斜离子束辅助沉积对Co80Nb20薄膜结构及磁性能的影响
李晓伟, 丁宇清, 曾 飞, 谷 宇, 耿魁伟, 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: 采用斜离子束辅助沉积(IBAD)方法制备了Co80Nb20合金薄膜, 研究了离子束入射角度对薄膜结构、 组织及磁性能的影响。 结果表明: 当离子束入射角度小于30°时形成fcc亚稳合金薄膜, 入射角增大到30°后转变为hcp固溶体; Co80Nb20薄膜均表现出平面易磁化特征, 在入射角小于75°时Co80Nb20薄膜矫顽力较小; 当离子束入射角度增大到75°后, 薄膜在平行膜面方向矫顽力明显增大, 而垂直膜面方向矫顽力减小。 从理论上讨论了离子束入射角度对原子混合、 热峰效应、 薄膜内应力及亚稳结构形成的影响。
关键词: 钴; 铌; 离子束辅助沉积; 入射角 中图分类号: TN65
文献标识码: A
Effects of skew ion beam assisted deposition on microstructure and magnetic properties of Co80Nb20 thin films
LI Xiao-wei, DING Yu-qing, ZENG Fei, GU Yu, GENG Kui-wei, PAN Feng
(Key Laboratory of Advanced Materials of Ministry of Education,Department of Materials Science and Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: Co80Nb20 thin films were prepared by skew ion beam assisted deposition (IBAD). The influence of incidence angle on microstructure, morphology and magnetic properties was investigated. The results indicate that fcc metastable phase forms in the films deposited at incidence angle smaller than 30°. After the incidence angle increases to more than 30°, the samples are turned to be hcp phase. All Co80Nb20 samples exhibit in-plane easily magnetized character. When the incidence angle is smaller than 75°, the Hc of Co80Nb20 thin films is comparatively smaller. When the incidence angle reaches 75°, the Hc parallel to the film surface increases significantly while the Hc perpendicular to the film surface decreases simultaneously. The results were discussed according to the influence of skew incidence angle on atomic mixing, thermal spike, internal stress and the formation of metastable structures.
Key words: Co; Nb; ion beam assisted deposition; incidence angle
离子束辅助沉积(ion-beam assisted deposition, IBAD)方法可使沉积的薄膜与基体材料间具有强的结合力, 并产生原子级动态混合, 而被广泛应用于非晶薄膜及亚稳态薄膜材料的制备[1-5]。 在应用IBAD方法对工件进行表面改性时, 由于工件表面形状复杂, 可造成离子束对工件各表面的轰击角度不同, 因此需要考虑角度变化对材料改性后结构的影响。 最近的研究发现, 改变离子束入射角度对薄膜结构和性能影响很大, 例如在Co/Cu和Fe/Nb系统中, 在其他沉积条件均相同的情况下, 改变离子束入射角度, 可导致一些新亚稳相的形成[6, 7]; 离子束角度改变还可获得有特定取向或织构的薄膜[6, 8-11]。 对于单组元薄膜, 研究人员已发现规律并形成一些理论, 如离子束轰击的沟道效应[12]和溅射效应[13]等, 而对于双组元或多组元薄膜, 离子束引起的相变和微结构变化的机理则要更加复杂。
因此, 研究离子束入射角度与非晶和亚稳相形成能力及其各项性能间的关系, 对于IBAD制备非晶和亚稳态合金薄膜的应用是很有实际意义的。 许多Co-TM(过渡族元素)系统具有良好的软磁性能[14-18], 本文作者选取Co80Nb20合金薄膜, 研究了IBAD过程中离子束入射角对材料微结构及磁性能的影响。
1 实验
实验采用电子束蒸镀方法制备金属多层膜, 并使用8cm考夫曼(Kaufman)型气体离子源进行离子束辅助增强沉积。 离子束工作气体为纯度99.999%氩气, 离子束能量为4keV, 束流密度为12μA/cm2。 在氩离子束轰击同时, 在新鲜解理的NaCl单晶片和玻璃片上交替蒸镀纯Co(99.99%)和纯Nb(99.99%), Co和Nb的镀膜速率分别为0.08和0.04nm/s。 镀膜系统本底真空度1×10-4Pa, Ar+离子束辅助轰击时, 真空室内的氩气分压为4×10-3Pa。 膜厚监测系统采用石英晶体振荡器。 通过旋转基片得到不同的离子入射角度, 如图1所示。 α角表示离子入射角度, β角表示离子源和蒸发源之间的角度并固定在20°。 实验选择了6个不同的入射角度, 分别是α=0°, 15°, 30°, 45°, 60°和75°。
图1 离子源、 蒸发源与基片旋转装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of relation among vaporization,ion source and substrate holder
采用X射线荧光分光光谱仪(XRF)测定样品的成分, 所有样品中Co的摩尔分数均为78%~82%, 与设计成分基本一致。 通过透射电镜(TEM)选区电子衍射谱(SAD)和明场像分析样品结构和形貌。 为便于透射电子显微镜(TEM)观察, 薄膜的总厚度控制在48nm左右, 样品周期厚度(Co/Nb双层膜)为6nm。 沉积薄膜后, 将NaCl基片样品置于去离子水中, 溶解NaCl后, 再用Cu网捞取以进行透射电镜观察。 采用振动样品磁强计(VSM)分析获得Co80Nb20薄膜的磁性能。
2 结果与讨论
2.1 离子束轰击角度对Co80Nb20薄膜结构和形貌的影响
图2所示为未经离子束作用的Co80Nb20 多层膜透射电镜选区衍射谱和明场形貌像。 图2(a)中所示的衍射线明显宽化, 表明薄膜由纳米级Co和Nb晶粒组成; 图2(b)中所示的衬度比较均匀, 表明薄膜沉积均匀, 厚度起伏变化不明显。
图2 Co80Nb20多层膜透射电镜选区衍射谱(a)和明场像(b)
Fig.2 TEM SAD pattern(a) and bright image(b) of Co80Nb20 multilayers
当薄膜沉积过程中引入离子束轰击, 并改变入射角度, 发现当离子束入射角度α = 0°和15°时, 薄膜中形成fcc相, 如图3所示, 其晶格常数约为a=0.443nm。 选区电子衍射谱中衍射线宽化, 说明样品结晶仍不充分。
图3 离子束垂直轰击时Co80Nb20薄膜透射电镜衍射谱(a)和明场像(b)
Fig.3 TEM SAD pattern(a) and bright image(b) of Co80Nb20 alloy films with perpendicular ion bombardment
图4所示分别为离子束入射角为30°, 45°和75°时沉积样品的透射电镜选区衍射花样。 从图中可以看到, 随离子束入射角度继续增大后, 薄膜结
图4 离子束入射角为30°(a), 45°(b)和75°(c)时沉积的Co80Nb20薄膜透射电镜衍射谱
Fig.4 TEM SAD pattern of Co80Nb20 with ion bombardment incidence angle of 30°(a), 45°(b) and 75°(c)
构发生了明显变化, 薄膜转变为hcp结构的Co基固溶体, 其晶格常数与没有离子束轰击时制备的Co80-Nb20多层膜中Co的晶格常数相近。 随着入射角度的增大, 衍射线由宽化弥散逐渐锐化, 表明材料中样品hcp固溶体结晶逐步完善。
2.2 斜离子束辅助沉积Co80Nb20薄膜的生长机制
由于实验中第一层沉积的为相对较厚的Co层, Co层的生长过程和结构将对Nb原子的排列和薄膜最终结构产生影响。 Co具有两个同素异晶体, 在420℃以下为hcp结构的α-Co, 在420℃以上则为fcc结构的β-Co, 因此, 室温状态下α-Co相对稳定。 最近, Blaschko等[19]发现了室温下存在的β-Co。 郝建民等[20]对此进行了研究, 发现冷却β-Co时, 诱发向α-Co转变的一个重要因素是材料内应力的变化。 在本实验中, 当离子束入射角度为0°和15°时, 离子束轰击混合效应明显, 在热峰效应中产生的高温使得沉积的Co原子生成β-Co; 同时, 在IBAD过程中, 由于离子束的轰击可能使得薄膜内应力降低[21], 无法诱发Co的相变, 因此在弛豫过程中保持了β-Co结构, 并且在随后的薄膜生长过程中与Nb原子混合最终形成fcc亚稳相。 当离子束入射角度增大(或没有离子束轰击时)时, 离子束轰击混合效应减弱, 热峰效应所带来的局部升温降低, 导致在沉积时不利于形成β-Co相; 并且由于薄膜内应力可能随离子轰击效应的减弱而增大, 在弛豫过程中会诱发β-Co向α-Co的转变, 随后沉积的Nb原子跟随热力学上更加稳定的α-Co结构生长, 薄膜最终形成hcp固溶体。
2.3 离子束入射角度对Co80Nb20薄膜磁性的影响
图5所示为未经离子束辅助沉积的Co80Nb20多层膜样品的磁滞回线, 图中“m∥”表示平行于膜面方向的磁滞回线, “m⊥”表示垂直于膜面方向的磁滞回线, 下同。 从图中可以看出样品具有典型的平面易磁化特征。
图6所示为经离子束轰击后, 采用不同入射角度沉积的Co80Nb20薄膜在垂直和平行膜面方向的磁滞回线。 从图中可以看出, 所有薄膜亦均呈现平面易磁化特征, 但其矫顽力随离子束入射角度的变化而产生明显变化。 当离子束入射角度为75°时, 矫顽力明显增大。 图7所示为矫顽力随离子束入射角度的变化曲线。
由实验结果(图6和7)可知, 当离子束入射角度小于45°时, Co80Nb20薄膜在垂直和平行膜面方
图5 Co80Nb20多层膜磁滞回线
Fig.5 Magnetic hysteresis loops of Co80Nb20 multilayers
向矫顽力的增减变化趋势一致。 与生成hcp固溶体的薄膜相比, 沿垂直和平行膜面方向的矫顽力在入射角度为0°和15°时有减小的趋势, 这可能与薄膜此时生成的fcc亚稳相有关。 杨国华等[22]曾在Co/Ag系统中发现, 当Co形成fcc亚稳相时, 其Co/Ag多层膜矫顽力低于Co形成hcp结构时的矫顽力, 与本文结果相吻合。 其次, 当离子束入射角度增大到75°时, 薄膜平行膜面方向的矫顽力有明显的增加, 达到最大值, 但在垂直膜面方向矫顽力却下降到最小值。 本文作者推测出现此现象的主要因素可能是薄膜磁各向异性的变化, 即当α = 75°时, 离子束掠射在薄膜表面会引起一些沿离子束方向的沟槽, 表明形成的hcp纳米晶粒将沿离子束入射方向(y轴方向)拉长, 这一形状上的变化将改变薄膜磁各向异性。
图6 不同入射角时沉积的Co80Nb20薄膜磁滞回线
Fig.6 Magnetic hysteresis loops of Co80Nb20 at different incidence angles
图7 矫顽力与离子束入射角度之间的关系
Fig.7 Relationship between coercive and incidence angle
3 结论
1) 采用不同入射角度的离子束辅助沉积技术, 分别成功地制备出具有面心立方和六方结构的Co80Nb20合金薄膜。 结果表明, 当离子束入射角度小于30°时, 薄膜呈现fcc结构, 当入射角度大于等于30°时, 热峰效应减弱、 内应力增大, 使得Co原子倾向于形成α-Co结构, 并与之后沉积的Nb原子混合形成hcp固溶体。
2) 所制样品均表面平面易磁化, 离子束入射角度为0°和15°时沉积的薄膜, 由于fcc亚稳相的形成, 其矫顽力相对较小; 当离子束入射角度增大到75°后, 薄膜在平行膜面方向矫顽力明显增大, 同时垂直膜面方向矫顽力减小, 其原因可能是薄膜生成的hcp纳米晶粒由于倾斜离子束轰击导致了其晶粒形状的变化, 使得形状各向异性出现。
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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和10405013)
收稿日期: 2005-07-15; 修订日期: 2005-08-20
作者简介: 李晓伟(1970-), 男, 博士研究生
通讯作者: 潘 峰, 教授; 电话: 010-62772907; E-mail: panf@tsinghua.edu.cn
