ITO/CoFeB/ITO/Ag多層異質(zhì)磁納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備及其磁光克爾效應(yīng)的研究

韓澤欣，張偉偉，趙翠翠，宋玉軍

（1.唐山市第一中學(xué)，河北唐山，063000；2.北京科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院，北京，100083；3. 北京市磁光電復(fù)合材料與界面科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

0 引言

本文利用磁控濺射法制備了氧化銦錫（ITO）（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質(zhì)磁納米結(jié)構(gòu)薄膜。選擇具有在可見光下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、折射率高（大于2）、消光系數(shù)較小（小于0.5）的ITO層構(gòu)建法布里-珀羅諧振腔實(shí)現(xiàn)了室溫下對(duì)CoFeB薄膜磁光效應(yīng)的有效調(diào)控，使得縱向磁光克爾偏轉(zhuǎn)角比在單層的CoFeB薄膜有了明顯提高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)用磁控濺射的方法將多層異質(zhì)磁納米結(jié)構(gòu)ITO/CoFeB/ITO（x）/Ag按 照 Ag、ITO、CoFeB、ITO的 順 序 自下而上依次沉積到備好的玻璃襯底上。其中磁控真空度達(dá)到9.8×10-4Pa。對(duì)ITO、Ag采用直流濺射的方法，功率密度2.54W/cm2,充入氬氣壓強(qiáng)控制在2Pa，流速為80sccm。對(duì)CoFeB采用射頻濺射的方法，功率密度是5.09W/cm2，充入氬氣壓強(qiáng)控制在0.1Pa，流速為80sccm。各層薄膜厚度用光學(xué)橢偏儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過控制沉積時(shí)間調(diào)節(jié)各層薄膜的厚度。其中CoFeB、Ag的沉積厚度分別為 36nm，56nm。頂層ITO的厚度為10nm，中間插入層ITO的厚度分別取10nm,15nm和20nm。

利用自行搭建的磁光測(cè)量裝置在室溫下對(duì)樣品的縱向克爾效應(yīng)（磁場(chǎng)在入射面內(nèi)且平行于樣品表面，光源選用波長(zhǎng)為660nm的線偏振光，入射角為45°。）進(jìn)行表征。樣品在室溫下的反射率由帶積分球的UV-Vis-NIR分光光度計(jì)(PerkinElmer, UV950)得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的磁光性質(zhì)

圖1 室溫下,在波長(zhǎng)660 nm的線偏振光的照射下，厚度為36 nm的純CoFeB薄膜和中間層ITO厚度不同的ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質(zhì)磁納米薄膜的縱向磁光克爾曲線（a）純CoFeB薄膜；（b）x = 10 nm；（c）x = 15 nm；（d）x = 20 nm。

如圖1是室溫下在波長(zhǎng)660nm線偏振光的照射下，厚度為36nm的純CoFeB薄膜和中間層ITO厚度不同的ITO（10nm）/CoFeB(36nm)/ITO(x)/Ag(56nm)多層異質(zhì)磁納米薄膜的縱向磁光克爾曲線。由圖1可知，各樣品的縱向克爾偏轉(zhuǎn)角在16000A/m下已經(jīng)達(dá)到飽和。取飽和磁場(chǎng)下的縱向克爾偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)單層CoFeB薄膜的偏轉(zhuǎn)角相對(duì)較小，為129mdeg。多層異質(zhì)磁納米薄膜的偏轉(zhuǎn)角相對(duì)較大，其中，中間層ITO厚度分別為10nm，15nm，20nm時(shí)，縱向克爾偏轉(zhuǎn)角分別為230mdeg，303mgeg,287mdeg。中間層ITO厚度為15nm時(shí)，縱向克爾偏轉(zhuǎn)角是單層CoFeB薄膜的2.34倍。說明ITO（10nm）/CoFeB(36nm)/ITO(x)/Ag(56nm)多層異質(zhì)磁納米結(jié)構(gòu)能明顯增強(qiáng)磁光克爾效應(yīng)，且可以通過改變中間層ITO厚度可以實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)縱向克爾偏轉(zhuǎn)角的調(diào)控。為了探究多層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)磁光克爾效應(yīng)的物理機(jī)理我們對(duì)各樣品的反射率進(jìn)行了測(cè)試。

2.2 樣品的光學(xué)性質(zhì)

圖2 室溫下純CoFeB薄膜和多層異質(zhì)磁納米薄膜的反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線。棕色虛線橫坐標(biāo)為660nm。

圖2 是室溫下波長(zhǎng)范圍為400 nm-800 nm 時(shí)，CoFeB厚度為36 nm的單層膜和中間層ITO厚度不同的ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質(zhì)磁納米薄膜的反射率隨波長(zhǎng)變化曲線。由圖2可知單層CoFeB薄膜的反射率較大且隨波長(zhǎng)變化基本不變,穩(wěn)定在40%以上。而多層異質(zhì)磁性納米結(jié)構(gòu) ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）的反射率對(duì)中間層ITO的厚度的變化比較敏感并且在所測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)低于30%，并在600 nm到750 nm之間出現(xiàn)極小值。這是由于在多層異質(zhì)磁納米結(jié)構(gòu)中存在著由ITO構(gòu)成的雙層法布里-珀羅光學(xué)腔。正是這種腔的效應(yīng)引起了多層膜表面反射光的干涉相消，使反射的能量降低。

當(dāng)波長(zhǎng)為660 nm時(shí)，多層磁納米結(jié)構(gòu)磁光克爾效應(yīng)的增強(qiáng)（圖1）與反射率的降低（圖2）是聯(lián)系在一起的。并且通過對(duì)中間層ITO厚度的調(diào)控發(fā)現(xiàn)當(dāng)其厚度為15 nm時(shí)多層異質(zhì)磁性薄膜的反射率最小，這與磁光克爾角取最大值時(shí)的中間層ITO厚度相對(duì)應(yīng)。這是由于由ITO層構(gòu)成的雙光學(xué)腔使得光束在結(jié)構(gòu)表面發(fā)生相消干涉，促使反射率相比于單層CoFeB薄膜大幅下降。我們知道，由于反射率的減小，反射的電磁能量降低。由能量守恒定律推測(cè)可知多層薄膜結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光電場(chǎng)將會(huì)得到增強(qiáng)，即發(fā)生了腔的能量增強(qiáng)效應(yīng)，使得光在薄膜內(nèi)部多次反射，與磁性物質(zhì)CoFeB薄膜的作用得到加強(qiáng)，最終得到較大的磁光克爾偏轉(zhuǎn)角。

3 結(jié)論

本文利用磁控濺射法制備了多層異質(zhì)磁性納米結(jié)構(gòu)并對(duì)其在室溫下的磁光克爾效應(yīng)和反射率與相同厚度的單層CoFeB薄膜進(jìn)行比較。研究表明：（1）室溫下 ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）多層異質(zhì)磁性納米結(jié)構(gòu)能夠明顯提高波長(zhǎng)為660 nm的線偏振光下的縱向磁光克爾角。尤其是當(dāng)中間層厚度為15 nm時(shí)，多層結(jié)構(gòu)的磁光克爾角是單層 CoFeB 薄膜的 2.34 倍。（2）ITO（10 nm）/CoFeB（36 nm）/ITO（x）/Ag（56 nm）復(fù)合結(jié)構(gòu)可以明顯降低薄膜系統(tǒng)的反射率。這是由于系統(tǒng)中存在由ITO構(gòu)成的法布里-珀羅光學(xué)腔，使得系統(tǒng)表面的光發(fā)生相消干涉。（3）磁光克爾角的增大與系統(tǒng)的反射率降低相對(duì)應(yīng)。這是由于反射的電磁波能量降低，系統(tǒng)內(nèi)部電磁波能量增強(qiáng)使得光與CoFeB薄膜的作用增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)了系統(tǒng)的磁光效應(yīng)。