 式推测出 Kp增大, 从而导致条纹畴的出现.由此, 可以得到300 ℃热处理会降低Ni88Cu12薄膜出现条纹畴的临界厚度.300 ℃热处理后条纹畴出现的临界厚度在52—105 nm之间.

图5给出了厚度为105 nm的Ni88Cu12薄膜样品热处理前后的磁谱图, 可知薄膜在经过热处理后共振峰线宽变窄.热处理前Ni88Cu12薄膜的自然共振频率约为 2.1 GHz, 在 300 ℃ 热处理后减小至 1.95 GHz, 在 400 ℃ 热处理后又增长至 2.0 GHz.根据 Kittel[4]方程:

其中, γ 是旋磁比, 4πMs是饱和磁化强度, Hk是各向异性场.在热处理前薄膜具有弱各向异性, 通过磁滞回线面积法计算可得, 厚度为105 nm的Ni88Cu12薄膜具有28 Oe的面内单轴各向异性场,经过热处理后薄膜面内单轴各向异性几乎消失.因此薄膜在热处理前自然共振频率较高, 热处理后面内单轴各向异性几乎消失, 影响样品共振频率的因素主要是 4πMs, 300 ℃ 热处理的 Ni88Cu12薄膜与未热处理的薄膜相比 4πMs下降, 为 3.01 × 105A/m,而 400 ℃ 热处理后 4πMs增加, 为 5.9 × 105A/m.因此共振频率随着 4πMs变化而变化.由此, 可通过调节热处理温度来小范围调控共振频率.另外热处理后薄膜的共振峰线宽变窄, 这可能是由于热处理后薄膜内部应力得到释放, 薄膜内部结构不均匀和磁无序现象减少, 导致阻尼变小, 从而导致热处理后薄膜的共振峰变窄, 这一点与文献[28−30]结果类似.经过热处理后的薄膜共振峰变窄, 则可以通过热处理温度的不同对薄膜的高频性能进行调节.

图5 厚度为 105 nm 的 Ni88Cu12 薄膜热处理前后磁谱Fig.5.Permeability spectra of 105 nm-thick Ni88Cu12 film before and after heat treatment.

4 结 论

利用射频磁控共溅射方法制备了一系列不同厚度的Ni88Cu12薄膜, 对制备态的薄膜, 当厚度达到210 nm时出现明显的条纹畴结构.不同厚度的Ni88Cu12薄膜热处理后晶粒长大, 并且随着热处理温度的不同呈现出不同的形貌; 厚度为105 nm的Ni88Cu12薄膜经过热处理后剩磁比Mr/Ms下降,饱和场Hs增加, 导致Kp增加, 进而热处理后条纹畴出现的临界厚度降低.热处理前后的Ni88Cu12薄膜磁谱测试表明, 经过热处理后的样品共振峰变窄, 可以小范围调控共振频率.