鐵磁薄膜與極性ZnO表面相互作用的同步輻射光電子能譜研究.pdf

1、隨著近年來高密度存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展需求，F(xiàn)e、Co等磁性超薄膜與各種氧化物襯底的界而研究引起了廣泛的關(guān)注，包括薄膜的磁性，界而的電性能，化學(xué)穩(wěn)定性在內(nèi)的一系列界面的物理化學(xué)性能都成了研究的重點(diǎn)。隨著磁性薄膜在氧化物表面的生長，界面作用諸如界面的化學(xué)態(tài)，界面之間的互擴(kuò)散，以及不同的界面結(jié)構(gòu)都會(huì)隨著薄膜厚度的增加而相應(yīng)的變化，而這些界面作用的不同必然導(dǎo)致整個(gè)界面性能的改變，通過研究界面作用隨厚度的改變可以分析出相應(yīng)的界面性能的變化，這將對(duì)界面體

2、系的應(yīng)用極具實(shí)際意義。同時(shí)，通過界面的退火可以有效促進(jìn)磁性介質(zhì)向氧化物中的擴(kuò)散，這種方法正作為稀磁半導(dǎo)體的一種有效制備手段而得到重視。
　　 本文主要通過光電子能譜技術(shù)研究了磁性Fe、Co金屬超薄膜在極性ZnO(000±1)表而的生長和退火時(shí)電子結(jié)構(gòu)的變化，并輔以原子力顯微鏡(AFM)和場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)，以及超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)等對(duì)樣品的表面形貌，磁性等作相應(yīng)的考察。主要的研究結(jié)果如下：
　　

3、1.利用同步輻射角分辨光電子能譜(SRARPES)技術(shù)和光電子衍射(PD)技術(shù)研究了獲得的清潔ZnO(000-1)表面，并初步獲得了ZnO在ΓA、ΓM方向上的能帶色散及ZnO在[-1100]平面內(nèi)的光電子衍射結(jié)果。
　　 2.室溫下，對(duì)Fe與不同極性ZnO界面的XPS和SRPES研究結(jié)果顯示，F(xiàn)e的生長模式依賴于ZnO襯底的極性，F(xiàn)e在ZnO(0001)表而呈三維島狀生長，而在ZnO(000-1)表面呈從層狀到島狀生長轉(zhuǎn)變的SK

4、模式。對(duì)Fe/ZnO(000-1)界面的研究結(jié)果顯示，初始沉積的Fe明顯被表面氧氧化為Fe2+離子，在Fe覆蓋度為0-3nm的范圍內(nèi)，分別觀察到與界面電荷傳輸、化學(xué)作用以及磁性相關(guān)的0.5ML，1ML，3ML等三個(gè)有意義的臨界厚度。同時(shí)室溫下對(duì)Fe/ZnO(000-1)在沉積時(shí)的共振光電發(fā)射研究顯示，F(xiàn)e初始時(shí)與ZnO的作用并沒有引起ZnO導(dǎo)帶的顯著變化，F(xiàn)e與ZnO呈現(xiàn)弱相互作用。
　　 3.對(duì)3nm Fe/ZnO(000-1

5、)退火過程的同步輻射光電子能譜(SRPES)，原子力顯微鏡(AFM)研究顯示，在300℃附近的低溫退火過程中，室溫下Fe在ZnO表面形成的3D島狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)解聚過程；在300℃到600℃之間，F(xiàn)e的解聚薄膜再次團(tuán)聚形成較大的顆粒薄膜，并導(dǎo)致襯底在600℃時(shí)重新暴露；Fe與ZnO的界面化學(xué)作用發(fā)生在600℃左右，F(xiàn)e隨著溫度的上升逐漸被氧化成Fe2+，溫度超過800℃，F(xiàn)e可以被進(jìn)一步氧化為Fe3+。在600℃以上的退火溫度下，隨著ZnO襯

6、底在高溫下的分解，所釋放出來的活性氧成為界面氧化一還原反應(yīng)的一個(gè)主要原因。同時(shí)，對(duì)不同退火溫度下的3nmFe/ZnO(000-1)樣品的磁性SQUID研究結(jié)果顯示，樣品的矯頑力隨著退火溫度增加而增大。900℃高溫退火樣品中的鐵磁性則說明界面反應(yīng)中鐵磁相的形成。
　　 4.對(duì)Co/ZnO界面的生長和退火過程的同步輻射光電子能譜(SRPES)研究顯示。室溫下Co在不同極性ZnO面上的生長都顯示較強(qiáng)的反應(yīng)活性，在Co膜厚度達(dá)到0.45

7、nm時(shí)，依然能夠顯示很強(qiáng)的Co2+氧化峰。1.1nm-Co/ZnO界面的退火結(jié)果顯示，200℃的退火導(dǎo)致了ZnO襯底峰的加強(qiáng)，并且在室溫到300℃之間的退火并沒有導(dǎo)致明顯的Co-ZnO之間的氧化-還原反應(yīng)，Co在300℃之后逐漸由金屬態(tài)氧化為Co2+。一系列的RPES結(jié)果顯示，Co與ZnO的界面作用主要形成了Eb=2.0eV，11.0eV和3.4eV，6.8eV兩組峰結(jié)構(gòu)，這兩組峰可能分別起源于CoO的3d6和3d7(L_)電子態(tài)與磁性