应变诱导外延NiFe2O4薄膜磁各向异性的研究

梅之恒，周鹏，祁亚军，章天金

(湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062)

应变诱导外延NiFe2O4薄膜磁各向异性的研究

梅之恒，周鹏，祁亚军，章天金

(湖北大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430062)

利用脉冲激光沉积(PLD)方法，在不同单晶衬底上沉积外延NiFe2O4薄膜.分析晶体结构和元素价态，测量并分析磁学性能，研究结果表明，从压应变转化到拉伸应变时，易轴从面内转到面外，磁化易轴的变化与应变密切相关.通过定向设计，实现对磁易轴的控制.

脉冲激光沉积；应变；磁各向异性

0 引言

尖晶石[1](NiFe2O4)结构具有化学式AB2C4，其中A和B代表阳离子，C代表阴离子(O，S或者Se).在这种结构中，B位阳离子单独构成氧四面体，A和剩下的B位阳离子共同构成氧八面体同时，可以根据B位阳离子占据氧四面体的百分比衡量尖晶石结构的反转程度.由于铁氧体薄膜具有低导电率、低涡流损耗、高饱和磁化强度等特点[2]，因而在高频领域和自旋电子学[3-4]中得到广泛使用.但在短波长的静磁波和微波声学器件应用中，单晶薄膜可以减少晶粒边界对声子的散射.因此，成功地制备铁氧体单晶薄膜对电感器和滤波器的未来发展奠定了重要的基础，例如铁氧体单晶薄膜在微波频率下集成电路上的应用.

目前已有多种方法包括脉冲激光沉积(PLD)、射频溅射、电子束反应蒸发等制备尖晶石铁氧体.与其他方法相比较具备以下优点：1) 脉冲激光沉积在高真空条件下进行，当激光能量密度达到蒸发阈值时，靶材中的组成元素将逸出相同的产额，使薄膜与靶材的化学计量比一致；2) 镀膜装置灵活，可以原位生长多层超薄复合薄膜，消耗靶材少；3) 适用范围广，沉积薄膜的各项参数易科学化控制[5].单晶基片的选择对于获得单晶铁氧体薄膜有很大影响.在衬底的选择过程中，必须考虑晶格失配、化学相容性以及薄膜与基片的热膨胀系数[2].另外，在薄膜的外延生长过程中，需要晶格失配小的衬底和合适的温度相结合[6].

事实上，由于表面效应、表面缺陷[7]、阳离子的不平衡分布[8]、增强的磁各向异性[9]或者反相畴界[10- 11]的形成，导致薄膜和块材之间的磁学性质有很大区别.

本文中通过脉冲激光沉积方法制备高质量的外延NiFe2O4薄膜，通过对薄膜微结构和磁学性能的分析，建立应变与磁学性能之间的联系.

1 实验过程

1.1 样品制备 首先利用脉冲激光沉积技术在SrTiO3(STO)、MgAl2O4(MAO)和MgO等3种不同的单晶衬底上制备NiFe2O4(NFO)薄膜，当本底真空度达到5×10-5Pa时，加热至750 ℃，通入O2(18 sccm)，接着在工作压强15 Pa，激光器能量为270 mJ (1.5 J·cm-2)的条件下沉积制备NFO薄膜.样品取出后放入管式炉中800℃退火3 hours.

1.2 表征手段 使用单色化的Bruke D8 discover X线单晶衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM，TEcnai G20)分析样品的晶体结构.同时，用具有四圆衍射系统的PANalytical Empyrean高分辨X线衍射仪(Cu Kα1，λ=15.406 nm)测试倒易空间图(RSMs)，研究NFO薄膜中的应变状态.用Quantum Design公司研发的超导量子干涉仪(MPMS-XL-7)测量样品的磁性. 采用Thermo Fisher Scientific Escalab 250Xi型号的 X 线光电子能谱(XPS)确定化学计量比和价态.

2 结果与讨论

图1 (a)STO、(b)MAO与(c)MgO单晶衬底上沉积的NFO薄膜的XRD扫描图

为进一步确定薄膜样品的外延关系，对3种样品进行XRD Φ扫描，如图2所示.可以确定薄膜与衬底的外延关系依次如下，NFO(001)[110]||STO(001)[110]、NFO(001)[110]||MAO(001)[110]、NFO(001)[110]||MgO(001)[110].可见3种不同衬底上沉积的薄膜均表现出良好的外延性.

图2 (a)STO、(b)MAO与(c)MgO单晶衬底上沉积的NFO薄膜的XRD Φ扫描图

图3 (a)STO、(b)MAO与(c)MgO单晶衬底上沉积的NFO薄膜的

图4是在STO单晶衬底上沉积的NFO薄膜样品的透射电子显微镜图谱.从图4中可以看到，薄膜具有非常清晰平整的界面，NFO厚度大约为30 nm，薄膜的结晶性良好，表现出良好的外延性.

图4 (001)-STO样品的透射电子显微镜图 (a)样品形貌图;(b)薄膜与衬底的选区电子衍射图;(c)薄膜的选区电子衍射图;(d)薄膜与衬底的界面高分辨

图5是在STO单晶衬底上沉积的NFO薄膜的X线光电子能谱的图谱.根据拟合和计算的结果，可以确定NFO中Ni离子为+2价，Fe离子为+3价，Ni与Fe的含量之比为1∶2，基本与块材性质相符.

图5 STO单晶衬底上沉积的NFO薄膜Fe2p和Ni2p XPS图

图6 (a)STO、(b)MAO与(c)MgO单晶衬底上沉积的NFO薄膜的的面内与面外的M-H回线

从M-H曲线可以看出，当薄膜的应变从面内压缩应变变化为面内拉伸应变时，磁化易轴逐渐从面内转向面外.Heuver J H[15]在MAO与MgO上沉积了具有正尖晶石结构的CoCr2O4薄膜，分别受到的是面内压缩应变与面内拉伸应变.实验发现当薄膜所受到面内压缩应变时，磁化易轴在面外，而当面内应变为拉伸应变时，磁化易轴在面内.文章中通过第一性原理计算了两种应变下薄膜磁化易轴反转的能量值与实验结果一致.而文章中提及反尖晶石结构的铁氧体应变导致磁化易轴转变的情况是与CoCr2O4薄膜相反的，即当面内受到拉伸应力时，有利于磁化易轴由面内转向面外，本文中的实验结果与上述结论一致.另外，Daniel F[16]通过第一性原理计算了NFO与CFO应变与磁性的关系，计算结果表明拉伸应变有利于面外的磁各向异性.综上所述，磁化易轴的转变与应变之间有紧密联系.

3 结论

本文中采用脉冲激光沉积方法，通过定向设计，分别在STO、MAO与MgO等不同单晶衬底上沉积NFO薄膜，并对其晶体结构、元素价态和磁学性能进行表征分析.结果表明，3种NFO薄膜均外延生长，结晶性良好，在M-H回线中表现出很强的磁各向异性.通过分析发现，薄膜的面内应变从压缩应变变化为拉伸应变时，磁化易轴从面内转变成面外.本文中的结果不仅能更好地理解磁各向异性，而且为调控磁易轴开辟新的实验思路.

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(责任编辑 郭定和)

The magnetic anisotropy of NiFe2O4thin films induced by strain

MEI Zhiheng, ZHOU Peng, QI Yajun, ZHANG Tianjin

(Faculty of Materials Science and Engineering, Hubei University, Wuhan 430062, China)

In this article, epitaxial NiFe2O4thin films were fabricated on different single crystal substrates by pulsed laser deposition.Through measurement of the crystal structure and valence state of the elements analysis and magnetic properties, we find that the magnetic easy axis from in plane go to out of plane when the compressive strain is transferred to the tensile strain,and also, the easy magnetization axis changes is closely related to with strain.Through specific design, the control of magnetic anisotropy of each thin film is realized.

pulsedlaser deposition; strain; magnetic anisotropy

2017-02-21

国家自然科学基金(51372074,11574073,51472078)资助

梅之恒(1990-)，男，硕士生；章天金，通信作者，教授，E-mail: zhangtj@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0517-06

TB324.1

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.015