薄膜材料磁力显微镜图像量化分析及高性能探针制备

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磁性材料的磁畴结构决定了它的磁性能及应用方向,因此研究磁性材料的畴结构对于了解材料的磁化和反磁化机制以及对改进材料的制备工艺有明确的指导作用。由于磁力显微镜具有分辨率高(50nm以下)、样品制备简易、操作简单、测试环境要求不高、测试材料广泛等优势,使其成为磁畴观测的最有力工具。本论文主要包括三个方面:第一,用傅立叶和近似的方法分别从MFM图像中得到了样品表面的磁荷和杂散场分布,这样就确定样品的畴结构;第二,用磁力显微镜对FeCoAlON样品进行了磁畴研究,讨论了它的条形畴出现的原因和条件;第三,用溅射的方法制备了高矫顽力、高分辨率的FePt磁性探针,得到了最优化的制备条件。具体的研究内容和结果如下:(1)用傅立叶变换方法我们得到了样品的表面磁荷和杂散场分布,但同时会放大低频噪音信号,所以在处理中我们常使用滤波的方法去掉图像中的噪声信号,但同时会损失信号且滤波的合适截止频率很难选择,因此我们使用近似方法更能准确得到样品表面的磁荷和杂散场分布。(2)对于薄膜材料,可以通过MFM图像得到样品表面磁荷和杂散场分布,以及从磁滞回线上得到的相关信息,我们可以确定薄膜的磁畴结构的特点。对于垂直各向异性的薄膜,磁力显微镜图直接给出了它的磁畴结构图,杂散场垂直于膜面的分量给出了它的磁畴和畴壁位置。而面内各向异性的薄膜,由磁力图得出的表面磁场分布可以确定薄膜表面磁畴和畴壁的位置。(3)随N含量的增加,FeCoAlON薄膜从面内各向异性变为各向同性,并且出现了弱的垂直各向异性,且随N含量的增加而增大;当N含量大于3%时,薄膜表现为旋转各向异性,表面出现了条形畴结构。(4)可以认为FeCoAlON薄膜中,条形畴生成的主要原因是N原子进入了FeCo合金薄膜的(110)面,成为间隙原子,使晶格发生形变,从而引起了压应力,导致了垂直膜面的磁弹性各向异性的出现,而一定的垂直各向异性是薄膜具有旋转各向异性的必要条件。(5)随着厚度的增加,FeCoAlON薄膜的磁畴结构从十字壁慢慢变为条形畴;根据实验测得的薄膜厚度和磁畴的平均宽度,拟合了薄膜厚度与平均畴宽的关系曲线;并在此基础上计算了薄膜出现条形畴的临界厚度,大约为100nm,与我们制备的样品在110nm出现条形畴的实验结果是一致的。(6)我们还测量了畴结构薄膜的频率响应特性的影响。厚度为55nm的FeCoAlON薄膜为单峰共振,共振频率为2.0GHz,低频磁导率在500以上,与非条形畴结构铁磁薄膜的理论共振频率非常符合;当厚度变为110nm,310nm,320nm,450nm时,共振模式为双峰共振;厚度为550nm的FeCoAlON薄膜为多峰共振。(7)条形畴结构的FeCoAlON薄膜在沿条形畴的长度方向从正向磁化饱和到负向磁化饱和的过程中,条形畴逐渐形成后消失,且畴宽先增加后减小,磁化过程中包括畴壁位移和磁矩转动,磁矩转动在矫顽力场附近最为剧烈;在沿垂直于条形畴长度方向磁化时,条形畴长度方向会在高于矫顽力场转动到平行于磁场方向上,且畴宽会减小,这说明磁化过程中发生了畴壁位移。(8)在制备FePt探针时,必须进行反溅射处理,去除探针针尖表面的污染物,使FePt磁性层和针尖骨架基体结合更为牢固。(9)在溅射FePt磁性层之前,溅射一层2nm厚的Si02薄膜,可以使FePt层更容易附着在探针针尖上,使测得的AFM图更为准确;并且Si02作为衬底有助于FePt薄膜在其上外延生长,形成的L10相FePt磁性层有高的矫顽力,在测试中可以得到更好的MFM图像。(10)FePt磁性层的厚度不同,MFM探针的分辨率不同,FePt磁性层越厚,探针分辨率越差,但溅射薄膜过薄时,探针的磁性信号不足,在测试中会出现太多背景噪音;溅射厚度为40~60nm时,制备的MFM探针有最好的信噪比和较好的分辨率。
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