氧化物隔离对Si基片上生长L10相FePt薄膜磁性的影响∗

李丹 李国庆

(西南大学物理科学与技术学院,重庆 400715)(2018年3月5日收到;2018年4月13日收到修改稿)

1 引 言

L10相FePt合金的单轴磁晶各向异性能高达约7× 107erg·cm−3(1 erg=10−7J),磁化强度M 约为1200 emu·cm−3(1 emu=10−3A·m2),室温超顺磁临界尺寸不足3 nm,晶粒尺寸即使进入10 nm以内,也能稳定保持磁化状态,在超高面密度磁记录介质、磁性隧道结、磁性随机存取存储器和磁性传感器等基于微小磁体工作的应用领域有重要应用价值[1−5].磁力显微镜(magnetic force microscope,MFM)用附着了磁性物质的针尖作为传感元件来探测磁场梯度,是精细描绘磁性薄膜或磁性微粒漏磁场分布的有力工具,可以由此获取磁性体内部的磁畴结构等信息[6−9].考虑价格成本和加工难度,MFM针尖大多用Si作为母材,涂覆上磁性物质后使用,分辨能力可达到约50 nm以上.常见的磁性涂层有CoCr基或CoFe基等材料[10−13].但用这些材料为涂层,矫顽力都不够大(Hc<1 kOe,1 Oe=103/(4π)A·m−1). 如果被测材料的磁性很强,针尖上磁性物质的磁化状态就容易受到影响,所以使用中经常得不到稳定图像.提高MFM针尖的Hc,需要磁性涂层具有更大的磁晶各向异性能,满足要求的主要有NdFeB以及FePt,FeCo,FePd等L10相的合金.但NdFeB的抗氧化性差,居里温度也太低(∼100◦C).而L10相磁性合金中,FePt的磁晶各向异性能最大,居里温度约为500◦C,最适合用来制作Hc高的MFM探针[14,15].但在常温条件得到的FePt薄膜通常处于软磁性的A1亚稳相(面心立方结构,晶格常数为a=b=c=0.3841 nm),要经过高温热处理才能转变为稳定的L10相(面心四方结构,由面心立方的c轴缩短而来,Fe和Pt两种原子从随机分布在格点位置,转变为按垂直于c轴的原子面交替有序排列,晶格常数为a=b=0.3905 nm,c=0.3735 nm)[16−19].这增加了用Si母材制作L10-FePt型MFM针尖的难度,因为硬化磁性涂层需连同Si母材一起加热,会导致母材/涂层界面混合和涂层形态发生变化.采用多层膜结构及热处理时施加磁场等手段来调控涂层内晶粒形态及磁性的探索已经比较充分[20−26].但注意力集中在对FePt进行掺杂形成颗粒膜上,对界面混合的影响以及在母材和涂层间插入隔离层方面,还缺乏必要的关注.

本文从改善界面性质入手,以Si(100)单晶为基片,尝试在基片和FePt薄膜间加入MgO和SiO2两种耐高温的氧化物作为隔离层,分析无掺杂FePt薄膜在热处理前后的性质变化,为改善L10-FePt型Si母材MFM针尖性能提供借鉴.

2 实 验

使用单面抛光的Si(100)基片,以MgO和SiO2为隔离层,在其上生长FePt薄膜,得到Si(100)/FePt,Si(100)/MgO/FePt和Si(100)/SiO2/FePt三种样品,并在真空中进行热处理.其中,MgO隔离层用在表面未做处理的Si(100)基片上溅射10 nm厚的MgO得到,而SiO2隔离层则用对Si(100)表面进行过氧化处理的现成基片实现.

成膜采用磁控溅射镀膜法,用Ar离子轰击Fe,Pt和MgO靶(纯度都优于99.9%).Fe和Pt两靶同时工作得到FePt膜,通过调解溅射功率,使Fe和Pt的原子个数比值为1:1.薄膜厚度由……