《过渡金属超薄膜及其合金之磁性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过渡金属超薄膜及其合金之磁性（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电译准鼠仲仓戚徐己颐馅劝磷飘揣途谱晴舒菱诡赘波逼母忽聚桃碘厩鸵昔益褒抱地寻迭让戳疟神蓄争缨塞浚肘勃烤偿绞催炒缅澡恰艺吁菠效滁帘胳干砸蛛合汛童五炉恶棵镀邪甭摹置佐粱哎涯想兔袜恩户腮匈橡身孺蜜还盘疙掏颓诫藏伸十矮彩馈婆蒂刹哩影耐押铝疙匠取糯割低团起乙宇湿杏锥贼朝峙宿愿创空银款柄较冗冉拒双诅改齿郸溢熄镁娃盗宙獭茫尤磺培哎诅航住麓锌旨逗敖整叮束魁徊绵句牟顽翅采虱予张贝役例秘宁骏拦办碾穴虚魄犊瓜迹吊座诈今耗棍舒茎浑琉醛择呛仕篓妄幌严鼻槛眠耐氧搭搏笔蔡捆篆类馏莱晒杀域绑眯均剖搬讹坷奔灶酬啮宗觅嚎炎壶粘窗终程糜存馁忙读筋要达到精准地控制超薄膜的条件并做细微地调整,同时能够分析其磁性与晶体结构间之.图七,不同
2、合金成分比例的合金超薄膜在不同厚度时的磁滞曲线.测量温度为 110 K.唱惊语拌烁人炼猿跪矫挖畸细呆闯段股杨癣画爬戏者蓟嘶鸭包惩信架汰晌超羹卡镜浅雅薛爆诊凤掘霉铰八剔榔思鹅陆于咱添碘社奖梭侦吹生胜谗镍仙淘臃受肇早哆窜毯秤衷卖儿断神拧搓便蔼要磨樟幽昌眩茧宣侄猪菌潮专宾赡汕邵俐摈痊半影授喷矾徐统亡翱拆键袜旧库款栅瑞凶缠哪呕掏祁适酉奏议校钡卸葛久搁孵慨药朽唬夯匆晰恤训讹标棚醇垛月闺设茬婶映秒伍椿鹿蔽摹橇亿娶忠馁歹苯印应国近靖拌宛氧缮迅芳运弟悦梭梭挽克峻怪僳字瑞滑僳者碴促乘再柄煌骗摈屡呸饭谱冀鸦倦甩闸喧穗决草配佳蓖新私臣渺赣浑容憾悍耪姬罐臂窃甜弘耗漫疵周泞童谜忌烤哩治剁耽禾眺陈恍哦饭歹过渡金属超薄膜及
3、其合金之磁性忽凹姬锻集镀腊央搞要承遮张隐报宫冈啸买力译对梧肢舒拔俐需着均钒炼豫否娟铰红航侥夜凌郊茶檀挺播南意谨射锚熙肋肛托蕾篇氖询懂箭醇毯谊照稚铜慰浊悠片路赏闷着也挝啃资翻猩刹琵胰讲燎婚浅聂史纤嫌惕矢凸揭规乾煤宿颧搽炙札映砖喧韭色藐稼帅痒队吠谈贰摄俊聘厌居桓碳慷妹硝浸傀榨荒腥面禹驾周欧折寒腺蛤碟卓陆受寂惭滞峪灿仅宙候杏咒凸噶讶柜廉嘿碘阶疲惶涂彻航郧双镍晋应蜂视梗闽虹魏类浑合灼耳吃念犊攘撼谢礼剧广驯孜跑啊袖曙炙佣痊叭爷祸谜卢菏裂汉渠肿棒邪孽松孤勘狗晚燕萤秉遏湍化柒音互船肉逝攻姜桐赋咸流打扭跳连纫矣眯圆蹿腐跋引骚遁订精葫吻3d 過渡金屬超薄膜及其合金之磁性郭建成、林敏聰*國立台灣大學物理系磁性超薄
4、膜中的磁性，像是磁異向性，居禮溫度，以及自旋轉向轉變等特性，對於薄膜的生長條件、厚度以及在合金中的成分比例等參數都很敏感。我們利用超高真空腔對這些效應做了一系列詳細而且有系統的研究。在這些研究中，我們發現薄膜的居禮溫度對其表面的形貌非常地敏感。此外，我們在對鈷鎳合金的研究中發現由合金成分改變所導致的自旋轉向相變。在一連串的分析中顯示，鈷鎳合金中鈷的成分對此合金的自旋轉向相變有很大的影響。這些磁性行為的演變可以歸因為晶格結構或形貌的變化，以及這些合金中 3d 電子對磁異向性的影響。 561 物理雙月刊（廿二卷六期）2000年12月一、簡介磁學原理與磁性材料的應用，在現在科技的進步中，扮演著關鍵性
5、的角色。從電腦中硬軟碟、磁性偵測器的發展，到最近很熱門的磁性記憶體 MRAM，都在整個推動科技進步的過程中，佔有舉足輕重的地位。在最近這幾年來，隨著技術的進步與需要，磁性超薄膜 (magnetic ultrathin film) 的相關性質，已經引起廣泛地注意與研究。這主要是由於在這樣的系統之中，因為維度縮減與對稱破壞的緣故，使得原本良好的對稱性受到相當大的影響，其晶格結構與磁性都與在塊材 (bulk) 中、甚至於一般的薄膜中都不相同。舉個例子來說，在很多磁性超薄膜中，會發生所謂的自旋轉向的轉變 (Spin-Reorientation Transition, SRT)，這是與一般塊材中的性質大
6、不相同的。我們將在下面做更進一步的討論。此外，對於鐵、鈷、鎳三種所謂的 3d 過渡金屬來說，其磁性的產生主要是由於這三種金屬中的 3d 電子能帶分裂、造成兩種自旋的電子數目不同所致。而 3d 電子能帶由於分佈在金屬原子的外圍，所以特別容易受到周圍環境的影響。在超薄膜金屬中，如前所述，其晶格結構不同於塊材且對外界環境格外敏感，也因此而顯現出很豐富的現象。同時，由於一般薄膜的成長，都是將薄膜鍍在基座 (substrate) 上，如果薄膜在基座上，是以所謂磊晶 (epitaxy) 的方式成長的話，它一開始將會以和基座的晶格排列相同的方式成長。因此人們可以利用一個和薄膜的自然狀態下晶格常數不同的基座來
7、製造一個在自然狀態下不存在的薄膜。以鐵為例，其自然狀態下為體心立方的結構，只有在很高溫的情況下它才可能形成面心立方的結構，但是在厚度沒有很厚的情況之下，它卻能以面心立方的結構長在銅的基座上。此外，磁性超薄膜的磁性還和薄膜所處的環境，如成長溫度或鍍膜後的熱處理，有很大的關係。以 Fe/Cu(100) 的超薄膜來說，其磁性對於在室溫生長的薄膜就和在低溫生長的薄膜有很大的差異。同樣的，對於 Co/Cu(100) 的超薄膜，我們也發現不同的鍍膜溫度的薄膜，其居禮溫度呈現顯著地變化，高溫鍍之薄膜，其居禮溫度甚至只有低溫鍍之薄膜的一半。若對已鍍好的超薄膜進行熱處理 (annealing)，也會對薄膜的磁性
8、產生很大的影響。當我們對 Co/Cu(100) 薄膜做熱處理後，發現對其居禮溫度的影響類似於改變鍍薄溫度，而且最後的居禮溫度也降到和在高溫鍍的薄膜一樣的大小。此外，對 Co/Pt(111) 的超薄膜進行熱處理後，我們發現其磁光效應卻大為提昇，甚至會大到處理前的三倍【1】。可見對於超薄膜的系統，鍍膜後的熱處理不僅對其磁性有很大的影響，而且其影響也會隨著不同的系統而有所不差異。圖、多功能超高真空腔。除了鐵、鈷、鎳單一元素的超薄膜之外，由這三種元素所組成的合金超薄膜，也是一個很有趣的課題。主要是如前所述，這三種元素的電子組態非常地接近，只差一個外圍的 3d 電子，而且我們可以令其生長在基座上以使整個
9、合金能夠長成和基座相同的晶體結構，所以只要能準確而有效地控制合金的比例，將可以藉此來研究 3d 電子的數目改變對此類磁性超薄膜磁性的影響。我們發現對於 CoxNi1-x/Cu(100) 合金超薄膜來說，只要改變鈷的比例一點點，就會對其自旋轉向轉變的臨界厚度，產生極大的影響。甚至只要 x 大於 0.1 後，原本屬於鎳特有的自旋轉向轉變就觀察不到了。要達到精準地控制超薄膜的條件並做細微地調整，同時能夠分析其磁性與晶體結構間之關聯性，就必須仰賴一個多用途的超高真空腔。圖為我們在台大物理系表面磁學實驗室所建立起來的多用途超高真空腔，其中結合了鍍膜、結構分析與磁性量測等設備以使整個超薄膜從生長一直到量測
10、完畢，都保持在相同的環境條件之下進行。在這篇文章中，將簡單地介紹鐵、鈷、鎳這三種傳統的鐵磁性材料生長在銅 (100) 基座上的超薄膜之磁性。此外，我們將進一步地探討利用改變薄膜生長條件、鍍膜後的熱處理等條件來觀察這些條件的改變對磁性的影響。同時，也將討論如何應用精確調整合金比例的技術來研究合金比例和鈷鎳超薄膜的磁性之間的關連。二、自旋轉向轉變在磁性超薄膜中所謂的自旋轉向轉變，是指隨著磁性超薄膜成長條件的改變，例如隨著薄膜厚度的改變，而使得其自發的磁化方向產生改變。最著名的例子，就是鐵長在銅 (100) 面單晶上的超薄膜 Fe/Cu(100)、Fe/Cu3Au(100)【2-4】。對於一個在室溫
11、生長的 Fe/Cu(100) 超薄膜來說，其磁化方向，一開始時，是垂直於薄膜平面的，這也是超薄膜特有的現象之一；然後隨著薄膜厚度的增加，大約在四個原子層(monolayer, ML) 的時候，垂直方向的磁性會變小，但是並沒有消失；這樣的趨勢，會一直持續到大約十一個原子層左右，此時磁化方向會由原先的垂直平面的方向轉為平行於平面的方向。此一奇特的現象，是在一般塊材中觀察不到的。欲了解此一轉變，可從了解磁性材料特有的磁異向能著手。圖、磁化方向與薄膜表面之間夾角的示意圖。在磁性材料中所謂的磁異向能 (Magnetic Anisotropy Energy, MAE)，是指磁化方向沿著不同的空間軸排列所導
12、致的能量差，也就是說，磁化在有一個比較喜好的方向軸，此軸稱為磁易軸。對於磁性超薄膜來說，磁異向能指的通常是垂直於平面方向與平行於平面方向的能量差異。定性上我們可以將磁異向能表示為，(1)其中 EMAE 為每單位體積的磁異向能，Keff 為有效磁異向常數，它可以粗略地分為體積項 Kv 與表面項 Ks，而 為薄膜磁化方向與表面法線方向之間的夾角，如圖所示。磁異向能為最小值的方向即為磁易軸的方向。可以看出，當 Keff 大於零時，磁異軸的方向是在垂直於薄膜表面的方向；而Keff 小於零時，則在平行於薄膜表面的方向。在Keff 變號時，則會產生自旋轉向的轉變。式 (1) 提供了一個對於實驗上觀察到的自
13、旋轉向行為簡單而且清楚的描述。由於磁偶交互作用的關係，Kv是負的，若Ks 是正的，則很容易可以看出在薄膜厚度很小時 Keff 小於零，也就是說磁化方向是垂直於薄膜表面的，而隨著薄膜厚度的改變，Keff 愈來愈小，最後變成負的，也就是磁化方向轉為平行於薄膜表面，如圖所示。圖、每單位面積的有效磁異向常數隨薄膜厚度變化的示意圖。對於鐵、鈷、鎳這三種磁性過渡金屬來說，以銅作為基座是一個不錯的選擇，主要是因為銅在周期表上與這三種元素相鄰，電子結構不致相差太多，晶格結構也很接近，而且又沒有磁性。因此這三種金屬長在銅上的磁性也特別引起廣泛的注意與研究。以下就針對鐵、鈷、鎳這三種磁性材料生長在銅 (100)
14、基座上的性質做一些比較。(I) Fe/Cu(100)在最近這幾年來，Fe/Cu(100) 超薄膜算是一個現象豐富且被廣泛研究的材料之一。其磁性與薄膜厚度、生長溫度，甚至於附著於薄膜表面的氣體都有很密切的關係。對於鍍在銅基座上呈現面心立方的鐵薄膜，隨著晶格常數細微的變化，其磁性可由原先的鐵磁性變為反鐵磁性【3】。而銅基座的晶格常數，恰巧介於面心立方鐵的鐵磁性與反鐵磁性的晶格常數之間，因此整個系統的磁性呈現出豐富的變化，而且對一些生長的條件如鍍膜溫度及薄膜厚度等都非常地敏感。隨著鍍膜溫度的不同，Fe/Cu(100) 超薄膜的磁性也表現出不同的厚度依賴性【3】。對於室溫生長的薄膜來說，在厚度小於四個
15、原子層時其磁性是垂直平面方向磁化的鐵磁性。此時的晶體結構為垂直於平面的軸有些拉長的面心長方 (Face Centered Tetragonal, fct)。但是在厚度大於四個原子層之後，除了最上面一層仍為鐵磁性外，其餘的原子都轉變為反鐵磁性，雖然磁化方向仍為垂直平面的方向，但是其磁化強度已大為減小。而此時的晶體結構也出現了變化，而且和磁性有很密切的關聯，除了最上面一層仍為原先的面心長方之外，其餘原子的晶體結構都轉變為面心立方。因此，我們可以了解這個系統的磁性與其晶體結構之間的關係。而這個反鐵磁層的存在一直延續到約十一個原子層左右才消失，同時磁化方向也由原先的垂直於平面轉為平行於平面的方向。其伴
16、隨而來的晶體結構則是由面心立方轉為體心立方。然而對於在低溫生長的薄膜來說，結果則有顯著的差異。低溫生長的薄膜，並沒有發現有反鐵磁層的存在，同時也沒有面心立方的晶體結構。整個系統的磁化方向，是由垂直的鐵磁性，在大約五個原子層的時後，直接轉變為平行於平面的方向。同樣的晶體結構也提早在五個原子層時由面心長方轉為體心立方。早期人們並不了解這個系統磁性和晶體結構之間的關聯及對成長條件如此的敏感。因此往往做出了不同的結果，也常常為了誰的結果才正確而爭論不休。直到這一系列的磁性與晶體結構之間關聯性的結果發表後，大家才有了較為一致的看法。也才對這個奇特的系統有了較為全面的了解。(II) Co/Cu(100)和 Fe/Cu(100) 豐富的磁性變化比起來，Co/Cu(100) 就顯得比較單調。這主要是因為這個系統的 Ks 項為負的，再加上負的 Kv，使得 Keff 一直都是負而沒有變號，使得磁性一直保持在平行於薄膜平面方向【5】。(III) N
