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溅射FeTaNTaNaFeTaN三层式夹心薄膜中面内磁各向异性的演变
H. B. Nie and C. K. Ong,
Centre for Superconducting and Magnetic Materials, Institute of Engineering Science and Department of Physics, National University of Singapore, 2 Science Drive 3, Singapore 117542, Singapore
J. P. Wang,Media and Materials, Data Storage Institute, DSI Building, 5 Engineering Drive 1, Singapore 117608, Singapore
Z. W. Li,Temasek Laboratories, National University of Singapore, 10 Kent Ridge Crescent,
Singapore 119260, Singapore
（于2002年11月13日提交）
本项研究探究三层式夹心薄膜中面内磁各向异性的演变，采用了射频磁控溅射法合成了FeTaN / TaN / FeTaN三层式夹心薄膜，FeTaN / TaN和TaN / FeTaN双层薄膜。又采用了角度分辨M-H环示踪剂，VSM，XRD，TEM，AES和AFM对沉积样品的磁性，晶体结构，微观结构和表面形貌进行了表征。随着FeTaN / TaN / FeTaN三层式夹心形体中的非磁性TaN中间层的厚度的变化，例如易硬轴的转换和双轴各向异性的出现，观察到了面内各向异性的演变。它可以归结为如下三种可能的机制，分别是层间磁耦合，应力各向异性和界面粗糙度。层间耦合和应力各向异性可能是导致三层式夹心形体中易硬轴转换的主要原因，而静磁和界面各向异性的共同作用可能是导致三层式夹心形体中双轴各向异性的主要原因，在以上机制中，静磁各向异性才是主要的。
copy;2003美国物理学会。[DOI: 10.1063/1.1555365]
由于其作为用于超高密度/数据速率磁记录的并且还是很有前途的薄膜写入头，使得多层铁基氮化物1-4和夹层结构5-7最近引起了很多关注。在我们之前的工作中8我们观察到，当薄膜在单层FeTaN薄膜中足够厚的时侯，易轴的方向切换90°，并且在[FeTaN / TaN] n中看到了面内磁各向异性的演变多层。 为了更好地理解面内磁各向异性所演化的潜在机制，我们研究了仅仅由一个非磁性中间层隔开的两个铁磁层存在的夹层，而并非是用更大的多层结构。 在本文中，我们报告了FeTaN / TaN / FeTaN夹层薄膜中的面内各向异性的演化结果。 我们的工作可能会揭示这些三层式夹心形体中面内各向异性演化的机制。
面内磁各向异性是指在某个平面或者界面内的磁各向异性。磁各向异性是指物质的磁性随方向而变的现象。主要表现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性尤为突出，是铁磁体的基本磁性之一，表示饱和（或自发）磁化在不同晶体方向时自由能密度不同。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。
如果分子中具有多重键或共轭多重键，在外磁场作用下，pi;电子会沿着分子的某一方向流动，它对邻近的质子附加一个各向异性的磁场，使某些位置的质子处于该基团的屏蔽区，delta;值移向高场，而另一些位置的质子处于该集团的去屏蔽区，delta;值移向低场，这种现象称为磁各向异性效应。
本实验通过在Si的衬底上使用了反应性射频磁控溅射合成的FeTaN / TaN / FeTaN夹层膜，FeTaN / TaN双层膜（其中TaN为覆盖层）和TaN / FeTaN双层（这里的TaN为缓冲层）。该实验的描述是可以在我们以前的工作中找到的.8,9在薄膜系列中，FeTaN层的厚度保持在了30plusmn;3nm，而TaN层的厚度中tTaN却不同于0.0至50纳米。在这里我们使用了角度分辨M - H环示踪剂，振动样品磁力计（VSM），X射线衍射（XRD），透射电子显微镜（TEM），俄歇电子能谱（AES）和原子对沉积样品进行了表征。其中用力显微镜（AFM）研究了它们的磁性，晶体结构，微结构和表面形态。为了能够揭示薄膜的磁各向异性，我们还研究了M - H磁滞回线在50 Oe的最大磁场下使用了M - H回路示踪器作为应用场角ϕ的函数。角度ϕ是应用方向之间的角度用于M-H环测量的磁场H m和在膜沉积期间施加的对准磁场H al。每个样品都是在0度至360度的不同角度ϕ下测量的，间隔为15°。在最大场14000Oe的情况下通过VSM来测量面外磁滞回线。
AES是一种表面科学和材料科学的分析技术。因为此技术主要借由俄歇效应进行分析而命名之。这种效应系产生于受激发的原子的外层电子跳至低能阶所放出的能量被其他外层电子吸收而使后者逃脱离开原子，这一连串事件称为俄歇效应。其特点在俄歇电子来自浅层表面，仅带出表面的资讯，并且其能谱的能量位置固定，很容易分析。这里的样品的AES深度的分布表明了薄膜的三层式夹心形体型结构。在比较了样品的面内和面外M-H环之后，我们得出了结论，在所有的膜中都没有垂直磁各向异性，这也是预期的，因为薄膜的几何形状的退磁场有效地迫使了磁化平稳安置在了薄膜中。然而，样品的面内矫顽力的角度依赖性表明了FeTaN / TaN / FeTaN夹层膜的面内各向异性的演变。图1显示了矫顽力的极坐标图，它是三层式夹心的应用场角ϕ的函数。当tTaN= 0.0和1.0nm，在沿着H al（ϕ = 0°）的方向都是存在单轴各向异性。这是由于磁场而引起的各向异性。当tTaN = 2.0 nm的时侯，易轴切换为90°并沿着ϕ = 90°的方向。当tTaN = 3.0,4.0和5.0 nm的时侯，易轴切换为90°反向并沿着ϕ = 0°的方向。当tTaN= 6.0nm的时候，面内各向异性会几乎消失，并接近各向同性。当tTaN = 7.0 nm的时侯，当双轴各向异性出现的时侯，沿着方向会有两个易轴。就是ϕ = 0°和ϕ = 90°。当tTaN = 10,20,30,40和50nm的时侯，薄膜也会具有双轴各向异性。而我们认为面内各向异性的演化是由三种效应的组合共同引起的，这三种效应分别就是层间磁耦合，应力和界面粗糙度。层间耦合则是指磁性多层材料的层与层之间的耦合作用，相邻磁性层间有两种耦合，即铁磁性耦合和反铁磁性耦合，且这两种耦合对多层薄膜的物理性质有很大的影响
图2中显示了FeTaN / TaN / FeTaN夹层薄膜的磁滞回线，磁滞回线表示的是磁场强度在发生周期性变化时，强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线。它表明了强磁性物质在反复磁化过程中磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H之间的变化关系。由于B=mu;0(H M)，只需要已知一材料的M—H曲线，便可求出这种材料的B—H曲线，反之亦然。式中mu;0便是真空磁导率。其角度分别为ϕ = 0°和ϕ = 90°，其中的tTaN从0.0变为50nm。当tTaN = 0.0和1.0nm的时侯，当施加的场H在接近矫顽力Hc的时侯，在这两个滞后环MH（ϕ = 0°）和MH（ϕ = 90°）中并没有台阶。在这种情况下，这两个FeTaN层之间仅仅存在铁磁耦合。当tTaN在2.0n和7.0nm之间的时侯，在磁滞回线MH（ϕ = 0°）中并没有台阶，但使磁滞回线MH中却有一个台阶（ϕ = 90°）。而最尖锐的步骤是在tTaN = 3.0nm的情况下发生的。这种磁化行为归因于两个FeTaN层之间的反铁磁和静磁耦合的组合。由于这两个FeTaN层之间的部分反铁磁的耦合，两个FeTaN层的磁化在ϕ = 90°的反向磁场过程中是不会同时反转的。这将会作为其中的一个层出现，由于这种耦合会导致磁场的减小，因此会突然反转，而反转的第二层会需要更多的能量。当tTaN = 3.0nm的时侯，这两个FeTaN层之间会存在最强的反铁磁耦合。而当tTaN在10nm和5
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