《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring Mechanical, Magnetic, and Optical Performance of CoFeBGd Thin Films via Surface Roughness Modulation on Flexible Polymer Substrates
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表面粗糙度调控与基底效应协同优化非晶Co40Fe40B10Gd10薄膜多功能性能研究。
林世宏|张永煌|陈远宗|何宇杰|吴建宇|张黄伟
台湾云林科技大学电子工程系，大学路123号3段，斗六市云林64002
摘要
本研究在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底上沉积了厚度为10至50纳米的非晶钴铁硼钆（Co40Fe40B10Gd10）薄膜，以探讨退火引起的表面粗糙度降低如何影响薄膜的多功能性能。掠入射X射线衍射（GIXRD）分析表明，所有薄膜在80°C退火前仍保持非晶态，此时硼（B）和钆（Gd）抑制了结晶过程，同时促进了结构松弛。原子力显微镜（AFM）显示PET薄膜的粗糙度从3.81纳米显著降低到2.10纳米，而PMMA薄膜的粗糙度仅从2.24纳米降至1.79纳米。磁力显微镜（MFM）图像和振动样品磁强计（VSM）磁滞回线分析表明，PET薄膜迅速失去了条纹畴各向异性，矫顽力（Hc）从6.26 Oe降至5.19 Oe；而PMMA薄膜的平面各向异性相对稳定。力学测试显示，由于压缩应力锁定作用，PET薄膜的模量从2.01 GPa显著增加到16.70 GPa，PMMA薄膜的模量则从10.76 GPa逐渐增加到11.34 GPa。光学结果显示，薄膜的透射率从10纳米处的约40%降至50纳米处的5%以下，退火效应较小。霍尔效应测量揭示了明显的基底依赖性传输行为：基于PET的薄膜迁移率从60.91 cm2/V·s下降到5.83 cm2/V·s，载流子浓度从2.61 × 1019 cm-3增加到8.49 × 1020 cm-3；而基于PMMA的薄膜迁移率提高，载流子密度降低，这与缺陷松弛现象一致。这些对比结果表明，基底对缺陷演化有显著影响，这一结论得到了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析的支持。总体而言，退火引起的表面粗糙度降低促进了薄膜的致密化、结构松弛和界面平滑，从而抑制了畴壁钉扎、散射和压痕不稳定性。基底效应至关重要：PET虽然提高了材料的刚性，但通过缺陷形成降低了传输性能；而PMMA在保持电子和光学优势的同时，力学性能也更加稳定。通过粗糙度调控结合基底选择，可以为柔性自旋电子学和光电器件中的非晶薄膜定制提供统一策略。本研究系统地探讨了退火引起的表面粗糙度松弛如何影响沉积在柔性PET和PMMA基底上的非晶Co40Fe40B10Gd10薄膜的多功能性能，强调了热处理和基底选择对优化器件功能的关键作用。
部分摘录
引言
磁阻随机存取存储器（MRAM）因其高速、耐久性和可扩展性而成为一种有前景的非易失性存储技术。其工作原理依赖于磁隧道结（MTJ），器件性能的关键在于实现高自旋极化、良好的热稳定性和低切换电流[1]。早期MRAM使用外部磁场来反转磁化方向，但这种方法受到能耗过高的限制。
实验细节
CoFeBGd薄膜的制备与退火：采用直流磁控溅射系统将非晶Co40Fe40B10Gd10薄膜沉积在PET和PMMA基底上。沉积前，基底被仔细清洗以确保薄膜附着力和重复性。PET基底在异丙醇中超声清洗5分钟，然后用去离子水冲洗5分钟，再用高纯度氮气干燥，最后在烤箱中烘干。对于PMMA基底，...
CoFeBGd晶体结构分析
为了研究退火温度对Co40Fe40B10Gd10薄膜结构状态的影响，在PET和PMMA聚合物基底上沉积了50纳米厚的样品，并通过GIXRD进行分析。使用Cu-Kα1源（λ = 0.15406 nm）进行测量，入射角为2°，扫描范围为20°至80°，扫描速率为2° min?1。图2(a)和2(b)中的XRD图谱显示，在任何退火条件下均未出现明显的晶体衍射峰。
结论
本研究系统地探讨了沉积在柔性PET和PMMA基底上的非晶Co40Fe40B10Gd10薄膜的表面粗糙度演变与其多功能性能之间的关系。掠入射XRD确认所有薄膜在80°C退火前仍保持非晶态。AFM结果显示，PET基底显著降低了表面粗糙度（Ra从3.81纳米降至2.10纳米），而PMMA薄膜的粗糙度仅从2.24纳米降至1.79纳米。
作者贡献声明
何宇杰：方法学研究、数据分析。
吴建宇：方法学研究、数据分析。
张黄伟：方法学研究、数据分析。
林世宏：撰写、审稿与编辑、项目管理、概念构思。
张永煌：方法学研究、数据分析、初稿撰写、验证、监督、方法学研究、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。本研究未受到任何可能构成利益冲突的商业或财务影响，所有结果均独立获得和解释。
致谢
本研究得到了国家科学技术委员会（NSTC）项目编号NSTC 114-2622-E-224 -017的支持，以及云林科技大学项目编号115T01的支持。作者还感谢SHIHSIN TECHNOLOGY CO., LTD.在薄膜溅射沉积和热处理方面的宝贵技术协助和实验支持。本研究是大学与产业合作的一部分。
