對靶磁控濺射FeCoN薄膜的結(jié)構(gòu)與磁性

1、第49卷第1期2011年1月吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版）Journal of Jilin University （Science Edition ）Vol49No1Jan 2011對靶磁控濺射FeCoN 薄膜的結(jié)構(gòu)與磁性賈1，2輝，韓1132莉，孫淑晶，孫光東，趙翠梅，王欣2（1北華大學(xué)物理學(xué)院，吉林吉林132013；2吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春130012；3惠州學(xué)院電子系，廣東惠州516007）摘要：利用改進(jìn)后的對靶磁控濺射系統(tǒng)，以N 2/Ar混合氣體為濺射氣體，在未加熱的Si （111）襯底上沉積FeCoN 薄膜采用X 射線衍射儀（XRD ）、透射電子顯微鏡（TEM ）、掃描電子顯微鏡（

2、SEM ）和超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID ）研究不同Co 靶濺射功率對FeCoN 薄膜樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和磁性性能的影響結(jié)果表明：固定Fe 靶功率為160W （電流I =04A ），當(dāng)Co 靶功率為24W （I =004A ）時，薄膜由Co 溶入-Fe 3N 中形成的-（Fe ，Co ）3N 化合物相構(gòu)成；當(dāng)Co 靶功率為58W （I =02A ）時，獲得了Fe 3N /Co3N 化合物相，薄膜的飽和磁化強(qiáng)度（M s ）為15147A ·m 2/kg，矯頑力（H c ）為368kA /m；當(dāng)Co 靶功率為119W （I =007A ）時，制備（Fe ，Co ）16N 2化合物相，薄膜的M

3、 s =26508A ·m 2/kg，出具有高飽和磁化強(qiáng)度的 -H c =824kA /m（Fe ，Co ）16N 2；飽和磁化強(qiáng)度；矯頑力關(guān)鍵詞：FeCoN 薄膜； -5489（2011）01-0125-06中圖分類號：TB303文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-Structural and Magnetic Properties of FeCoN Thin FilmDeposited by Facing-Target Magnetron Sputtering2JIA Hui 1，HAN Li 1，SUN Shu-jing 1，SUN Guang-dong 3，ZHAO Cui-

4、mei 2，WANG Xin 2（1College of Physics ，Beihua University ，Jilin 132013，Jilin Province ，China ；2College of Materials Science and Engineering ，Jilin University ，Changchun 130012，China ；3Department of Electronics ，Huizhou College ，Huizhou 516007，Guangdong Province ，China ）Abstract ：Fe-Co-N films were de

5、posited on an unheated Si （111）substrate by means of developed facing-target magnetron sputtering with N 2/Aras sputtering gasThe effect of various Co target power on the ray diffraction （XRD ），structure ，morphology and magnetic properties of FeCoN films were investigated by X-transmission electron

6、microscopy （TEM ），scanning electron microscopy （SEM ）and superconducting quantum interference device （SQUID ），respectivelyThe results show that when the input power on Fe target was （Fe ，Co ）3N were synthesized ；when Co target 160W and Co target power was 24W ，the thin films with -power was 58W ，par

7、amagnetic Co 3N phase appeared with ferromagnetic phase Fe 3N ，saturation magnetization （M s ）of thin film is 15147A ·m 2/kg，coercivity （H c ）is 368kA /mWhen Co target power was 119W （I =007A ）， -（Fe ，Co ）824kA /m01-27收稿日期：2010-作者簡介：賈王mail ：bhjiahui1963yahoocomcn通訊作者：輝（1963），女，漢族，副教授，從事磁性薄膜材料的研

8、究，E-mail ：wang_xinjlueducn欣（1970），女，漢族，博士，教授，從事磁性納米薄膜材料和碳基納米材料的研究，E-基金項目：科技部基礎(chǔ)專項科研項目基金（批準(zhǔn)號：2008FY230100）和吉林省科技廳項目基金（批準(zhǔn)號：20070501）16N 2phase was obtained with a high M s of 26508A ·m 2/kgand H c of126吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版）第49卷Key words ：FeCoN thin film ； -Fe 16N 2；saturation magnetization ；coercivityFe 8N

9、，F(xiàn)e 16N 2，F(xiàn)e 4N 和-Fe 3N ）、優(yōu)良的磁性性能、較高的硬氮化鐵材料具有多種結(jié)構(gòu)（如' - -' -1-3文獻(xiàn)3-5度、耐磨性和耐腐蝕性，在磁記錄材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛分別采用蒸鍍法、分子束外延法Fe 16N 2相，具有較高的飽和磁化強(qiáng)度，平均每個鐵原子貢獻(xiàn)30 和射頻磁控濺射法得到了 -35B ，膜的飽和磁化強(qiáng)度約為310A ·m 2/kg，遠(yuǎn)高于純鐵的飽和磁化強(qiáng)度（210A ·m 2/kg）；文獻(xiàn)6-7Fe 16N 2的膜材料，研究表明， -Fe 16N 2的飽和分別采用對靶磁控濺射和氮離子注入法得到含 -28-9磁化強(qiáng)度等于或略高于純鐵膜的

10、飽和磁化強(qiáng)度，約為240A ·m /kg；文獻(xiàn)采用不同的模型和方Fe 16N 2中每個鐵原子的平均磁矩小于25B ，略大于（ 10%）-Fe 的平均磁法，從理論上推算出 -Fe 16N 2相的制備和表征研究引起人們廣泛關(guān)注但矩由于理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，因此 -Fe 16N 2相熱穩(wěn)定性較差，且不易制備，文獻(xiàn)10Fe 16N 2的合 -提出加入適量Co 元素可以有利于 -10-16，除文獻(xiàn)14外使用的靶材均為Fe 1x Co x 合金靶或?yàn)镃o 成在FeCoN 三元合金化合物的研究中片鑲嵌在Fe 靶上的混合靶，因此不易控制FeCoN 薄膜中Co 和Fe 的質(zhì)量百分比本文對濺射設(shè)備進(jìn)行

11、了改造，改造后的設(shè)備可獨(dú)立控制對靶靶材的輸入功率為方便，本文采用固定Fe 靶功率，通過調(diào)節(jié)Co 靶功率的方法，獲得了具有不同Co 含量的FeCoN 薄膜，并對其結(jié)構(gòu)、形貌及磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究1實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)后的中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的DPS-型高真空對靶磁控濺射系統(tǒng)制備FeCoN 薄膜以直徑為6mm 、厚度為3mm 的高純Fe 靶（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9999%）和Co 靶作為對靶靶材，兩靶與襯底托中心間的距離均約為65cm在薄膜沉積前，依次用丙酮、乙醇和蒸餾水在超聲波振蕩5儀中清洗Si （111）襯底各10min ，烘干后置于磁控濺射系統(tǒng)中，預(yù)抽真空為9 10Pa采用高純Ar 和N 2作為放

12、電氣體，N 2同時為反應(yīng)氣體Ar 流量為602mL /min，N 2流量為67mL /min濺射氣壓U =400V ），Co 靶功率分別為24為05Pa ，濺射時間為40minFe 靶功率固定為160W （I =04A ，（I =004A ，U =60V ），119（I =007A ，U =170V ），22（I =01A ，U =220V ），58W （I =02A ，U =290V ）薄膜厚度約為1mtools 型X 射線衍射儀（XRD ）（Cu K 靶材，管電壓40kV ，采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Bruker D8-2100F 型透射電子管電流150mA ，步長002 ，停留時間02s

13、）和日本精工（JEOL ）公司生產(chǎn)的JEM-顯微鏡（TEM ）（加速電壓200kV ，暗場電流95A ，發(fā)射電流140A ）表征樣品結(jié)構(gòu)；采用日本精工公6700F 型掃描電子顯微鏡（SEM ）獲取薄膜的表面形貌；通過分析樣品截司生產(chǎn)的冷場發(fā)射JEOL JSM-5T 型超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID ）面的SEM 照片可得薄膜的厚度；利用美國San Diego 公司生產(chǎn)的MPMS-在0 5T 掃描磁場下測量薄膜的磁性；采用沈陽龍騰電子有限公司生產(chǎn)的AG249型電子天平（精度為001mg ）分別稱量樣品去膜前后的質(zhì)量可得所沉積的薄膜質(zhì)量；利用體積分?jǐn)?shù)為20%的硝酸和乙醇溶液進(jìn)行去膜處理221結(jié)果與討論

14、不同Co 靶功率對FeCoN 薄膜結(jié)構(gòu)的影響Fe 靶電流為04A ，Co 靶電流分別為004，007，01，02A 制備FeCoN 薄膜的XRD 譜如圖1所示不同Co 靶功率制備FeCoN 薄膜樣品的透射電子顯微鏡照片如圖2所示由圖1和圖2可見，F(xiàn)e （04）Co （004）樣品中出現(xiàn)一個明顯的衍射峰，衍射角24170 ，對應(yīng)-Fe 3N （002）晶面其衍（2），（4），（5）分別對應(yīng)-Fe 3N （111），（112），（300），（113）晶面；衍射環(huán)（3）對應(yīng)Fe 3O 4射環(huán)（1），（440）（a =b =c =08391nm ）晶面，這是由于制備TEM 測試樣品時被氧化所致XRD

15、和TEM 分析表Fe 3N ，未沉積形成純金屬明，當(dāng)Co 靶功率較低、Co 含量較少時，薄膜中的主要結(jié)構(gòu)相為密排六方-Co 和Co 的氮化物相，從靶材中濺射出的Co 原子可進(jìn)入-Fe 3N 晶格中，并置換了部分Fe 原子，生成第1期賈輝，等：對靶磁控濺射FeCoN 薄膜的結(jié)構(gòu)與磁性127（Fe ，Co ）3N 化合物相了-當(dāng)Co 靶電流為007A 時，沉積獲得Fe （04）Co （007）樣品該樣品在XRD 譜中出現(xiàn)Fe 8N 的一個較寬的衍射峰，峰位可對應(yīng)' -2=4412 （體心正方結(jié)構(gòu)，a =b =02902nm ，c =03170nm ）和 -Fe 16N 2的2=4487 通

16、過TEM 分析可知，樣品結(jié)晶，且晶粒細(xì)小通過測量圖2中Fe （04）Co （007）樣品電子衍射環(huán)的半徑可得每個衍射環(huán)對應(yīng)的晶面指數(shù)其中衍射環(huán)（1）對Fe 16N 2（202）晶面；衍射環(huán)（2）的晶面指數(shù)與圖1不同Co 靶功率制備FeCoN 薄膜樣品的XRD 譜應(yīng) -Fe 3N （201）相符，其衍射角2均在 （301）和-Fig1XRD patterns of FeCoN films deposited 圖1XRD 衍射峰所對應(yīng)的角度范圍內(nèi)；衍射環(huán)（3）at different Co sputtering powersFe 3N （300）和（310）晶面；衍射環(huán)（4）和（6）分別對應(yīng)

17、9; -Fe 8N （402）和（404）晶面因和（5）分別對應(yīng)-（Fe ，Co ）3N + -（Fe ，Co ）此，F(xiàn)e （04）Co （007）薄膜樣品的結(jié)構(gòu)為-16N 2+' -（Fe ，Co ）8 N圖2Fig2不同Co 靶功率制備FeCoN 薄膜樣品的透射電子顯微鏡照片TEM images of FeCoN film deposited at different Co sputtering powers當(dāng)Co 靶電流為01A 時，沉積獲得Fe （04）Co （01）薄膜樣品，由圖1該樣品的XRD 譜可知，其Fe 3N （111）晶面對應(yīng)通過TEM 分析可知，F(xiàn)e （04）Co

18、 （01）樣品的衍射環(huán)衍射角2438 ，與-（1）由薄膜中-Fe 3N （110）/Co3N （100）產(chǎn)生；衍射環(huán)（2） （4）分別對應(yīng)-Fe 3N （112），（300）和（220）Fe 3N 和少量的Co 3N 化合物的晶面衍射即Fe （04）Co （01）樣品制備出-當(dāng)Co 靶電流為02A 時，沉積獲得Fe （04）Co （02）樣品，由圖1該樣品的XRD 譜可知，其衍射7083 ，8551 分別對應(yīng)-Fe 3N /Co3N 化合物中（002）/（002），（300）/（110）和（221）/（112）角4155 ，F(xiàn)e 3N /Co3N ，其衍射環(huán)（1） 的晶面衍射由TEM 分析可知

19、，F(xiàn)e （04）Co （02）樣品中的結(jié)構(gòu)相為-（3）分別對應(yīng)-Fe 3N （002）/Co3N （002），（300）/（110）和（221）/（112）晶面，衍射環(huán)（4）對應(yīng)-Fe 3N（222）晶面綜上可知，在襯底溫度不變，固定Fe 靶功率為160W ，并當(dāng)Co 靶功率較小時，樣品中Co 含量較N 合金相，薄膜主要由-（Fe ，Co ）3N 化合物組成在Fe （04）Co （004）薄膜樣品中出低，未出現(xiàn)Co-Fe 3N 結(jié)構(gòu)相，與文獻(xiàn)17（Fe ，Co ）16N 2相，即薄現(xiàn)-結(jié)果相符；當(dāng)Co 靶電流為007A 時，形成了 -Fe 16N 2相的形成，N 合金化合物的形成，膜中的Co

20、促進(jìn)了 -繼續(xù)增加薄膜中的Co 含量，僅促進(jìn)了Co-Fe 16N 2相而未出現(xiàn) -128吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版）第49卷22不同的Co 靶功率對FeCoN 薄膜形貌的影響對照XRD 譜中衍射峰半高寬，利用Scherrer 公式可計算出4個樣品的平均晶粒尺寸，按Co 靶功25，28，162nm由于半高寬受多種因素影響，且衍率從低到高的順序，平均晶粒尺寸分別為121，射峰的數(shù)量較少，無法去掉應(yīng)力產(chǎn)生寬化的影響，因而利用Scherrer 公式計算的晶粒尺寸偏小不同Co 靶功率制備樣品的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示由圖3可見，4個樣品的形貌均不同，這與組成薄膜樣品的不同結(jié)構(gòu)相有關(guān)：Fe （04）Co （

21、004）的表面形貌呈類四面體形狀，在大顆粒間鑲嵌小尺寸顆粒，大多數(shù)顆粒呈平行于襯底表面排列，平均顆粒尺寸約為40 60nm ；Fe （04）Co （007）顆粒為類三角形形狀，并呈現(xiàn)顯著的擇優(yōu)生長形貌，小顆粒尺寸數(shù)目增多并局域聚集，平均顆粒尺寸約為25nm ；Fe （04）Co （01）樣品的表面形貌呈球狀，平均顆粒尺寸約為35nm ；Fe （04）Co （02）樣品的表面形貌呈扁平的四面體形狀，平均顆粒尺寸約為100 120 nm圖3Fig3不同Co 靶功率制備樣品的掃描電子顯微鏡照片SEM images of samples deposited at different Co sputte

22、ring powers不同Co 靶功率對FeCoN 薄膜磁性的影響不同Co 靶功率制備樣品的磁滯回線如圖4所示隨著Co 靶功率的增加，樣品的飽和磁化強(qiáng)度依26508，15888，15147A ·m 2/kg，矯頑力分別為1002，824，1056，368kA /m，其結(jié)果次為14182，列于表 123圖4Fig4不同Co 靶功率制備FeCoN 樣品的磁滯回線Hysteresis loops of FeCoN samples deposited at different Co sputtering powers由表1可見，固定Fe 靶功率為160W （I =04A ），當(dāng)Co 靶功率為

23、119W 時，F(xiàn)eCoN 薄膜的飽和22磁化強(qiáng)度具有最大值26508A ·m /kg，大于FeCo 合金的飽和磁化強(qiáng)度（248A ·m /kg）和純鐵的飽第1期賈輝，等：對靶磁控濺射FeCoN 薄膜的結(jié)構(gòu)與磁性1292（Fe ，Co ）16N 2的貢和磁化強(qiáng)度（210A ·m /kg），結(jié)合結(jié)構(gòu)分析可知，該薄膜呈高飽和磁化強(qiáng)度是由 -獻(xiàn)所致通過改變Co 靶功率可連續(xù)調(diào)節(jié)FeCoN 薄膜中的Co 含量，Co 含量對所形成的薄膜結(jié)構(gòu)影響Fe 16N 2化合物相的形成，較大，只有Co 靶功率（Co 含量）在較窄范圍內(nèi)變化時，引入Co 才可促進(jìn) -N 化合物相，該類合金相

24、僅以面心立方Co 4N 的方式存當(dāng)薄膜中的Co 含量較高時，有利于沉積出Co-在時呈室溫鐵磁性，因此Co 含量較高會降低FeCoN 薄膜的飽和磁化強(qiáng)度表1Table 1樣品不同Co 靶功率制備FeCoN 薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性M s /（A ·m 2·kg 1）14182265081588815147H c /（kA ·m 1）10028241056368Structure and magnetic properties of FeCoN film deposited at different Co sputtering powersCo 靶功率/W241192258結(jié)

25、構(gòu)Fe （04）Co （004）Fe （04）Co （007）Fe （04）Co （01）Fe （04）Co （02）（Fe ，Co ）3N -（Fe ，Co ）3N + +' -Fe 3N /Co3N -Fe 3N /Co3N -薄膜飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力隨Co 靶濺射功率的變化規(guī)律如圖5所示由圖5可見，當(dāng)Co 靶電流007，01A 時，薄膜的矯頑力變化不分別為004，明顯，當(dāng)Co 靶電流為02A 時，矯頑力降低為368kA /mFe （04）Co （02）薄膜樣品的矯頑力與18晶粒尺寸間的關(guān)系可用隨機(jī)各向異性理論解釋當(dāng)晶粒尺寸大于交換相互作用長度時，磁化過程由晶界處疇壁釘扎理論決定，

26、矯頑力的大小與晶粒尺寸成反比，即矯頑力隨晶粒尺寸增加而減?。划?dāng)晶粒尺寸小于交換相互作用長度時，晶粒呈單疇，不存在疇壁，磁化過程通過磁矩的一致轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)，矯圖5不同Co 靶功率制備樣品的飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力頑力的大小與晶粒尺寸的6次方成正比，矯頑力隨Fig5Saturation magnetization and coercivity 晶粒尺寸的增加而增大由于一般材料的交換作用of FeCoN samples deposited at differentCo sputtering powers 長度約為40nm ，因此本文制備的樣品晶粒尺寸與矯頑力的關(guān)系符合該理論綜上，本文利用對靶直流磁控濺射方法

27、制備了FeCoN 薄膜，當(dāng)Fe 靶電流為04A 時，隨著Co 靶Fe 3N 中形成的-（Fe ，Co ）3N 化合物相向-Fe 3N /Co3N 相轉(zhuǎn)變，其功率的增加，薄膜結(jié)構(gòu)由Co 溶入-（Fe ，Co ）8N / -（Fe ，Co ）16N 2相，薄膜樣品的飽和磁化強(qiáng)度最大，中當(dāng)Co 靶電流為007A 時，形成' -大于純鐵和FeCo 合金的飽和磁化強(qiáng)度；當(dāng)Fe 靶電流為04A 和Co 靶電流為02A 時，獲得FeCoN 薄膜的矯頑力最小；薄膜樣品的形貌和晶粒尺寸隨Co 靶功率的增加變化顯著參考文獻(xiàn)1WANG Li-li ，ZHAO Li-jun ，JIANG Wei-di ，et

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