超高真空电子束蒸镀Fe/Ru多层膜的结构和磁性

耿魁伟, 曾 飞, 谷 宇, 李晓伟, 宋 成, 潘 峰

(清华大学 材料科学与工程系 先进材料教育部重点实验室, 北京 100084)

摘 要: 采用超高真空电子束蒸镀方法制备了Fe/Ru多层膜, Ru层厚度固定为2nm, Fe层厚度为0.6~5nm, 研究了Fe层厚度的变化对薄膜结构及其磁性能的影响。 Fe层厚度小于5nm时, 受Ru层HCP结构的影响, Fe层生长为六方晶格的亚稳相。 多层膜呈现明显的平面易磁化特性, 并随Fe厚度降低而减弱。 Fe的平均原子磁矩和Fe层厚度的倒数存在线性关系, 与死层理论预言的结果相一致。 实验结果证实, 亚稳相六方晶格的Fe具有铁磁性, 其平均原子磁矩计算值为1.9μ_B, 略低于BCC Fe, Fe/Ru界面层的死层厚度为0.25nm。

关键词: Fe/Ru多层膜; 电子束蒸镀; 磁性; 死层; 亚稳相 中图分类号: TM278; TB43

文献标识码: A

Structural and magnetic properties of Fe/Ru multilayers prepared by ultra-high vacuum electron-gun evaporation

GENG Kui-wei, ZENG Fei, GU Yu, LI Xiao-wei, SONG Chen, PAN Feng

(Key Laboratory of Advanced Materials of Ministry of Education,Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: Fe/Ru multilayers were prepared by ultra-high vacuum electron-gun evaporation with Ru film thickness of 2nm and Fe film thickness of 0.6-5nm. The structure and magnetic properties of Fe/Ru multilayers were investigated. A metastable HCP Fe phase is obtained when thickness of Fe film (t_Fe) is less than 5nm. Magnetic measurement indicats that the metastable HCP Fe phase exhibits ferromagnetic behavior and has a magnetic moment of 1.9μ_B, which is a little less than BCC Fe. A linear relationship of the magnetic moment per atom versus 1/t_Fe is obtained which is in correspondence with “dead layer” theory very well. The interface thickness (d_int=0.25nm) is calculated which is less than reported before. It indicats that the preparation method affects the interface thickness.

Key words: Fe/Ru multilayers; electron-gun evaporation; magnetic properties; dead layer; metastable HCP iron

   近十几年来, 微电子技术的发展十分迅猛, 对电子元器件提出了更高要求。 多层膜结构除了具有一般薄膜的优点外, 通常还具有较好的信噪比、 较强的各向异性等特点, 加之其独特的超结构特性以及丰富的界面结构和相关的纳米现象, 因此多层膜的研究一直受到广泛关注。 Fe是磁性元素(Fe, Co, Ni)中原子磁矩最大的, 因此磁性多层膜中铁的结构和磁性及其相互关系一直是研究者的关注重点, 并进行了大量研究。 Fe和其他金属的多层膜系统中, Fe往往受组元金属的影响形成其他结构, 有较丰富的结构变化。 在Fe/Cu, Fe/Pt, Fe/Pd, Fe/Ti多层膜中得到了具有铁磁性的fcc结构的Fe^[1], 在Fe/Sb 中得到了菱形结构的Fe^[2]。

Fe和HCP金属之间一般存在着较大的晶格错配, 因此Fe容易在界面处形成非晶和亚稳结构, 如在Fe/Zr^[3]多层膜中, 当Fe层厚度小于2.5nm时形成非晶, 具有铁磁性, 有文献报道在t_Fe+t_Zr〈5nm时多层膜转变为非晶。 类似现象在其他Fe/HCP系统中也曾发现, 如在Fe/Gd, Fe/Dy, Fe/Tb 中得到了非晶Fe^[4-7]。 除此以外, Fe在界面处亚稳相的形成以及“死层”对其磁性的影响引起广泛兴趣。 “死层”理论就是基于Fe/Ru多层膜的研究提出的。

BCC Fe晶格常数为0.28665nm, 与HCP Ru有较大的晶格错配(Ru的晶格常数a=0.27059nm, c=0.42815nm), 界面容易形成非晶或者亚稳相。 Mauere等^[8]研究了短周期的Fe/Ru超晶格, 指出Fe层具有大原子体积的HCP结构可能和Fe的高自旋态有关。 Kübler^[9]对Fe/Ru系统进行了理论计算, 结果表明HCP Fe具有非磁性的基态, 但是体积的扩张会产生反铁磁态, 然后产生高自旋的铁磁态, 指出通过Ru上外延生长可能得到HCP Fe。 Tian等^[10]研究了在Ru(0001)面上生长的Fe膜, 发现Fe的生长模式为Stranski-Krastanov模式, 即岛状生长后的层状生长。 首先生长的Fe单层为六方伪晶, 然后生长各个方向的BCC Fe{110}畴和衬底的6次对称相适应。 Lin等^[11]和Liu等^[12]也进行了相关的研究。 总的看来, Fe/Ru系统的研究中理论研究较多, 而且大多数研究者^[13-16]的实验集中在分子束外延和溅射制备的单晶膜上, 对电子束蒸镀制备的多晶膜研究较少, 对Fe/Ru多层膜的磁电阻性能也少有研究。 在文献[17]中, 本文作者在Baudelet模型^[18]基础上, 提出了在Fe/Ru多层膜中Fe较薄时按一种类BCC的六方结构生长, 并且证实这种类BCC的六方结构的Fe具有铁磁性。

本实验采用超高真空电子束蒸镀的方法制备了Fe/Ru多层膜, 研究不同制备条件对多层膜结构和磁性的影响, 同时针对Ru进一步研究了Fe/Ru多层膜的磁电阻性能。

1 实验

实验中采用电子束蒸发的方法制备多层膜样品, 与溅射方法相比, 使用蒸发的沉积方法, 到达基板的原子能量较低, 可以得到较好的界面。 采用北京师范大学低能物理所研制的UTT400型超高真空镀膜机制备薄膜样品。 镀膜时本底真空度为1.8×10^-6Pa, 工作真空度为(3~5)×10^-6Pa。 采用电子束交替蒸镀纯Fe(99.999%)和纯Ru(99.99%)两种组元金属。 制备的多层膜样品设计为: Ru层固定为2nm, Fe层厚度在0.6~5.0nm之间变化。 镀膜时基片温度不超过30℃, 镀膜速率一般控制在0.03 ~ 0.05nm/s。

2 结果与讨论

2.1 小角X射线衍射

多层膜的周期结构利用X射线小角衍射分析技术来精确测定。 实验中采用日本理学(Rigatu) 的D/max-rB转靶衍射仪, 利用修正的布拉格公式就可以计算出多层膜的调制周期。

图1所示为[Fe(5nm)/Ru(2nm)]₁₁的小角X射线衍射谱, 可以清晰观察到对应于多层膜周期的3个峰和对应于总膜厚和周期数的9个小峰。 表明多层膜有较好的周期性, 经过计算多层膜的周期(7.7nm)和设计值较为接近。

图1   [Fe(5nm)/Ru(2nm)]₁₁的小角X射线衍射谱

Fig.1   Low angle XRD patterns of [Fe(5nm)/Ru(2nm)]₁₁ multilayer

2.2 多层膜的结构

图2将 [Fe(1.2nm)/Ru(2nm)]₂₅选区电子衍射谱和纯Fe、 纯Ru选区电子衍射谱进行了对比。 由图可以清楚看到, 选区电子衍射谱中只有一套HCP的衍射花样, 观察不到纯Fe的BCC花样。 这表明Fe受到Ru层的影响, 按照HCP的晶格生长。

图3所示为Fe层厚度为2nm和5nm的SAD谱。 从图3(a)中可以看到多层膜仍然只有一套HCP衍射环, 这说明Fe层的生长受到Ru层结构

图2   [Fe(1.2nm)/Ru(2nm)]₂₅多层膜和纯Fe, 纯Ru的选区电子衍射谱

Fig.2   SAD patterns of [Fe(1.2nm)/Ru(2nm)]₂₅ multilayer(a) compared with pure Fe(b) and pure Ru(c)

图3   Fe/Ru多层膜的选区电子衍射谱

Fig.3   SAD patterns of Fe/Ru multilayers

的强烈影响, 即使在Fe层厚度达到Ru层厚度时(t=2nm), Fe也受到Ru层的影响, 完全按照HCP的晶格生长。 只有在Fe层的厚度增大到5nm时, 才观察到BCC Fe衍射环的出现。

2.3 多层膜的磁性

多层膜磁学性能的测定采用Lakeshore7303型振动样品磁强计(VSM)在室温下进行测量。 VSM的外加磁场最高为8×10⁵A/m, 磁性测量灵敏度为2×10^-9A·m²。

图4所示为Fe/Ru 多层膜平行膜面和垂直膜面的磁滞回线, 图4(a)~(c)都表现为平面易磁化特性, 而且在平行方向上表现为较好的软磁特性。 由图可知, 随着Fe层厚度的降低, 平行膜面方向的回线渐渐向垂直方向靠拢, 表明Fe层厚度的减小会影响多层膜的平面易磁化特性。 当Fe层厚度降低到0.6nm时, 平行和垂直方向的磁滞回线几乎重合, 并表现出向超顺磁过渡的趋势。 这一结果和Liu和Bader^12]报道的类似。

上述结果提出一种结构与磁性的关系, 可为磁化方向的改变提供一个新的解释。 当岛的宽度小于某临界值时为垂直磁化, 超过此临界值或者岛与岛之间结合为连续膜时就变为平行磁化。 当岛的宽度继续降低至超顺磁的临界尺寸, 多层膜就表现出超顺磁行为。

通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP), 实验中测量了多层膜中Fe的含量, 可以分析多层膜中Fe原子磁矩的变化, 结果如图5(a)所示。 多层膜Fe的平均原子磁矩随着磁性层(Fe层)厚度的减小而降低, 这符合死层理论: 即在多层膜中, 在磁性层和非磁性层的界面处有1~2层Fe原子由于强烈的d电子杂化, 铁磁性消失, 形成所谓的“死层”。 磁性层越薄, 死层在其中所占的比例就越大, 从而导致平均原子磁矩的下降。 根据死层理论, 可以得到多层膜中Fe的平均原子磁矩为:

式中 d_Fe为Fe层单层厚度; Δd为界面层厚度, 即死层厚度; σ_Fe为Fe原子磁矩(非界面层); σ_int为界面层Fe磁矩。 根据死层理论, 有σ_min=0, 故

死层理论表明, 多层膜中Fe的平均原子磁矩和Fe单层的厚度的倒数存在线性关系。 根据“死层”理论假设推导出的磁矩同Fe层厚度倒数的(图5(b))直线拟合非常吻合, 很好地验证了死层理论。

通过外延还推导出了界面的厚度为0.25nm, 和文献报道的1~2原子层相符, 但比文献[17]报道的数据(Δd=0.46nm)要小, 这说明镀膜质量对死层厚度有一定影响。 将线性拟合曲线外延还推导出Fe的磁矩为1.9μ_B, 比Fe的标准原子磁矩2.2μ_B低。 结合电子衍射花样的结构分析, 多层膜中的

图4   Fe/Ru多层膜的磁滞回线

Fig.4   Magnetic proprieties of Fe/Ru multilayers

图5   Fe/Ru多层膜中Fe的原子磁矩

Fig.5   Fe atom moment varies with Fe layer thickness

Fe基本上都是按六方晶格生长。 可知亚稳六方相的Fe磁矩要略低于BCC Fe的标准原子磁矩。

3 结论

采用超高真空电子束蒸镀的方法制备了Fe/Ru多层膜, 研究了其结构和磁性的变化和相互关系。 Fe层受到相邻的Ru层的强烈影响, 即使Fe层厚度增大到和Ru层厚度相等时(2nm), Fe层依然按照Ru的HCP晶格生长, 生成亚稳态的HCP Fe。 多层膜呈现明显的平面易磁化特性, 并随Fe厚度降低而减弱。 Fe的平均原子磁矩和Fe厚度的倒数存在很好的线性关系, 验证了死层理论。 通过拟合计算出Fe的死层厚度为0.25nm, 亚稳态六方晶格的Fe的原子磁矩为1.9μ_B, 略低于BCC Fe的。

致谢

北京师范大学低能物理所的阎凤章老师以及北京大学物理系电镜实验室对研究提供了不少帮助, 在此一并表示感谢。

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(编辑龙怀中)

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50325105; 50371040)

收稿日期: 2005-07-15; 修订日期: 2005-08-20

作者简介: 耿魁伟(1973-), 男, 博士研究生

通讯作者: 耿魁伟, 电话: 010-62792110; E-mail: gkw02@mails.tsinghua.edu.cn