磁性薄膜材料是電子器件小型化的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用在生物、化學(xué)、環(huán)境和計算機(jī)等領(lǐng)域。本文聚焦電場驅(qū)動的氫離子（H?）調(diào)控磁性薄膜的磁性，對Pt/Co、Pt/CoFe、Pt/CoFeB、Pt/FeNi結(jié)構(gòu)薄膜中利用H?驅(qū)動的磁性調(diào)控進(jìn)行探索研究。費曼儀器致力于為全球工業(yè)智造提供提供精準(zhǔn)測量解決方案，Flexfilm探針式臺階儀可以精確測量磁控濺射技術(shù)制備多種磁性薄膜樣品的薄膜厚度，進(jìn)行薄膜磁性調(diào)控與厚度的相關(guān)性研究。

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薄膜樣品的制備

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納米磁性多層膜結(jié)構(gòu)

采用磁控濺射技術(shù)在Pt / Ti / SiO?/ Si 襯底上制備多層薄膜。首先，在襯底表面劃定3mm×3mm沉積區(qū)域，依次濺射以下功能層：

底層：Pt電極（襯底自帶，不額外沉積）。

鐵磁氧化物層：

靶材：金屬靶（ Co / CoFe / CoFeB / NiFe ）+ 氬氣（0.2 Pa）直流濺射。

厚度控制：濺射時間精確調(diào)控（如0.7nm Co層需42秒，1nm需60秒）。

初始態(tài)為反鐵磁氧化物（通氧反應(yīng)濺射形成Co-O等）。

介電層：GdO?（≈11nm），氬氧混合氣（4:1比例，2 Pa）濺射10分鐘。

頂層：Au電極（2nm），氬氣（0.2 Pa）濺射20秒。

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臺階儀GdO?層厚度標(biāo)定

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臺階儀測量通過磁控濺射生長GdOx在Pt襯底上10min的厚度

操作流程

在Pt襯底上局部遮擋掩模板（形成臺階結(jié)構(gòu)）。

濺射GdO? 10分鐘（氬氧比4:1，氣壓2 Pa，功率11.7 W）。

移除掩模后，測量臺階高度差。

關(guān)鍵支撐作用

厚度一致性保障：GdO?層厚度統(tǒng)一為10.81 nm，確保不同樣品介電層性質(zhì)一致。

生長速率校準(zhǔn)：速率數(shù)據(jù)（1.08 nm/min）用于反推鐵磁層厚度（如Co層0.7 nm需42秒），避免XRR對超薄層（<1 nm）的測量失效問題。

電場調(diào)控可靠性：均一的GdO?厚度是H?遷移路徑可控的前提。

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氫離子遷移對薄膜磁性的影響

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氫離子調(diào)控的GdOx/Co層磁性現(xiàn)象原理圖

Co基薄膜（Co-O）

初始態(tài)為反鐵磁CoO（飽和磁化強(qiáng)度 <10?? emu/cm2）。??

施加+3V電壓驅(qū)動H?遷移至Co-O層，CoO被還原為金屬Co，薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性。

厚度依賴性：

0.7nm樣品：30s時垂直磁各向異性顯著（M⊥/M=0.95），90s時總磁化強(qiáng)度M達(dá)峰值（7.02×10?? emu/cm2），120s后M下降。

1.0nm樣品：始終表現(xiàn)為面內(nèi)磁各向異性，120s時M達(dá)峰值（3.64×10?? emu/cm2）。

可逆調(diào)控：施加-6V電壓10min后，M進(jìn)一步升高（因H?反向遷移還原殘留CoO）；60min后M降至初始態(tài)（Co再氧化）。

CoFe基薄膜（Co?.??Fe?.??-O）

初始態(tài)為反鐵磁氧化物。

+3V電壓調(diào)控下，H?還原氧化物為鐵磁相，出現(xiàn)順磁/鐵磁共存態(tài)。

厚度依賴性：

0.7nm樣品：30s時垂直磁各向異性（M⊥/M=0.90），120s后面內(nèi)各向異性主導(dǎo)（M∥/M=0.99）。

1.0nm樣品：30s時垂直方向順磁與鐵磁共存，120s后完全面內(nèi)各向異性。

可逆調(diào)控：-6V電壓10min后M升高（XPS證實Co?峰增強(qiáng)）；60min后磁性消失。

CoFeB基薄膜（Co?.?Fe?.?B-O）

初始態(tài)為反鐵磁層。

+3V調(diào)控下保持良好垂直磁各向異性（0.7nm樣品M⊥/M始終>0.93）。

厚度依賴性：

0.7nm樣品：60s時M達(dá)峰值（1.21×10?? emu/cm2）。

1.0nm樣品：120s時M達(dá)峰值（8.64×10?? emu/cm2）并轉(zhuǎn)為面內(nèi)各向異性。

可逆調(diào)控：-6V電壓10min后M升高（XPS顯示Co?占比升至22.81%）；60min后磁性消失。

NiFe基薄膜（Ni?.??Fe?.??-O）

初始態(tài)為反鐵磁氧化物。

+3V調(diào)控下，H?還原為鐵磁層，初期垂直方向出現(xiàn)順磁/鐵磁共存態(tài)，后期轉(zhuǎn)為面內(nèi)各向異性。

厚度依賴性：

1.0nm樣品：120s時M達(dá)峰值（9.00×10?? emu/cm2）。

可逆調(diào)控：-6V電壓10min后M升高；60min后磁性消失。

研究結(jié)果表明，氫離子遷移顯著改變了磁性薄膜的磁學(xué)性質(zhì)，且這種調(diào)控具有時間依賴性和厚度依賴性。臺階儀的應(yīng)用為電控磁性材料的研發(fā)提供了重要參考，推動了磁性材料在高密度存儲和自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，其中Flexfilm探針式臺階儀在電場驅(qū)動氫離子遷移調(diào)控磁性薄膜磁性的研究中發(fā)揮著重要作用。通過精確測量薄膜厚度，提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，揭示了氫離子遷移對不同厚度磁性薄膜磁性的調(diào)控規(guī)律。

原文參考：《電場驅(qū)動氫離子遷移對薄膜磁性的調(diào)控》

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