CoFeB在结晶温度以下：厚度和退火温度对磁性能演变的关键影响

《Vacuum》：CoFeB below crystallization temperature: Pivotal role of thickness and annealing temperature on the evolution of magnetic properties

本文研究了CoFeB薄膜厚度与退火温度对其磁性能的影响，发现低厚度薄膜在接近结晶温度的退火下磁各向异性显著降低，可能与B原子界面迁移有关，并证实了两种相的存在。该研究为优化薄膜结构和性能提供了方向。

　　

Vishal Tyagi | Harsh Vardhan | Sambhunath Bera | Kavita Sharma | V.R. Reddy | Dhananjay Kumar | Gagan Sharma

印度阿拉哈巴德大学科学学院物理系，普拉亚格拉杰-211002

摘要

本研究探讨了CoFeB薄膜的磁性质如何随厚度和退火温度的变化而演变，重点关注了一个相对较少受到定量研究的领域。使用同步辐射X射线反射率对薄膜厚度进行了校准。研究发现，厚度和退火温度控制着CoFeB的结晶过程，从而导致薄膜内各向异性发生变化。在接近结晶温度的热退火过程中，低厚度薄膜的磁各向异性降低得更为明显。这种磁各向异性的差异可以通过B原子向界面迁移来解释，这种迁移还会增加界面磁死层的厚度，这一点通过MOKE（磁光克尔效应）测量得到了证实。X射线衍射分析显示，在结晶温度以下退火时，CoFeB薄膜存在两种相：结晶的CoFe相和富B的CoFe相，这一点也从MOKE磁滞回线中得到了验证。由于本研究不依赖于基底和表面条件，因此可以通过优化厚度和退火温度来调控CoFeB薄膜的结构和磁性质，以满足特定应用需求。

引言

CoFeB具有高饱和磁化强度、高自旋极化率、巨大的隧穿磁阻效应、低吉尔伯特阻尼、低磁矫顽力、几乎不存在磁晶各向异性以及良好的热稳定性等优点，使其成为高频和自旋电子器件应用的理想候选材料[1]、[2]、[3]。在当前形势下，柔性电子器件也因可穿戴性和植入式应用而变得越来越重要。这类器件具有耐久性高、机械柔性强、重量轻等优点，能够适应不规则表面。最近的研究还展示了三维导电微结构网络的开发[4]。在这种背景下，CoFeB成为可穿戴高频微波器件中的潜在材料[5]。文献中大量研究了CoFeB与绝缘层（如MgO）或重金属层（如W、Ta、Hf）的复合结构[3]、[6]、[7]、[8]，因为这些复合结构在磁隧道结[9]、磁随机存取存储器[10]、读头[11]、跑道存储器[12]等领域具有潜在应用价值。此外，通过向母合金中添加第三种元素可以实现成分优化，从而有效降低晶格失配，提升磁性和机械性能[13]、[14]。在所有这些研究中，厚度和退火温度对功能特性的调控起着关键作用，而减小维度有助于提高CoFeB薄膜的可靠性。例如，有研究表明CoFeB的静态和动态性能会随薄膜厚度的变化而变化[15]、[16]，并且有效阻尼参数会随着CoFeB厚度的增加而降低[16]。此外，基于CoFeB的异质结构的弹性特性也显著依赖于其厚度[17]。实际上，这种异质结构中电流诱导的自旋轨道扭矩也会随CoFeB厚度的变化而改变[18]。基于CoFeB的合成反铁磁体（SAFs）由于具有反平行磁化特性，在自旋电子学中具有应用前景。CoFeB厚度还能调控这类SAFs中的层间交换耦合[19]。最近的研究还表明，非均匀的厚度为加工薄壁零件提供了辅助支持，尤其是在机器人辅助加工中[20]。 磁各向异性也是随薄膜厚度变化的显著参数之一。例如，界面Dzyaloshinski–Moriya相互作用（DMI）使得在具有垂直磁各向异性的系统中（PMA）能够形成磁斯格明子[21]。C. Denker等人的研究表明，斯格明子的直径和密度受有效各向异性的影响，而有效各向异性又随CoFeB薄膜厚度的变化而变化[22]。A. S. Silva等人的研究将PMA随CoFeB薄膜厚度的变化归因于磁弹性和表面各向异性的共同作用[16]。除了界面PMA外，薄膜内的各向异性（UMA）对传感器应用尤为重要，且已知UMA受厚度参数的控制[23]。此外，UMA也会随退火温度的变化而改变[7]。适当的退火条件可以用来诱导或抑制磁各向异性[24]。在不同温度下退火的CoFeB基系统中也观察到了功能特性的调制现象，例如最近的研究显示，在不同温度下退火的CoFeB基堆栈中PMA、DMI和热稳定性均有所增强[25]、[26]、[27]。 薄膜系统中的许多性质还受到两种介质之间异质界面的影响[28]、[29]。虽然这些研究主要集中在CoFeB基系统上，但界面磁死层（MDL）的存在不容忽视，因为它会恶化薄膜的功能特性和器件性能。例如，CoFeB基结构中的界面磁死层不仅会减少磁层的有效厚度，还会影响自旋转移扭矩的热稳定性和开关电流[30]。研究表明，CoFeB中的界面MDL由多种因素引起，包括岛屿状生长（降低CoFeB的居里温度）、混合以及表面氧化[31]。关于CoFeB与其他非磁性系统的温度依赖性研究显示，MDL的厚度随温度升高而增加，这是由于相邻层与CoFeB薄膜之间的互扩散所致。然而，文献中尚未详细探讨仅通过Si对CoFeB进行热退火来修改界面的效果。

实验

在配备Kaufman型直流栅格离子源的超高真空（UHV）腔室内，将楔形CoFeB薄膜沉积在抛光后的Si（001）基底上。腔室内安装了纯度为99.95%的Co₄₀Fe₄₀B₂₀和铝靶材。沉积前的腔室基压为1.5 x 10^-7 mbar，沉积过程中的压力降至2 x 10^-4 mbar。腔室内的残余气体（如氧气和H₂O）分子会对薄膜的化学计量比产生影响。

结果与讨论

文献研究表明，对于CoFeB来说，厚度和温度是获得所需功能特性的关键参数[7]、[35]、[36]。图1所示的沉积结构有助于研究CoFeB的磁性质和结构性质随薄膜厚度和热退火的变化。图1还展示了两种不同厚度下MOKE磁滞回线的相对比较。从定性上看，可以观察到磁各向异性的变化...

结论

本研究利用沉积在Si（001）基底上的楔形CoFeB薄膜（顶部覆盖铝层）研究了CoFeB薄膜的磁性质和结构性质随厚度和退火温度的变化情况，重点关注了结晶温度以下的区域，这一领域目前受到的定量研究较少。通过X射线反射率（XRR）确保了样品的结构质量。利用XRR计算得到的薄膜厚度...

CRediT作者贡献声明

Kavita Sharma： 数据可视化、验证、概念构建。 Vishal Tyagi： 验证、数据分析、数据整理。 Sambhunath Bera： 验证、资源获取、数据分析、数据整理。 Harsh Vardhan： 验证、资源获取、数据分析、数据整理。 Gagan Sharma： 文章撰写与审稿、初稿撰写、项目监督、方法论研究、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

Vishal Tyagi先生是印度北方邦科学技术委员会（CSTUP）资助的项目的初级研究助理（JRA），感谢该委员会提供的财政支持（文件编号：CST/D-822）。该项目还得到了印度中央大学理事会-DAE-CSR（CRS/2023-24/01/1017）的资助。作者S.B.还感谢印度科学与工程研究委员会（SERB）（CRG/2021/002407）的财政支持，以及日本光子工厂（Photon Factory）对XRR实验的资助。