應變誘導外延NiFe2O4薄膜磁各向異性的研究

梅之恒，周鵬，祁亞軍，章天金

(湖北大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430062)

應變誘導外延NiFe2O4薄膜磁各向異性的研究

梅之恒，周鵬，祁亞軍，章天金

(湖北大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430062)

利用脈沖激光沉積(PLD)方法，在不同單晶襯底上沉積外延NiFe2O4薄膜.分析晶體結(jié)構和元素價態(tài)，測量并分析磁學性能，研究結(jié)果表明，從壓應變轉(zhuǎn)化到拉伸應變時，易軸從面內(nèi)轉(zhuǎn)到面外，磁化易軸的變化與應變密切相關.通過定向設計，實現(xiàn)對磁易軸的控制.

脈沖激光沉積；應變；磁各向異性

0 引言

尖晶石[1](NiFe2O4)結(jié)構具有化學式AB2C4，其中A和B代表陽離子，C代表陰離子(O，S或者Se).在這種結(jié)構中，B位陽離子單獨構成氧四面體，A和剩下的B位陽離子共同構成氧八面體同時，可以根據(jù)B位陽離子占據(jù)氧四面體的百分比衡量尖晶石結(jié)構的反轉(zhuǎn)程度.由于鐵氧體薄膜具有低導電率、低渦流損耗、高飽和磁化強度等特點[2]，因而在高頻領域和自旋電子學[3-4]中得到廣泛使用.但在短波長的靜磁波和微波聲學器件應用中，單晶薄膜可以減少晶粒邊界對聲子的散射.因此，成功地制備鐵氧體單晶薄膜對電感器和濾波器的未來發(fā)展奠定了重要的基礎，例如鐵氧體單晶薄膜在微波頻率下集成電路上的應用.

目前已有多種方法包括脈沖激光沉積(PLD)、射頻濺射、電子束反應蒸發(fā)等制備尖晶石鐵氧體.與其他方法相比較具備以下優(yōu)點：1) 脈沖激光沉積在高真空條件下進行，當激光能量密度達到蒸發(fā)閾值時，靶材中的組成元素將逸出相同的產(chǎn)額，使薄膜與靶材的化學計量比一致；2) 鍍膜裝置靈活，可以原位生長多層超薄復合薄膜，消耗靶材少；3) 適用范圍廣，沉積薄膜的各項參數(shù)易科學化控制[5].單晶基片的選擇對于獲得單晶鐵氧體薄膜有很大影響.在襯底的選擇過程中，必須考慮晶格失配、化學相容性以及薄膜與基片的熱膨脹系數(shù)[2].另外，在薄膜的外延生長過程中，需要晶格失配小的襯底和合適的溫度相結(jié)合[6].

事實上，由于表面效應、表面缺陷[7]、陽離子的不平衡分布[8]、增強的磁各向異性[9]或者反相疇界[10- 11]的形成，導致薄膜和塊材之間的磁學性質(zhì)有很大區(qū)別.

本文中通過脈沖激光沉積方法制備高質(zhì)量的外延NiFe2O4薄膜，通過對薄膜微結(jié)構和磁學性能的分析，建立應變與磁學性能之間的聯(lián)系.

1 實驗過程

1.1 樣品制備 首先利用脈沖激光沉積技術在SrTiO3(STO)、MgAl2O4(MAO)和MgO等3種不同的單晶襯底上制備NiFe2O4(NFO)薄膜，當本底真空度達到5×10-5Pa時，加熱至750 ℃，通入O2(18 sccm)，接著在工作壓強15 Pa，激光器能量為270 mJ (1.5 J·cm-2)的條件下沉積制備NFO薄膜.樣品取出后放入管式爐中800℃退火3 hours.

1.2 表征手段 使用單色化的Bruke D8 discover X線單晶衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM，TEcnai G20)分析樣品的晶體結(jié)構.同時，用具有四圓衍射系統(tǒng)的PANalytical Empyrean高分辨X線衍射儀(Cu Kα1，λ=15.406 nm)測試倒易空間圖(RSMs)，研究NFO薄膜中的應變狀態(tài).用Quantum Design公司研發(fā)的超導量子干涉儀(MPMS-XL-7)測量樣品的磁性. 采用Thermo Fisher Scientific Escalab 250Xi型號的 X 線光電子能譜(XPS)確定化學計量比和價態(tài).

2 結(jié)果與討論

圖1 (a)STO、(b)MAO與(c)MgO單晶襯底上沉積的NFO薄膜的XRD掃描圖

為進一步確定薄膜樣品的外延關系，對3種樣品進行XRD Φ掃描，如圖2所示.可以確定薄膜與襯底的外延關系依次如下，NFO(001)[110]||STO(001)[110]、NFO(001)[110]||MAO(001)[110]、NFO(001)[110]||MgO(001)[110].可見3種不同襯底上沉積的薄膜均表現(xiàn)出良好的外延性.

圖2 (a)STO、(b)MAO與(c)MgO單晶襯底上沉積的NFO薄膜的XRD Φ掃描圖

圖3 (a)STO、(b)MAO與(c)MgO單晶襯底上沉積的NFO薄膜的

圖4是在STO單晶襯底上沉積的NFO薄膜樣品的透射電子顯微鏡圖譜.從圖4中可以看到，薄膜具有非常清晰平整的界面，NFO厚度大約為30 nm，薄膜的結(jié)晶性良好，表現(xiàn)出良好的外延性.

圖4 (001)-STO樣品的透射電子顯微鏡圖 (a)樣品形貌圖;(b)薄膜與襯底的選區(qū)電子衍射圖;(c)薄膜的選區(qū)電子衍射圖;(d)薄膜與襯底的界面高分辨

圖5是在STO單晶襯底上沉積的NFO薄膜的X線光電子能譜的圖譜.根據(jù)擬合和計算的結(jié)果，可以確定NFO中Ni離子為+2價，F(xiàn)e離子為+3價，Ni與Fe的含量之比為1∶2，基本與塊材性質(zhì)相符.

圖5 STO單晶襯底上沉積的NFO薄膜Fe2p和Ni2p XPS圖

圖6 (a)STO、(b)MAO與(c)MgO單晶襯底上沉積的NFO薄膜的的面內(nèi)與面外的M-H回線

從M-H曲線可以看出，當薄膜的應變從面內(nèi)壓縮應變變化為面內(nèi)拉伸應變時，磁化易軸逐漸從面內(nèi)轉(zhuǎn)向面外.Heuver J H[15]在MAO與MgO上沉積了具有正尖晶石結(jié)構的CoCr2O4薄膜，分別受到的是面內(nèi)壓縮應變與面內(nèi)拉伸應變.實驗發(fā)現(xiàn)當薄膜所受到面內(nèi)壓縮應變時，磁化易軸在面外，而當面內(nèi)應變?yōu)槔鞈儠r，磁化易軸在面內(nèi).文章中通過第一性原理計算了兩種應變下薄膜磁化易軸反轉(zhuǎn)的能量值與實驗結(jié)果一致.而文章中提及反尖晶石結(jié)構的鐵氧體應變導致磁化易軸轉(zhuǎn)變的情況是與CoCr2O4薄膜相反的，即當面內(nèi)受到拉伸應力時，有利于磁化易軸由面內(nèi)轉(zhuǎn)向面外，本文中的實驗結(jié)果與上述結(jié)論一致.另外，Daniel F[16]通過第一性原理計算了NFO與CFO應變與磁性的關系，計算結(jié)果表明拉伸應變有利于面外的磁各向異性.綜上所述，磁化易軸的轉(zhuǎn)變與應變之間有緊密聯(lián)系.

3 結(jié)論

本文中采用脈沖激光沉積方法，通過定向設計，分別在STO、MAO與MgO等不同單晶襯底上沉積NFO薄膜，并對其晶體結(jié)構、元素價態(tài)和磁學性能進行表征分析.結(jié)果表明，3種NFO薄膜均外延生長，結(jié)晶性良好，在M-H回線中表現(xiàn)出很強的磁各向異性.通過分析發(fā)現(xiàn)，薄膜的面內(nèi)應變從壓縮應變變化為拉伸應變時，磁化易軸從面內(nèi)轉(zhuǎn)變成面外.本文中的結(jié)果不僅能更好地理解磁各向異性，而且為調(diào)控磁易軸開辟新的實驗思路.

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(責任編輯 郭定和)

The magnetic anisotropy of NiFe2O4thin films induced by strain

MEI Zhiheng, ZHOU Peng, QI Yajun, ZHANG Tianjin

(Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

In this article, epitaxial NiFe2O4thin films were fabricated on different single crystal substrates by pulsed laser deposition.Through measurement of the crystal structure and valence state of the elements analysis and magnetic properties, we find that the magnetic easy axis from in plane go to out of plane when the compressive strain is transferred to the tensile strain,and also, the easy magnetization axis changes is closely related to with strain.Through specific design, the control of magnetic anisotropy of each thin film is realized.

pulsedlaser deposition; strain; magnetic anisotropy

2017-02-21

國家自然科學基金(51372074,11574073,51472078)資助

梅之恒(1990-)，男，碩士生；章天金，通信作者，教授，E-mail: zhangtj@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0517-06

TB324.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.015