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1、F e - N薄膜的铁磁共振研究 姚振枉刘志凯江海秦复光张建辉 中国科学院半导 体研究所 ( 北 京， 1 0 0 0 8 4 朱生传 北京大学物理系 孙允希 ( 北京， 1 0 0 8 7 1 r l 摘要一 利用离子束辅助沉积法， 在S i ( 1 0 0 ) 基片上 制备了 三种 F e - N薄膜( 到达比N / F e = 0 . 0 9 , 。 1 2 , 0 . 1 5 ， 包 括F e l 6 N 2 ) . 对 这 三 种F e - N 薄 膜 ， 用 铁 磁 共 振测 定 饱 和 磁化 强 度 和铁磁共振线宽， 结合磁性侧量、 电镜观察等物理手段的实验结果， 进行 综合分析
2、. 1 . 引言 F e - N薄膜 ( 特别是F e 16 N 2 薄膜) 由 于优良 磁性而引起人们的 重视. 对它的 研究具有重 要的 理论意义和实用意义 【 1 - 3 .我们发表过一系列关于利用离子束辅助沉积法合成的 F e - N薄膜的结构和磁性的研究文章 4 - 6 .本文着重介绍F e - N薄膜的铁磁共振研究的实验 结果和综合分析. 文献 2 - 3 1 利用铁磁共振研究了F e l 6 N 2 单晶 薄膜的9 因子和磁晶各向异 性，我们在本文 中对三种F e - N多晶薄膜 ( 不同N / F e 值，包括F e 1 6 N 2 ) ，利用铁磁共振测定 饱和磁化强度 和铁磁
3、共 振线宽，结合磁性测量、电 镜观察等物理手段的实验结果，进行分 析研究. 2 . 测量原理 对于F e l 6 N 2 单晶 薄膜 2 - 3 ， 三个易轴的铁磁共振关系式为 7 : 0 0 1 :。 厅 =H , +H k l 一 4 2 t M, 沁 1 0 0 : ( w /Y ) ， 一 H , + H k2) ( H , 一 H k ， 十 4 7rt M ,) ( 1 1 0 :( 。 嘴 = ( H一 H k 2 ) ( H : 一 H k l + 4 7 E M : 一 0 .5 H , ) 其中，0 为 微波圆频率，Y为 旋磁比，H , 为 共振磁场，H k l 为单轴各向
4、异 性场，H k 2 为 平面各向异性场，M : 为饱和磁化强度.由 这三 个关系 式，可以确定 9 因子、H k 2 和 ( li k l - 4 n M , ) ， 再确定H k l ( 已知4 7c Ms) 或4 7 M , ( 已 知H k i ) . 对于F e - N多晶薄膜，在外磁场平行膜面情况下，铁 磁共振关系式为: ( o ) /y ) = H R H , + 4 n M s ) . ， 利用上式，在两个微波频率情况 下，可以同时 确定 9 因子和 4 7 EM s ;在一个频率情况下， 已知 9 因子，可以确定4 a 城 . 3 .实验 利 用 离 子 束辅 助 沉 积 法
5、 ， 在s 1 ( 1 0 0 ) 基 片 上 制 备 了 三 种F e - N 薄 膜 ( 到 达比N / F e =0 .0 9 , 0 . 1 2 , 0 . 1 5 ) . 通过 俄 歇电 子 能谱 仪和x 射 线 衍射 仪分 析 薄 膜成 分和 结 构 ， 振 动样 品 磁 强 计 侧 量磁学性质，铁磁共振确 定饱和磁化强度和铁 磁共 振线宽，电子显微镜观察表面 结构和电 子衍射图.结果表明:相 应于到达比N / F e = 0 . 1 2 的薄膜为F e , 浏2 膜， 三种薄膜均为多晶 膜.浏 4 . 实验结果和分析 在 x波段 和T E 1 0 2 矩 形腔进行铁磁共振侧量，实
6、验结果如表 1 所示.磁性测量的实 验 结果如表2所示. 现在对实验结果做一些说明和分析: ( 1 ) 对多晶薄膜样品， 在一个 频率情况下，已知 g 因 子，可以确定4 1 cMs .已知F e i 6 N 2 单 晶 薄膜 的9 因 子为 :9 二 2 .0( 外 磁 场1 0 K O e ) 2 ， 和g = 2 . 1 7( 外 磁 场 6 0 K O e ) 3 , 根据我们的实验情况，外磁场不大于 1 0 W e ，在计算4 i c M ， 时取 g = 2 . 0( 见表1) .月喇 ( 2 )由F N 2薄膜的X射线衍射谱表明，其主要成 分为F e , 6 N 2 , F N
7、2样品 的 4 1 C M s 为 2 4 . 5 K G s ( 见表2) ， 而文献 3 给出F e , 6 N 2 单晶单 相薄 膜的 4 n M s 为2 9 K G s , F e 薄膜的4 n M s 为 2 1 K G s .可见 F N 2 样品的 饱和磁矩，比F e 大， 但略小于单晶单相薄膜，这可用多晶 膜 和存在另 相来解释. ( 3 ) 三种F e - N薄膜的 铁磁 共振线宽，以F N 2( 即F e i 6 N 2 ) 样品为最小，1 7 6 O e ; 而 F N l 和F N 3 样品的线宽 ( 5 3 1 O e , 6 6 4 O e ) 却大得多.除了样品
8、成分不同外，气孔和杂质 是不可忽略的因素. 电镜观察表明，F N 2 样品表面晶粒均匀 致密， 而F N 1 和 F N 3 样品表面 具有较多的气孔和杂质. ( 4 ) 三种 F e - N薄膜的 饱和 磁化强度，由铁 磁共振测量得到的数值比由 振动样品磁N计 的要小. 原因是使用的微 波频率较低，相应的 外磁场不足以样品饱和 ( 见表1 - 2) .考虑 未饱和因素进行修正，可以得到 相近的结果. ftA 表1 铁磁共振测量实验结 果 忏n a 3 N J 还比m1S E o半共振慨l J共振线览 4 2 从 N/ F e ( MH z ) ( 0e ) ( 0 e ) ( K G s )
9、 F Nl F N2 F N3 0 . 0 9 0. 1 2 0 . 1 5 9 7 7 7 9 7 7 2 9 7 7 3 7 8 0 6 0 6 8 5 5 5 3 1 1 7 6 6 6 4 1 4 .8 3 1 9 .51 1 3 .3 9 . . . . ， . . - 一一一一-一. 州.， . ，. .户份 ， . .一.一一.一.勺.卜 .月种-一. . 一， ，份 月 ， *亿=2 刀 门口 表 2 磁化曲线实验结果 ( 室温) 磁场强度( o e ) 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 00 0 0 0 F N 1 : F N2 : F N3 : 4 n M,( K G
10、 s ) 1 1 . 1 7 1 4 .2 3 1 5 . 9 6 1 7 .0 3 4 n M, ( K G s ) 2 2 .5 5 2 3 .6 2 2 4 . 2 4 2 4 . 5 3 4 n M, ( K G s ) 8 . 8 6 9 1 1 .3 3 1 2 . 6 5 1 3 .3 5 5 . 结论 下) 利用 离子束辅助沉积法，在 S i ( 1 0 0 ) 基片上成功地制备了 F e ,6 N 2 薄膜 ( 相应的到达比 N / F e 为0 . 1 2) .对由 铁磁共振确定饱和磁化强度和铁磁共振线宽等实验结果， 结合多 种结 构分析 仪器和振动磁强计的m试结果，进行综
11、合分析，理论与实验相当一致.为了用铁磁 共振法 侧得准 确的饱和磁化强度，必须提高 微波频率 ( 例 如毫米波段) . 6 ， 感谢 本 项目 得到国家自然科学基金的支持，项目 号: 5 9 5 0 1 0 0 7 .作者 对北京大学 微波磁共 振实 验室、电镜实验室的帮助，表示衷心感谢. 卜 参考文献 卜 1 T . K . K im e t a l ., A p p l . P h y s . L e tt ., 2 0 ( 1 9 7 2 ) 4 9 2 2 H . T a k a h a s h i e t a l ., J . A p p l . P h y s ., 7 3 ( 1
12、 0 )6 0 6 0 . 3 Y . S u g i t a e t a l ., J a p p l . P h y s ., 7 9 ( 1 9 9 6 ) 5 5 7 6 . 砰 H . J i a n g e t a l . , Ac t a . Me t a ll u r g i c a S i n i c a , 3 0 ( 1 9 9 4 ) B 2 7 3 . 5 H . J i a n g e t a l ., J . A p p l . P h y s ., 7 8 ( 1 9 9 5 ) 3 2 9 9 . 6 Z - Y Y a o e t a l . , J . M . M . M ., J a n . 1 9 9 8 卿将 发 表 ) 7 C . K itt e l , P h y s . R e v . , 7 3 ( 1 9 4 8 ) 1 5 5 .
