铁磁薄膜与极性ZnO表面相互作用的同步辐射光电子能谱研究

题名:铁磁薄膜与极性ZnO表面相互作用的同步辐射光电子能谱研究
作者:张旺
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:磁性金属薄膜;;Fe;;Co;;ZnO;;界面作用;;同步辐射光电子能谱;;共振光电子能谱
摘要:
 随着近年来高密度存储设备的发展需求,Fe、Co等磁性超薄膜与各种氧化物衬底的界而研究引起了广泛的关注,包括薄膜的磁性,界而的电性能,化学稳定性在内的一系列界面的物理化学性能都成了研究的重点。随着磁性薄膜在氧Magnetic lifter 化物表面的生长,界面作用诸如界面的化学态,界面之间的互扩散,以及不同的界面结构都会随Magnetic lifter 着薄膜厚度的增加而相应的变化,而这些界面作用的不同必然导致整个界面性能的改变,通过研究界面作用随厚度的改变可以分析出相应的界面性能的变化,这将对界面体系的应用极具实际意义。同时,通过界面的退火可以有效促进磁性介质向氧化物中的扩散,这种方法正作为稀磁半导体的一种有效制备手段而得到重视。
 本文主要通过光电子能谱技术研究了磁性Fe、Co金属超薄膜在极性ZnO(000+1)表而的生长和退火时电子结构的变化,并辅以原子力显微镜(AFM)和场发射扫描电子显微镜(FESEM),以及超导量子干涉仪(SQUID)等对样品的表面形貌,磁性等作相应的考察。主要的研究结果如下：
 1.利用同步辐射角分辨光电子能谱(SRARPES)技术和光电子衍射(PD)技术研究了获得的清洁ZnO(000-1)表面,并初步获得了ZnO在ΓA、ΓM方向上的能带色散及ZnO在[-1100]平面内的光电子衍射结果。
 2.室温下,对Fe与不同极性ZnO界面的XPS和SRPES研究结果显示,Fe的生长模式依赖于ZnO衬底的极性,Fe在ZnO(0001)表面呈三维岛状生长,而在ZnO(000-1)表面呈从层状到岛状生长转变的SK模式。对Fe/ZnO(000-1)界面的研究结果显示,初始沉积的Fe明显被表面氧氧化为Fe2+离子,在Fe覆盖度为0-3nm的范围内,分别观察到与界面电荷传输、化学作用以及磁性相关的0.5ML,1ML,3ML等三个有意义的临界厚度。同时室温下对Fe/ZnO(000-1)在沉积时的共振光电发射研究显示,Fe初始时与ZnO的作用并没有引起ZnO导带的显著变化,Fe与ZnO呈现弱相互作用。
 3.对3nm Fe/ZnO(000-1)退火过程的同步辐射光电子能谱(SRPES),原子力显微镜(AFM)研究显示,在300℃附近的低温退火过程中,室温下Fe在ZnO表面形成的3D岛状结构出现解聚过程；在300℃到600℃之间,Fe的解聚薄膜再次团聚形成较大的颗粒薄膜,并导致衬底在600℃时重新暴露；Fe与ZnO的界面化学作用发生在600℃左右,Fe随着温度的上升逐渐被氧化成Fe2+,温度超过800℃,Fe可以被进一步氧化为Fe3+。在600℃以上的退火温度下,随着ZnO衬底在高温下的分解,所释放出来的活性氧成为界面氧化—还原反应的一个主要原因。同时,对不同退火温度下的3nmFe/ZnO (000-1)样品的磁性SQUID研究结果显示,样品的矫顽力随着退火温度增加而增大。900℃高温退火样品中的铁磁性则说明界面反应中铁磁相的形成。
 4.对Co/ZnO界面的生长和退火过程的同步辐射光电子能谱(SRPES)研究显示。室温下Co在不同极性ZnO面上的生长都显示较强的反应活性,在Co膜厚度达到0.45nm时,依然能够显示很强的Co2+氧化峰。1.1nm-Co/ZnO界面http://www.999magnet.com/的退火结果显示,200℃的退火导致了ZnO衬底峰的加强,并且在室温到300℃之间的退火并没有导致明显的Co-ZnO之间的氧化-还原反应,Co在300℃之后逐渐由金属态氧化为Co2+。一系列的RPES结果显示,Co与ZnO的界面作用主要形成了Eb=2.0eV,11.0eV和3.4eV,6.8eV两组峰结构,这两组峰可能分别起源于CoO的3d6和3d7L电子态与磁性掺杂相Znl-xCoxO的3d6和3d7L电子态。对不同Co覆盖度下的Zn3d部分电子产额谱(PEYS)研究显示, Co的出现也导致了ZnO导带结构发生了改变,形成了可能起源于Zn1-xCoxO磁性掺杂相的边前峰结构。对退火过程中Co/ZnO的价带研究发现,600℃的退火温度可以大大促进Eb=3.4eV峰的增强,反映了此温度下可能更适合Co掺杂相的形成。
学位年度:2010