CN109931894A - 一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法，属于薄膜厚度分析检测技术领域。首先，对待测薄膜进行ARXPS测试；然后，采用单值分解法和调整法相结合，对Ni、Fe、Mn单质及其氧化物的参数进行拟合，如峰位、半峰宽等；根据角分辨XPS与表面层状结构分析的基本原理和测试方法，在一定误差范围内，得出约化厚度d/λ；最后，确定其非弹性散射平均自由程λ，进而得到氧化层厚度d。本发明方法简单，对设备要求不高，能非破坏性地测量极薄氧化层的厚度，并结合磁性能研究确定薄膜的钉扎临界厚度；同时，与现有方法相比，本发明方法的拟合标准偏差明显下降，标准偏差从现有技术10.25～22.76下降到1.05～4.59。
Description
技术领域
本发明属于薄膜厚度分析检测技术领域，具体涉及一种基于角分辨XPS测量分析NiFe或FeMn金属纳米薄膜表面氧化层厚度的分析方法，进而得到薄膜的钉扎临界厚度。
背景技术
微波/射频磁性器件是当今国防电子、卫星和移动通信产业不可或缺的基础元器件，例如环形器、移相器及滤波器等。从最初的1G到4G，再到如今5G技术的飞速发展，都展示出通信产业日新月异的巨大变革，微波器件的工作频率和集成化程度也随之不断提高。作为此类器件核心组成部分之一，磁电子器件必然要向高频化、小型化发展，这就对磁性材料提出了更高要求。然而，目前通信设备/系统所用的大部分微波/射频磁性器件都是基于块体材料制备的分立器件，往往占据很大的设备空间。尽管片式化技术的进步，能够使其高密度表贴在微波电路中，但仍然难以实现与现有半导体器件的集成，因此亟需研制工作频率高、信号强，并且可薄膜化集成的先进磁性材料/结构。
金属软磁薄膜具有高饱和磁化强度Ms，大的起始磁导率μi和较高的铁磁共振(FMR)频率，在高频应用中备受瞩目。而常见的提高薄膜应用频率的方法有：(1)采用Ms较高的铁磁金属，如Fe、NiFe合金薄膜；(2)采用薄膜图形化工艺，调控各向异性场，提高应用频率，这类方法的研究已较为成熟广泛；(3)采用铁磁/反铁磁(FM/AF)多层膜结构，激发自旋波共振，提高各向异性场，利用表面电子自旋的钉扎效应提高应用频率(降低共振场)。除此之外，FM/AF结构还能应用于巨磁电阻自旋阀的研究，在交换偏置现象被发现的五十多年来备受瞩目。其中，NiFe/FeMn(或FeMn/NiFe)是研究及应用最为常见的多层膜结构，通过改变NiFe、FeMn薄膜的厚度等工艺参数，能够实现对多层膜及周期性薄膜工作频率、铁磁共振线宽、共振场等性能参数的调控，且这一技术已经发展到几个～几十个纳米(nm)级。研究发现，薄膜厚度在小于几十甚至几个纳米的变化范围内，其微波磁性能都会发生一定程度的改变。随之而来的，则是对薄膜表界面问题的探究，对纳米膜厚的精确把控，以及对材料分析表征手段的考验。对于NiFe、FeMn薄膜而言，除了在界面发生化学反应之外，在自然环境下放置也会不可避免地易被氧化，进而引起(尤其是覆盖层的)成分和有效膜厚的变化，不利于对工艺参数有着极高精确度要求的超薄纳米膜的研究。所以测量NiFe、FeMn薄膜表面的自然氧化层厚度，从而进一步确定NiFe/FeMn、FeMn/NiFe钉扎双层膜覆盖层要产生钉扎的临界厚度(最小厚度)，对调控其性能和研究材料的表界面问题都有着至关重要的意义。
常见的膜厚测量方法及仪器主要有：方块电阻测量法、光干涉法、台阶仪、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、3D轮廓仪等。因金属薄膜具有不透明属性，光路测量和轮廓仪等仪器无法测试；采用台阶仪等多数方法则会对薄膜造成损伤，影响后续使用。另外，磁控溅射等方法制备的薄膜附着力强、薄膜边界模糊不明显，普通电镜观测断面厚度时表征难度较高、精确度低。再加上要精确分析出产生钉扎效应的临界厚度，必须先测出薄膜表面氧化层的厚度，而NiFe、FeMn薄膜在自然环境下放置，未经热氧化工艺处理，氧化层极薄，氧化反应仅发生在靠近表面的几个nm甚至小于1nm的尺度范围，令表征、制样的难度进一步提升，对常规测量方法的要求极高。此外，普通X射线光电子能谱(XPS)在材料分析表征中通常用于元素定性、定量分析，所用方法为刻蚀，具有破坏性。而角分辨XPS(也称“变角XPS”，ARXPS)可在不破坏样品的条件下，探测到极其贴近材料表面的相关信息，解决上述主要问题。然而，Ni、Fe、Mn离子的多价态，其XPS标准对照谱图中峰位的不对称性，与XPS测试所用靶材原子的峰位重叠，使得常规的分析拟合方法在研究NiFe、FeMn薄膜氧化厚度时，变得尤为困难。基于ARXPS技术的相关研究极少，在此基础上，给出明确拟合参数、分析过程和标准偏差STD值的则更为匮乏。北京科技大学材料物理系研究了NiOx中Ni的不同氧化价态与底材(NiFe薄膜)的交换偏置场Hex的关系，但并未深入研究NiFe薄膜自然氧化层的厚度或钉扎的临界厚度。Mark C.Biesinger用XPS研究了Ni、Fe、Mn等元素的表面化学状态，但以上研究均未给出相关含量分析的STD值。采用上述研究中选取的拟合参数(不同化学状态及对应峰位等)对所得NiFe、FeMn薄膜样品进行分析后发现，STD值为10.25～22.76，有待改善；桂林电子工业学院基础部研究了Cr薄膜的氧化过程，其中取掠射角为45°、60°、75°、90°，仅有四个参数。而实际分析数据显示，仅有小于30°的范围受表面污染等影响较大，35°左右的拟合数据在误差允许范围内，甚至能降低最小二乘法的标准偏差，并且选取角度范围的缩小、选取参数过少，都会影响结果的准确性。此外，Cr的标准电子结合能谱图与Ni、Fe、Mn相差过大，对NiFe/FeMn双层膜的钉扎临界厚度的研究并不适用。以上两种方法都存在一定的不足，亟需一种专门针对NiFe、FeMn薄膜的分析测试方法，既能达到非破坏性的要求，又能正确可行地测量覆盖层表面极薄氧化层厚度(d)，进而得以研究薄膜的钉扎临界厚度。基于此，本发明以NiFe/FeMn双层膜为例，选取与d相近、及略大于d的不同覆盖层(FeMn)厚度参数，制备NiFe单层膜、NiFe/FeMn双层膜，结合静磁性能、微波磁性能，对所得临界厚度值作进一步分析验证。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法。本发明方法简单，对设备要求不高，能非破坏性地测量极薄氧化层的厚度，并结合磁性能研究进而确定薄膜的钉扎临界厚度。
为实现上述目的，本发明所要克服的技术难点主要有：Ni、Fe标准参考电子结合能谱图中，峰位不对称，伴峰(卫星峰)过多，且重合度高，给峰位、半峰宽等参数的确定带来了极大的困难；Fe、Mn的离子价态多，拟合分析选用的价态对结果影响大；在测得的XPS全谱中，单质Ni、Fe、Mn对应的峰位相比之下通常起伏很微弱，不易准确拟合；因薄膜厚度、性能、探测深度、靶材等因素的影响，角分辨XPS测试结果受噪声干扰，谱图毛刺尖峰较多，不利于元素峰位的判断。上述问题均会导致分析结果不准确，拟合标准误差(STD)过大。
本发明采用的技术方案如下：
一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法，具体包括以下步骤：
步骤1、分别对NiFe或FeMn薄膜进行ARXPS测试，其中，选取的掠射角为20°、35°、45°、60°、75°和90°，分别得到NiFe薄膜中Ni、Fe，以及FeMn薄膜中Fe、Mn在不同掠射角下的窄谱图；
步骤2、定量分析：
NiFe薄膜的定量分析：
对于NiFe薄膜中的Ni元素，选取“Ni 2p3/2”、“NiO sate-1”、“NiO 2p3/2”、“NiOsate-2”和“Ni sate”五个化学状态，其中“sate”表示卫星峰。并根据谱图选取在不同掠射角下，Ni元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Ni 2p3/2”化学状态下的电子结合能为852.1eV、半峰宽为1.20～1.30，“NiO sate-1”化学状态下的电子结合能为855.50±0.1eV、半峰宽为2.90～3.00，“NiO 2p3/2”化学状态下的电子结合能为853.30eV、半峰宽为2.74～2.84，“NiO sate-2”化学状态下的电子结合能为860.86±0.1eV、半峰宽为3.03～30.23，“Ni sate”化学状态下的电子结合能为858.00eV、半峰宽为1.58～1.68；
对于NiFe薄膜中的Fe元素，选取“Fe 2p3/2”、“Fe 2p1/2”、“Fe2O3 2p3/2”、“Fe2O32p1/2”和“Fe2O3sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Fe元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Fe 2p3/2”化学状态下的电子结合能为706.75eV、半峰宽为2.25～2.35，“Fe 2p1/2”化学状态下的电子结合能为719.95eV、半峰宽为3.00～3.10，“Fe2O3 2p3/2”化学状态下的电子结合能为710.70eV、半峰宽为4.40～4.50，“Fe2O32p1/2”化学状态下的电子结合能为724.30eV、半峰宽为5.90～6.00，“Fe2O3sate”化学状态下的电子结合能为719.80eV、半峰宽为6.40～6.50；
FeMn薄膜的定量分析：
对于FeMn薄膜中的Fe元素，选取“Fe 2p3/2”、“Fe 2p1/2”、“Fe2O3 2p3/2”、“Fe2O32p1/2”和“Fe2O3sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Fe元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Fe 2p3/2”化学状态下的电子结合能为706.75eV、半峰宽为2.25，“Fe 2p1/2”化学状态下的电子结合能为719.95eV、半峰宽为3.10，“Fe2O32p3/2”化学状态下的电子结合能为710.70eV、半峰宽为4.40，“Fe2O3 2p1/2”化学状态下的电子结合能为724.30eV、半峰宽为5.90，“Fe2O3sate”化学状态下的电子结合能为719.80eV、半峰宽为6.50；
对于FeMn薄膜中的Mn元素，选取“Mn 2p3/2”、“Mn 2p1/2”、“MnO2 2p3/2”、“MnO22p1/2”和“MnO2sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Mn元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Mn 2p3/2”化学状态下的电子结合能为638.80eV、半峰宽为2.50，“Mn 2p1/2”化学状态下的电子结合能为650.05eV、半峰宽为4.10，“MnO22p3/2”化学状态下的电子结合能为641.80eV、半峰宽为3.20，“MnO2 2p1/2”化学状态下的电子结合能为653.50eV、半峰宽为3.70，“MnO2sate”化学状态下的电子结合能为646.40eV、半峰宽为2.80；
经拟合，得到NiFe薄膜中的Ni元素标准偏差(STD)为1.05～1.65、Fe元素标准偏差为1.08～1.54，FeMn薄膜中Fe元素标准偏差为1.47～4.46、Mn元素标准偏差为2.25～4.59，符合要求；
步骤3、针对NiFe薄膜中的Ni、Fe元素，FeMn薄膜中Fe、Mn元素，以为x轴，为y轴，得到拟合曲线，其中，为掠射角，R＝Io/Is，R∞＝Io,∞/Is,∞，Io，Is分别为厚度为d的氧化层和待测样品的底材的光电子峰强度，Io,∞，Is,∞分别为无限厚的氧化层和底材的光电子峰强度；然后，采用最小二乘法拟合求出斜率(即约化厚度)，进而得到氧化层的厚度d。
一种基于上述方法分析钉扎临界厚度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、制备以NiFe或FeMn薄膜作为覆盖层的薄膜样品，可以是NiFe或FeMn单层薄膜，或者以NiFe或FeMn作为覆盖层的多层薄膜；
步骤2、对步骤1得到的薄膜样品进行ARXPS测试，采用上述步骤1至步骤3的方法计算得到氧化层的厚度；
步骤3、制备NiFe/FeMn、或者FeMn/NiFe薄膜作为待测样品，其中，表面的NiFe或FeMn覆盖层薄膜的厚度大于步骤2得到的氧化层的厚度，对待测样品的静磁性能和微波磁性能进行测试，即可得到产生钉扎效应所需的最小铁磁层(NiFe)厚度、最小反铁磁层(FeMn)厚度，即钉扎临界厚度。
本发明提供的一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法中，选取掠射角为20°、35°、45°、60°、75°、90°，在后续最小二乘法拟合时，为排除表面粗糙度和弹性散射对小角数据采集的显著影响，同时排除表面碳污染层对小于10nm范围厚度的表面氧化层所带来的误差，需忽略20°进行计算；结合测试结果和标准峰位图，Ni元素分析选在Ni2p3/2的电子结合能范围内，Fe和Mn则包含该元素的2p3/2、2p1/2电子结合能范围，以便排除过多重叠峰位、卫星峰和不对称峰的影响，又能尽可能多地拟合标准峰位，减小误差；相应地，灵敏度因子RSF也随之按比例改变。Ni氧化物选取NiO分析；Fe、Mn对应离子为多价态，考虑到对应离子价态的稳定性和在自然条件下氧化成高价态的可能性较小，结合XPS结果，选取Fe2O3、MnO2分析。所有选取用于分析的主峰、卫星峰的电子结合能、峰位间距、半峰宽都尽可能遵循标准对照手册，而同一物质的峰位差值不超过0.1eV、半峰宽等参数差值不超过0.2eV，不同掠射角尽可能保证一致，以减小误差，保证结果准确性，将STD值尽量控制在5以下。
本发明提供的一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法，原理为：
采用直流磁控溅射法制备一定厚度、成膜质量合格的NiFe、FeMn薄膜，在自然环境下放置一段时间；根据电子能谱学理论，对薄膜材料进行最外层表面到体相的组成/深度剖析。如图1所示，通过改变掠射角范围：20°～90°，探测样品表面不同深度(d)的元素信息，其中λ是电子的非弹性散射平均自由程。根据表观组成理论与Hazell表面层状结构模型，采用单值分解法和调整法相结合，对Ni、Fe、Mn单质及其氧化物的各项参数进行拟合，如峰位、半峰宽、灵敏因子等。根据角分辨XPS与表面层状结构分析的基本原理和测试方法，在一定误差范围内，得出约化厚度d/λ。最后确定其非弹性散射平均自由程λ，从而得到氧化层厚度d。再以NiFe/FeMn双层膜为例，制备NiFe/FeMn(tAF≈d)、NiFe/FeMn(tAF＞d)不同覆盖层厚度的双层膜及相应单层膜，进行VSM、FMR磁性能测试，根据金属磁性纳米薄膜的单边钉扎模型及自旋波共振(SWR)相关理论，对NiFe/FeMn薄膜的钉扎临界厚度进行深入的分析讨论。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在常规材料分析表征手段(如SEM、HRTEM、台阶法等膜厚测量方法)对极薄薄膜厚度的测量均不可行的条件下，本发明提供了一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法，基于ARXPS对表面氧化层厚度进行非破坏性测试，适用于NiFe或FeMn纳米薄膜。同时，与现有的定量分析结果相比，本发明方法的拟合标准偏差明显下降，标准偏差从现有技术的10.25～22.76下降到1.05～4.59，且Fe的最终分析结果分别为0.71nm、0.74nm，二者的总体标准偏差仅为0.015。
附图说明
图1为ARXPS测试时的示意图(阴影部分表示取样深度)；
图2为实施例中，NiFe薄膜中的Ni在不同掠射角下的ARXPS窄谱图
图3为实施例中，NiFe薄膜中的Ni在不同掠射角下的ARXPS拟合分析图，其中，(a)(b)(c)(d)(e)(f)
图4为实施例中，氧化层约化厚度d/λ的最小二乘法拟合图，其中，(a)Ni(NiFe)，(b)Fe(NiFe)，(c)Fe(FeMn)，(d)Mn(FeMn)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法，具体包括以下步骤：
步骤1、制备薄膜样品：
采用直流磁控溅射法在基片上沉积Ni20Fe80，得到NiFe薄膜；采用直流磁控溅射法在基片上沉积Fe50Mn50，得到FeMn薄膜；采用EDS测试薄膜成分，确认与原材料一样，然后在自然环境(室温)下放置3个月，形成较稳定的自然氧化层；
步骤2、ARXPS测试：
分别对步骤1得到的NiFe或FeMn薄膜进行ARXPS测试。其中，NiFe薄膜测试时采用的靶材为Mg靶，FeMn薄膜测试时采用的靶材为Al靶，以免谱图重叠，难以分峰；所测元素为Ni、Fe、Mn、C(用于荷电校正)，选取的掠射角为20°、35°、45°、60°、75°和90°，分别得到NiFe薄膜中Ni、Fe，以及FeMn薄膜中Fe、Mn在不同掠射角下的窄谱图，以Ni为例，如图2所示；
步骤3、定量分析：
对各元素进行定量分析时，以XPS标准操作手册为参考，最终所取参数如下表所示(sate表示卫星峰)；其中Ni元素仅分析Ni2p3/2的电子结合能范围，Fe和Mn元素的含量分析包含该元素的2p3/2、2p1/2电子结合能范围。Ni2p、Fe2p、Mn2p的灵敏度因子RSF分别为4.044、2.957、2.659，当分析范围同时包含2p1/2和2p3/2时，RSF按1：3的比例拆分拟合。此外，NiFe和FeMn中的Fe元素拟合所取电子结合能参数一致，随后进行XPS拟合分析。
以Ni为例，不同掠射角下各成分的拟合分析谱图如图3，标准偏差(STD)为1.05～1.65。而NiFe薄膜中的Fe元素标准偏差为1.08～1.54，FeMn薄膜中Fe元素标准偏差为1.47～4.46、Mn元素标准偏差为2.25～4.59，符合要求。
表1 NiFe中Ni元素拟合分析的电子结合能(eV)参数
表2 NiFe中Ni元素拟合分析的半峰宽参数
表3 NiFe中Fe元素拟合分析的电子结合能(eV)参数
| 化学状态 | Fe 2p3/2 | Fe 2p1/2 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 2p3/2 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 2p1/2 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>sate |
| 峰位(eV) | 706.75 | 719.95 | 710.70 | 724.30 | 719.80 |
表4 NiFe中Fe元素拟合分析的半峰宽参数
表5 FeMn中Fe元素的拟合分析参数
| 化学状态 | Fe 2p3/2 | Fe 2p1/2 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 2p3/2 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 2p1/2 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>sate |
| 峰位(eV) | 706.75 | 719.95 | 710.70 | 724.30 | 719.80 |
| 半峰宽 | 2.25 | 3.10 | 4.40 | 5.90 | 6.50 |
表6 FeMn中Mn元素的拟合分析参数
| 化学状态 | Mn 2p3/2 | Mn 2p1/2 | MnO<sub>2</sub> 2p3/2 | MnO<sub>2</sub> 2p1/2 | MnO<sub>2</sub>sate |
| 峰位(eV) | 638.80 | 650.05 | 641.80 | 653.50 | 646.40 |
| 半峰宽 | 2.50 | 4.10 | 3.20 | 3.70 | 2.80 |
步骤4、计算拟合
按照ARXPS计算氧化膜的基本方法及公式，进行以下计算(以Ni为例)：
其中，M为原子摩尔质量，ρ为物质的密度，λ为非弹性散射平均自由程，为掠射角；R＝Io/Is，R∞＝Io,∞/Is,∞，Io，Is分别为厚度为d的氧化层(NiO)和待测样品的底材(Ni单质)的光电子峰强度，Io,∞，Is,∞分别为无限厚的氧化层(NiO)和底材(Ni单质)的光电子峰强度。一般来说，λNiO≠λNi，但二者的光电子动能相差无几，所以近似认为相等，统一以λ计算。同理可得：NiFe中Fe的R∞为0.23，而FeMn中的Fe和Mn的R∞分别为0.23和0.43。
结合步骤3的定量分析结果，相关计算结果如下表所示；然后，以为x轴，为y轴，采用y对x作图，得到拟合曲线，如图4；最后，采用最小二乘法拟合求出斜率，即约化厚度d/λ。其中，NiFe薄膜中Ni、Fe的斜率分别为0.72、0.94，而FeMn薄膜中的Fe和Mn斜率分别为0.74、0.82。
根据所用靶材和被测元素的不同，查阅文献可得：NiFe中Ni、Fe的λ为 而FeMn中的Fe和Mn的λ为进而得到NiFe中Ni、Fe，FeMn中Fe、Mn的氧化层厚度d分别为0.43nm、0.71nm、0.74nm、0.90nm，符合元素的还原性强弱规律；且Fe在NiFe、FeMn薄膜中的氧化层厚度趋于一致，进一步印证了此分析方法的准确性。
表7 ARXPS测定NiFe薄膜表面氧化层的Ni2p信号
| α(°) | I<sub>s</sub>(Ni)(％) | I<sub>o</sub>(NiO)(％) | R＝I<sub>o</sub>/I<sub>s</sub> | Y＝ln(1+R/R<sub>∞</sub>) | X＝1/Sinα |
| 20 | 10.08 | 89.92 | 8.92 | 2.76 | 2.92 |
| 35 | 12.08 | 87.92 | 7.28 | 2.57 | 1.74 |
| 45 | 15.53 | 84.47 | 5.44 | 2.30 | 1.41 |
| 60 | 18.04 | 81.96 | 4.54 | 2.14 | 1.15 |
| 75 | 19.02 | 80.98 | 4.26 | 2.08 | 1.04 |
| 90 | 20.79 | 79.21 | 3.81 | 1.99 | 1.00 |
表8 ARXPS测定NiFe薄膜表面氧化层的Fe2p信号
| α(°) | I<sub>s</sub>(Fe)(％) | I<sub>o</sub>(Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)(％) | R＝I<sub>o</sub>/I<sub>s</sub> | Y＝ln(1+R/R<sub>∞</sub>) | X＝1/Sinα |
| 20 | 6.02 | 93.98 | 15.62 | 4.22 | 2.92 |
| 35 | 10.25 | 89.75 | 8.76 | 3.65 | 1.74 |
| 45 | 13.75 | 86.25 | 6.27 | 3.33 | 1.41 |
| 60 | 16.71 | 83.29 | 4.98 | 3.11 | 1.15 |
| 75 | 18.65 | 81.35 | 4.36 | 2.98 | 1.04 |
| 90 | 19.11 | 80.89 | 4.23 | 2.95 | 1.00 |
表9 ARXPS测定FeMn薄膜表面氧化层的Fe2p信号
| α(°) | I<sub>s</sub>(Fe)(％) | I<sub>o</sub>(Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)(％) | R＝I<sub>o</sub>/I<sub>s</sub> | Y＝ln(1+R/R<sub>∞</sub>) | X＝1/Sinα |
| 20 | 2.96 | 97.04 | 32.80 | 4.95 | 2.92 |
| 35 | 5.03 | 94.97 | 18.89 | 4.41 | 1.74 |
| 45 | 5.28 | 94.72 | 17.93 | 4.35 | 1.41 |
| 60 | 6.22 | 93.78 | 15.08 | 4.18 | 1.15 |
| 75 | 7.47 | 92.53 | 12.38 | 3.99 | 1.04 |
| 90 | 9.25 | 90.75 | 9.82 | 3.76 | 1.00 |
表10 ARXPS测定FeMn薄膜表面氧化层的Mn2p信号
一种基于上述方法确定NiFe、FeMn薄膜氧化层厚度，从而进一步分析二者作为多层膜覆盖层时，产生钉扎效应所需最小厚度(即钉扎临界厚度)的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、制备薄膜样品
采用直流磁控溅射法在基片上沉积NiFe(40nm)单层膜用于对比，并制备NiFe(40nm)/FeMn(1nm)、NiFe(40nm)/FeMn(3nm)双层薄膜；
步骤2、磁性能测试
采用振动样品磁强计(VSM)对步骤1得到的样品的静磁性能(4πMs、Hex)进行测试，而微波磁性能(Hres)则用矢量网络分析仪(VNA)进行测试，结果如下表：
表11薄膜样品的静磁性能与微波磁性能
| NiFe(40nm) | NiFe(40nm)/FeMn(1nm) | NiFe(40nm)/FeMn(3nm) | |
| 4πM<sub>s</sub>(Oe) | 8895 | 8801 | 8523 |
| H<sub>ex</sub>(Oe) | 0.34 | 0.65 | 13.09 |
| H<sub>res</sub>(Oe) | 1319 | 1289 | 1086 |
NiFe(40nm)、NiFe(40nm)/FeMn(1nm)薄膜的磁性能差异很小，共振场无明显降低，说明1nm的FeMn覆盖层因被自然氧化，对NiFe的钉扎作用很弱，可以忽略不计。而Hex均接近于零(≠0)，是由于未完全氧化的FeMn及NiFe、FeMn自然氧化后生成的NiO、FeO氧化物本身为反铁磁性，会有微弱的钉扎作用。
当FeMn厚度增大到3nm时，Hex有了量级的提高，不再能够忽略。根据基特尔公式，如式(3)，相对于NiFe(40nm)、NiFe(40nm)/FeMn(1nm)薄膜，NiFe(40nm)/FeMn(3nm)双层膜的4πMs有所下降，Hres降低，说明各向异性场Ha得以提高，产生了钉扎效应，进一步验证并确定了NiFe/FeMn薄膜的钉扎临界(最小)厚度，证明实验结果准确，测试方法可行。
式中：H0为外加直流磁场；γ为旋磁比；Ha为各向异性场；4πMs为饱和磁化强度。
Claims (2)
1.一种NiFe或FeMn薄膜表面氧化层厚度的分析方法，具体包括以下步骤：
步骤1、分别对NiFe或FeMn薄膜进行ARXPS测试，其中，选取的掠射角为20°、35°、45°、60°、75°和90°，分别得到NiFe薄膜中Ni、Fe，以及FeMn薄膜中Fe、Mn在不同掠射角下的窄谱图；
步骤2、定量分析：
对于NiFe薄膜中的Ni元素，选取“Ni 2p3/2”、“NiO sate-1”、“NiO 2p3/2”、“NiO sate-2”和“Ni sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Ni元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Ni 2p3/2”化学状态下的电子结合能为852.1eV、半峰宽为1.20～1.30，“NiO sate-1”化学状态下的电子结合能为855.50±0.1eV、半峰宽为2.90～3.00，“NiO 2p3/2”化学状态下的电子结合能为853.30eV、半峰宽为2.74～2.84，“NiOsate-2”化学状态下的电子结合能为860.86±0.1eV、半峰宽为3.03～30.23，“Ni sate”化学状态下的电子结合能为858.00eV、半峰宽为1.58～1.68；
对于NiFe薄膜中的Fe元素，选取“Fe 2p3/2”、“Fe 2p1/2”、“Fe2O3 2p3/2”、“Fe2O3 2p1/2”和“Fe2O3 sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Fe元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Fe 2p3/2”化学状态下的电子结合能为706.75eV、半峰宽为2.25～2.35，“Fe 2p1/2”化学状态下的电子结合能为719.95eV、半峰宽为3.00～3.10，“Fe2O3 2p3/2”化学状态下的电子结合能为710.70eV、半峰宽为4.40～4.50，“Fe2O3 2p1/2”化学状态下的电子结合能为724.30eV、半峰宽为5.90～6.00，“Fe2O3 sate”化学状态下的电子结合能为719.80eV、半峰宽为6.40～6.50；
FeMn薄膜的定量分析：
对于FeMn薄膜中的Fe元素，选取“Fe 2p3/2”、“Fe 2p1/2”、“Fe2O3 2p3/2”、“Fe2O3 2p1/2”和“Fe2O3 sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Fe元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Fe 2p3/2”化学状态下的电子结合能为706.75eV、半峰宽为2.25，“Fe 2p1/2”化学状态下的电子结合能为719.95eV、半峰宽为3.10，“Fe2O3 2p3/2”化学状态下的电子结合能为710.70eV、半峰宽为4.40，“Fe2O3 2p1/2”化学状态下的电子结合能为724.30eV、半峰宽为5.90，“Fe2O3 sate”化学状态下的电子结合能为719.80eV、半峰宽为6.50；
对于FeMn薄膜中的Mn元素，选取“Mn 2p3/2”、“Mn 2p1/2”、“MnO2 2p3/2”、“MnO2 2p1/2”和“MnO2 sate”五个化学状态，并根据谱图选取在不同掠射角下，Mn元素不同化学状态的电子结合能和半峰宽参数；其中，在“Mn 2p3/2”化学状态下的电子结合能为638.80eV、半峰宽为2.50，“Mn 2p1/2”化学状态下的电子结合能为650.05eV、半峰宽为4.10，“MnO2 2p3/2”化学状态下的电子结合能为641.80eV、半峰宽为3.20，“MnO2 2p1/2”化学状态下的电子结合能为653.50eV、半峰宽为3.70，“MnO2 sate”化学状态下的电子结合能为646.40eV、半峰宽为2.80；
步骤3、针对NiFe薄膜中的Ni、Fe元素，FeMn薄膜中Fe、Mn元素，以为x轴，为y轴，得到拟合曲线，其中，为掠射角，R＝Io/Is，R∞＝Io,∞/Is,∞，Io，Is分别为厚度为d的氧化层和待测样品的底材的光电子峰强度，Io,∞，Is,∞分别为无限厚的氧化层和底材的光电子峰强度；然后，采用最小二乘法拟合求出斜率，进而得到氧化层的厚度d。
2.一种基于权利要求1所述方法分析钉扎临界厚度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、制备以NiFe或FeMn薄膜作为覆盖层的薄膜样品；
步骤2、对步骤1得到的薄膜样品进行ARXPS测试，采用权利要求1中步骤1至步骤3的方法计算得到氧化层的厚度；
步骤3、制备NiFe/FeMn、或者FeMn/NiFe薄膜作为待测样品，其中，表面的NiFe或FeMn覆盖层薄膜的厚度大于步骤2得到的氧化层的厚度，对待测样品的静磁性能和微波磁性能进行测试，即可得到产生钉扎效应所需的最小铁磁层厚度、最小反铁磁层厚度，即钉扎临界厚度。
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