生长在类单晶硅片上的Ni81Fe19薄膜的微结构和磁性能研究
Microstructure and Magnetic Properties of Ni81Fe19Thin Films on Cast Mono-Silicon Substrates
DOI: 10.12677/APP.2019.96036, PDF, HTML, XML,  被引量 下载: 602  浏览: 942  科研立项经费支持
作者: 王 禹*, 徐思晨*, 朱齐山, 汤如俊*:苏州大学物理科学与技术学院,江苏省薄膜重点实验室,江苏 苏州;邹 帅*:苏州大学物理科学与技术学院,江苏省薄膜重点实验室,江苏 苏州;加拿大太阳能公司,江苏 苏州;彭 斌*, 张万里:电子科技大学,电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川 成都
关键词: 类单晶硅片NiFe磁性 Cast Mono-Silicon NiFe Magnetic Properties
摘要: 本文研究了生长在类单晶硅片上Ni81Fe19薄膜的微观结构和磁学性能。结果表明Ni81Fe19的表面形貌与类单晶硅片的表面形貌一致,具有高度的织构取向。Ni81Fe19的矫顽力与剩磁比随薄膜厚度的增加而增加。其厚度达到40 nm后,其矫顽力与剩磁比达到饱和。对薄膜进一步的真空退火的结果显示薄膜的磁性无显著变化,这表明其磁性主要由基板的表面微结构而不是制备条件决定。上述结果有助于在类单晶硅器件上更好地集成Ni81Fe19薄膜。
Abstract: In this paper, the microstructure and magnetic properties of Ni81Fe19 films deposited on cast mono-silicon substrates (CM-Si) were investigated. The results show that the surface morphology of Ni81Fe19 films is consistent with the surface morphology of the CM-Si. The coercivity and remanence ratio increase with increasingNi81Fe19 thickness. When the thickness of Ni81Fe19 is larger than 40 nm, the coercivity and remanence ratio are saturated. The magnetic properties of the annealed film are almost same as that of as-deposited film. This indicates that the magnetic properties of the film are mainly determined by the surface microstructure of the substrate rather than the fabrication conditions. The above results may contribute to a better integration of the Ni81Fe19film on the CM-Si devices.
文章引用:王禹, 邹帅, 徐思晨, 朱齐山, 彭斌, 张万里, 汤如俊. 生长在类单晶硅片上的Ni81Fe19薄膜的微结构和磁性能研究[J]. 应用物理, 2019, 9(6): 300-304. https://doi.org/10.12677/APP.2019.96036

1. 引言

坡莫合金(Ni18Fe19,简称NiFe)是优异的软磁材料,并且具有大的各向异性磁阻(AMR)振幅 [1] 。NiFe已广泛被应用于AMR传感器等许多磁性器件中。在过去的研究中,NiFe薄膜一般生长在高质量的单晶硅片表面 [1] [2] [3] [4] 。而在太阳能电池行业中,低成本的多晶硅和类单晶硅(Cast mono-silicon, CM-Si)则被广泛采用 [5] 。与单晶硅相比,多晶硅和CM-Si则拥有更多的晶界。同时,CM-Si还具有类似单晶硅的晶体高度择优取向。随着信息技术的快速发展,功能器件的集成密度需要越来越高 [6] 。如果将磁性薄膜和器件直接集成在太阳能电池器件的表面上,则可以减小器件系统尺寸并使其拥有更多功能 [7] 。但是,到目前为止,NiFe薄膜在太阳能电池所用多晶硅和类单晶硅表面上的生长机制和磁学性能尚未得知。

本文在平面的CM-Si上生长了不同NiFe厚度的Ta/NiFe/Ta三层薄膜,并对薄膜微观结构和磁性能进行了研究。三层薄膜中底部Ta层设计为过渡层,以便更好地生长NiFe磁性层。顶部Ta层用于保护NiFe层在空气中免受氧化。

2. 实验方法

我们通过脉冲激光沉积(PLD, Lambda Physik, 248 nm激光)在(100)取向的CM-Si衬底上制备了Ta (40 nm)/NiFe (x)/Ta (40 nm)三层薄膜,其中NiFe层的厚度x分别为12 nm,30 nm,60 nm,90 nm和120 nm。使用的是高纯度(99.99%) Ni18Fe19和Ta合金靶进行沉积。薄膜的沉积速率为3 nm/min。所有CM-Si基板均从太阳能公司购得。薄膜在室温下真空度小于1 × 10−4 Pa条件下进行沉积,所用激光频率和能量分别为5 Hz和0.45 J/cm2。在薄膜生长完成后,将部分在真空中350℃下进一步后退火以进行比较。通过X射线衍射(XRD, Rigaku D-Max 2000PC)和扫描电子显微镜(SEM, S-4800)测量所有样品的成相和微观结构。在综合物性测量系统(PPMS-9, Quantum Design)中使用振动样品磁强计(VSM)进行磁学测量。

3. 结果与分析

图1是在平面CM-Si基底上的Ta/NiFe/Ta三层薄膜的XRD结果。结果表明,在室温下沉积薄膜时,不能观察到Ta薄膜的峰,但可以在44.5˚观察到弱的NiFe (111)峰。图2是在不同厚度的Ta/NiFe/Ta三层薄膜的SEM表面和横截面图像。薄膜的磁性/非磁性层三层结构可以从图2(a)中的横截面图像中清晰看到。图2(b)~(d)为薄膜的表面图像,对于沉积在平坦表面上的三层薄膜,可以清楚地看到薄膜表面的纹理。这种纹理化的表面是将类单晶Si片经过化学处理所形成的绒面。这种有纹理的表面形貌结构可能导致其上的NiFe薄膜与平整单晶硅衬底上的NiFe薄膜的磁性有所不同 [4] 。

Figure 1. XRD θ-2θ spectrum of Ta/NiFe/Ta tri-layer film on flat CM-Si substrate

图1. 平面CM-Si基底上的Ta/NiFe/Ta三层薄膜的XRD结果

Figure 2. (a) Cross-sectional SEM image of sample with a NiFe thickness of 90 nm, (b), (c), and (d) are surface SEM images of samples with NiFe thicknesses of 30 nm, 90 nm and 120 nm, respectively

图2. (a) 为NiFe厚度90 nm的薄膜SEM横截面图像;(b),(c),(d)分别是NiFe厚度为30 nm,90 nm和120 nm的SEM表面图像

图3是在平面的CM-Si基底上的Ta/NiFe/Ta三层薄膜的磁滞回线。图3(a)~(e)分别是12 nm,30 nm,60 nm,90 nm和120 nm NiFe厚度的Ta/NiFe/Ta三层薄膜的面内面外磁滞回线对比,其面内磁滞回线是典型的具有软磁特性的NiFe薄膜 [8] 。面内和面外磁滞回线之间的差别表明易磁化轴位于薄膜面内。图3(f)总结了不同NiFe厚度的矫顽力Hc和剩磁比。在NiFe厚度低于40 nm时Hc和剩磁比随着膜厚度增大而增加,在高于40 nm后饱和。据报道,对于沉积在Ta底层或直接在单晶Si衬底上的NiFe薄膜,存在高达几纳米的磁性死层 [8] 。CM-Si衬底的表面比单晶Si衬底的表面粗糙。粗糙的基底表面可以阻挡入射原子的长程扩散,这不利于成膜时的结晶。这会增加磁性死层的厚度并产生畴壁运动的钉扎中心。因此,当膜厚度小时,CM-Si基底底上的磁性NiFe膜将和厚度相关。随着NiFe厚度的增加,NiFe磁性死层所占体积比将减小,因此,当薄膜足够厚时,NiFe薄膜的磁性能会饱和。

Figure 3. (a)~(e) show the in-plane and out-of-plane hysteresis loops of Ta/NiFe/Ta tri-layer films with NiFe thicknesses of 12 nm, 30 nm, 60 nm, 90 nm and 120 nm, respectively, (f) is the NiFe thickness dependent in-plane coercivity Hc and remanence ratios Mr/Ms

图3. (a)~(e)分别是12 nm,30 nm,60 nm,90 nm和120 nm NiFe厚度的Ta/NiFe/Ta三层薄膜的面内面外磁滞回线对比;(f)总结了不同NiFe厚度的面内矫顽力Hc和面内剩磁比

为了明白CM-Si衬底上的Ta/NiFe/Ta薄膜的磁性能是否依赖于制备条件,本文将制备态的Ta/NiFe/Ta薄膜进一步在真空环境中在350度下后退火1小时。图4表明后退火没有导致薄膜磁性能的显着变化。由此可见,薄膜的磁性主要由CM-Si衬底的表面微结构决定。

Figure 4. Hysteresis loops of sample with NiFe thickness of 90 nm in the states of (a) as-deposited and (b) annealed at 350˚C for 1 hour

图4. NiFe厚度为90 nm的薄膜在350度下后退火1小时的磁滞回线对比图

4. 总结

本文研究了生长在类单晶硅片上Ta/NiFe/Ta三层薄膜的微观结构和磁学性能。结果表明NiFe的表面形貌与类单晶硅片的表面形貌一致,具有高度的织构取向。NiFe的矫顽力与剩磁比随薄膜厚度的增加而增加。其厚度达到40 nm后,其矫顽力与剩磁比达到饱和。对薄膜进一步的真空退火的结果显示薄膜的磁性无显著变化,这表明其磁性主要由基板的表面微结构而不是制备条件决定。上述结果有助于在类单晶硅器件上更好地集成NiFe薄膜。

致谢

本论文感谢科技部国家重点研发计划项目(No. 2017YFB0406401)的支持。

NOTES

*相同贡献

#通讯作者。

参考文献

[1] Leng, Q.W., Leng, H., Mao, M., Hiner, C. and Ryan, F. (2000) Magnetic Dead Layers in NiFe/Ta and NiFe/Si/Diamond-Like Carbon Films. Journal of Applied Physics, 87, 6621-6623.
https://doi.org/10.1063/1.372790
[2] Volkerts, J.P. (2012) Magnetic Thin Films: Properties, Performance, and Applications. Nova Science Publishers Inc., Hauppauge.
[3] Kim, J., Sheng, P., Takahashi, S., Mitani, S.J. and Hayashi, M. (2016) Spin Hall Magnetoresistance in Metallic Bilayers. Physical Review Letters, 116, Article ID: 097201.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.097201
[4] Zhang, W.X., Peng, B., Han, F.B., Wang, Q.R., Soh, W.T., Ong, C.K. and Zhang, W.L. (2016) Separating Inverse Spin Hall Voltage and Spin Rectification Voltage by Inverting Spin Injection Direction. Applied Physics Letters, 108, Article ID: 102405.
https://doi.org/10.1063/1.4943517
[5] Zou, S., Ye, X.Y., Wu, C.K., Cheng, K.X., Fang, L., Tang, R.J., Shen, M.R., Wang, X.S. and Su, X.D. (2019) Complementary Etching Behavior of Alkali, Metal-Catalyzed Chemical, and Post-Etching of Multicrystalline Silicon Wafers. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 27, 511-519.
https://doi.org/10.1002/pip.3125
[6] Masahiro, Y., Wataru, K. and Yasushi, E. (2012) On-Chip Intra Decoupling Measurements for Integrated Magnetic Thin Film. IEEE Transactions on Magnetics, 48, 4394-4397.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2012.2208221
[7] Fathabadi, H. (2018) Effect of External AC Electric and Magnetic Fields on the Power Production of a Silicon Solar Cell. IEEE Journal of Photovoltaics, 8, 1408-1412.
https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2860946
[8] Leng, Q.W., Han, H., Mao, M., Hiner, C. and Ryan, F. (2000) Magnetic Dead Layers in NiFe/Ta and NiFe/Si/Diamond-Like Carbon Films. Journal of Applied Physics, 87, 6621-6623.
https://doi.org/10.1063/1.372790