磁性與非磁性粗糙金屬(Fe，Cu)薄膜研究.pdf

1、基底性質(zhì)對金屬薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及其物理特性有著重要的影響?；谝合嗖牧峡捎米鞅∧どL基底的事實,我們采用熱蒸發(fā)沉積方法在硅油基底表面制備了一種具有近似自由支撐邊界條件的銅薄膜系統(tǒng)。本文系統(tǒng)地研究了其成膜機理、特征內(nèi)應力釋放圖案以及微結(jié)構(gòu)等物理特性。此外,本文還采用熱蒸發(fā)沉積方法在α-Al2O3陶瓷自然斷面生長鐵薄膜系統(tǒng),并對其低溫磁特性進行了研究。
　　 實驗發(fā)現(xiàn):此類銅薄膜的生長機制與沉積在液相基底表面的其他金屬薄膜的情況類似,

2、近似服從二階段生長模型:沉積原子先成核并凝聚成尺寸為一定大小的準圓形原子團簇；然后經(jīng)過無規(guī)擴散和旋轉(zhuǎn),逐漸凝聚成分枝狀凝聚體,最終隨著名義膜厚的增加,分枝狀凝聚體不斷生長和相互連接,逐漸形成致密的連續(xù)銅薄膜。實驗結(jié)果還顯示:在薄膜沉積速率不變的條件下,銅原子凝聚體的分枝寬度幾乎不隨薄膜名義厚度的改變而改變；在名義厚度不變的條件下,分枝寬度隨沉積速率的增加而減小。
　　 我們利用原子力顯微鏡對從不連續(xù)到連續(xù)的銅薄膜系統(tǒng)進行了進一步

3、的研究。研究表明:銅的準圓形原子團簇實際上是由尺寸為更小的呈現(xiàn)高斯分布的顆粒組成；在一定的薄膜名義厚度下,顆粒的平均尺寸φm隨著沉積速率的增加而減小；而在一定的沉積速率下,顆粒的平均尺寸φm隨著薄膜名義厚度的增加而沒有明顯變化。
　　 在連續(xù)銅薄膜中,我們觀察到一種接近宏觀尺度且具有準周期特征的帶狀有序結(jié)構(gòu),它們是由許多相鄰且相互平行的矩形疇塊相互拼接而成,相鄰疇塊的寬度w不盡相同,但它們的長度L基本一致。二次沉積實驗表明此類帶

4、狀有序結(jié)構(gòu)是在樣品制備完畢后且取出真空室之前形成的。
　　 實驗證明:上述銅帶狀有序結(jié)構(gòu)的形成與此類近似自由支撐薄膜系統(tǒng)內(nèi)應力釋放有關。由于液相基底的熱膨脹系數(shù)遠大于銅薄膜的熱膨脹系數(shù),在樣品制備完畢后的冷卻過程中,銅薄膜中會存在較大的內(nèi)應力。當局部區(qū)域的內(nèi)應力超過了一定的臨界值時,薄膜便會在此區(qū)域破裂成多個薄膜板塊；由于液體基底與固體薄膜的結(jié)合很弱,沉積在液體表面的薄膜可以近似看成自由的二維系統(tǒng),破裂后的薄膜板塊為了釋放內(nèi)應力

5、可以在液體表面作自由移動；最終,破裂后的金屬薄膜板塊彼此間的相互碰撞、擠壓并穿插疊加,導致了具有準周期特征的帶狀有序結(jié)構(gòu)的形成。
　　 為了最大限度地釋放薄膜中的內(nèi)應力,裂縫或褶皺的延伸方向往往與薄膜局域最大內(nèi)應力方向垂直,所形成的特征內(nèi)應力釋放圖案往往反映了此時薄膜中內(nèi)應力的分布。經(jīng)典的薄板彎曲理論模型和已有沉積在硅油表面的鎳薄膜系統(tǒng)研究表明:沉積在液相基底表面的薄膜中同時存在不同振幅和頻率的一系列正弦型內(nèi)應力分布,它們的相互

6、疊加,形成了具有特征頻譜的疇塊型內(nèi)應力場,而該內(nèi)應力場的逐漸釋放最終導致了矩形狀疇塊和帶狀有序結(jié)構(gòu)的形成。
　　 采用熱蒸發(fā)沉積方法,在α-Al2O3陶瓷自然斷面生長鐵薄膜系統(tǒng),并利用X射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、振動樣品磁強計(VSM)和多功能磁性測量系統(tǒng)(PPMS)對其微結(jié)構(gòu)和低溫磁特性進行了研究。測量結(jié)果顯示:此類鐵薄膜系統(tǒng)在低溫時,矯頑力Hc在10 K附近有一明顯的極大值峰,而交換偏置場HE在5K

7、附近有一極小值。研究還表明,交換偏置場與測量中施加的冷卻場HCF有關。如在溫度T＞10 K范圍,當HCF=2 kOe時,HE始終是負值；而當HCF=20 kOe時,HE隨著溫度的升高由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎怠＝Y(jié)果表明:該奇異的磁滯行為與鐵薄膜中的無序自旋在低溫時進入類自旋玻璃態(tài)有關。而這種低溫類自旋玻璃態(tài)的自旋凍結(jié)與鐵磁薄膜中的可翻轉(zhuǎn)自旋間的交換耦合作用最終導致了鐵膜中的明顯的交換偏置特征。
　　 本文各章節(jié)內(nèi)容安排如下:
　　

8、 第一章:詳細介紹了固相基底薄膜的成膜機理、內(nèi)應力和磁特性等的研究現(xiàn)狀:綜述了液相基底各種金屬薄膜物理特性(如成膜機理、微結(jié)構(gòu)和磁特性)研究的最新進展。
　　 第二章:系統(tǒng)研究了硅油基底表面銅分枝狀凝聚體到連續(xù)膜的成膜機理、生長規(guī)律及微結(jié)構(gòu)。
　　 第三章:詳細研究了連續(xù)銅薄膜中帶狀有序結(jié)構(gòu)和生長規(guī)律及其形成機理,并揭示了此類具有自由支撐邊界條件銅薄膜中的內(nèi)應力分布及演化規(guī)律。
　　 第四章:研究了α-Al2O3