磁性多层膜Ta/NiO/NiFe/Ta角分辨XPS

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.024 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 磁性多层膜Ta/NiO/NiFe/Ta角分辨XPS 于广华朱逢吾马纪东王安荣 北京科技大学材料物理系，北京100083 摘要磁性多层膜Ta/NiO/NiFe//Ta由磁控溅射方法制备.采用角分辨X射线光电子能谱(CXPS) 研究了反铁磁NiO/铁磁(NiFe)界面.结果表明，在NiO/NiFe界面发生了化学反应：NiO+Fe=Ni+ Fe0和3NiO+2Fe=3Ni+Fe,O,此反应深度约为1~l.5nm.反应产物将影响NiO对NFe的交换耦 关键词角分辨X射线光电子能谱；NiO/NiFe界面；交换耦合；界面反应 分类号TM271 从本质说，巨磁电阻效应就是一种界面现 洗干净的单晶硅(100)基片上沉积了Ta(12nm)/ 象，界面结构的任何变化可能对磁性产生较大 NiO(50nm)/Nia.Fer(3nm)/Ta(3nm),(括号中数值 的影响Ⅲ.因此，目前有较多的文献报道巨磁电 为膜的厚度)，Ta层分别作为缓冲层和防氧化 阻多层膜中界面互扩散及界面化学反应，如 层.本底真空度优于4×10-Pa,溅射时氩气压为 Antel等人研究了FeMn/Co界面反应对交换耦 0.5Pa;基片用水冷却，平行于基片平面方向加 合的影响m,Bruckner等人讨论了NiFe/Cu/NiFe 有磁场20×10Am',以诱发出一个易磁化方向. 中Cu的扩散对有关磁性的影响，.最近，我们在 详细的实验条件可参阅以前的工作 Ta/NiO界面处也发现了一个热力学上有利的化 样品制备完毕后在48h内送人MICROLAB 学反应，并且该反应是影响铁磁/反铁磁薄膜间 MKⅡ型X射线光电子能谱仪中，电子能谱仪分 交换耦合的一个重要因素. 析室真空度优于3×I0-?Pa,X射线光源AlK. NiO/NiFe,NiFe/FeMn和NiFe/NiMn是近年 (h。=1486.6eV),能量分析器的扫描模式为CAE, 来被广泛研究交换耦合的系统，Lin等人曾系 通过能量为50eV.深度剖析时离子刻蚀工作条 统地总结了由实验数据得到得以上几种交换耦 件：人射离子为Ar,工作气压为1x10Pa,能量 合系统的界面耦合能J和交换耦合场H:当 电压为500V,Ar'电流密度是50Acm2.尽管 NiFe厚度te为4nm时，NiO/NiFe的界面耦合能 用Ar进行XPS深度剖析可能会对原子的电子 J=9×10Jm2,Hx=1.6×10Am.然而按照公 结合能有所影响，但是Sharma等人m认为这是 式Hx=J/M(M为磁性层的饱和磁化强度)， 用来研究磁性多层膜的原子层间扩散、化学状 当t,M不变时，HcJa,那么NiO对NiFe的交 态和氧化深度等方面非常实用的方法.为了减 换耦合场应该要比实验值H=l.6×10Am大得 小A刻蚀对原子的电子结合能可能造成的影 多.为了搞清产生这种磁学现象的原因，本文采 响，本实验采用了低能A对薄膜进行刻蚀.首 用磁控溅射方法在单晶硅(100)基片上沉积了 先，用Ar离子将3nmTa保护层清洗掉(Ar离子 Ta/NiO/NiFe/Ta薄膜，并采用角分辨X射线光电 对Ta层的刻蚀速率已经准确地标定)；同时，也 子能谱(XPS)技术研究了NiO/NiFe界面的化学 利用5°光电子出射角收集到的XPS谱图监视 状态 NiFe,层的出现；然后，对NinFe层薄膜进行 角分辨XPS的分析，以测量不同深度的信息. 1试验 XPS的探测深度d与光电子出射角a、光电子的 样品在DV-502型磁控溅射仪中制备.在清 非弹性散射平均自由程A的关系为：d-3sina.2 值可由Tanuma等人编的3】种物质的光电子 收稿日期2001-12-31于广华男，35岁，副教授 *国家自然科学基金资助课题No.19890310)和北京市自然科学基金资助项目(No.2012011)

4 第 卷 第 期 2 2 4 年 月 0 0 2 2 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u , a l o f U n i v csr i yt o f s ic . e e a . d 升 e h . o】o g y B e ij i . g V b l . 2 4 N 0 . 2 A P .r 2 0 0 2 磁性 多层膜 aT 八10 八iF e/ aT 角分辨 X P S 于广华 朱逢吾 马纪 东 王安 荣 北京科技大学材料物理系 , 北京 10 0 0 83 摘 要 磁性 多层膜 1’a / N IO 闪 iF e门厄由磁控溅射 方法制 备 . 采用角分 辨 x 射线光 电子 能谱X( P s) 研究 了反铁 磁伽iO )/ 铁磁困i Fe) 界 面 . 结 果表 明 , 在 iN o 闪ieF 界 面发生 了化 学反应 : NI O 十 eF = iN + F e o 和 3N io + ZF e = 3 N i+F e 2 0 3 ,此 反应 深度 约为 l 一 1 . 5 n m . 反 应产 物将影 响 N i o 对 N ir e 的交换锅 2 、 关键词 角分辨 x 射线 光 电子 能谱 ; NI O 用ieF 界面 ; 交换 藕合 ; 界 面反应 分类号 T M 2 7 1 从本质说 , 巨磁 电阻效应 就是 一种界面现 象 , 界面结构 的任何变化 可能对磁性 产生较 大 的影响 `1] . 因此 , 目前有较多 的文献报道 巨磁 电 阻多层膜 中界面互扩散及界面 化学反应 ` .s2] , 如 A in el 等人研究 了 eF M 川C O 界面反应对交换藕 合 的影 响 2IJ , B 川c kn er 等人讨论 了 NI eF C/ 11 /N IeF 中 C u 的扩散对有关磁性 的影 响 `3] , 最近 , 我们在 r l’a/ N IO 界面处也发现了一个热力学上有利 的化 学反应 , 并且该反应是影响铁磁/反铁磁薄膜间 交换祸合的一个重要 因素 ` ,.] N IO加 iF e , N IF e 邝e Mh 和 N 汪eN/ iM n 是近 年 来被广泛研 究交换藕合的系统 , iL n 等人 `5] 曾系 统地总结 了由实验数据得 到得 以上几种交换藕 合 系统 的 界面藕合 能eJ 、 和 交换藕 合场 eH : : 当 N IF e 厚度tF为 4 mn 时 , N OI 加iF 。 的界面祸 合能 exJ 二 g x lo 一 S J · m 一 , , eH , = 1 . 6 x 1 0 4 A · m 一 ’ . 然而按照 公 式eH 、 二 exJ /赫 塑 (Mr 为磁性层的饱和 磁化强 度 ) , 当tF , Mr 不变时 , eH : oc ej : , 那 么 NI O 对 NI eF 的交 换祸合场应该要 比实验值cH 、 =l . x6 1O 4 .A m 一 ’ 大得 多 . 为 了搞清产生 这种磁学现象的原 因 , 本文采 用磁控溅 射方法在单 晶硅 ( 10 ) 基片上沉积 了 1习 N i o N/ iF e/ aT 薄膜 , 并采用 角分辨 X 射线光 电 子能谱 ( X P s) 技术研究 了 NI O N/ ieF 界面 的化学 状态 . 1 试验 样品在 D v- 5 02 型磁控溅射仪中制备 . 在清 收稿日期 2 0 0 1 一 12 一 31 于广华 男 , 35 岁 , 副教授 洗干 净的单 晶硅 ( 10 )基 片上 沉积 了 aT ( 12 lun )/ N IO ( 5 0 nm )N/ i : I F e , 9 ( 3 nm ) /几 ( 3 nm ) , (括号中数值 为膜 的厚度 ) , aT 层分别作为缓冲层 和 防氧化 层 . 本底 真空 度优于 4 又 1 0 一 S P a , 溅射时氮气压为 .0 5 P;a 基片用 水冷却 , 平 行于 基片平面 方 向加 有磁场2 0x l护A · m 一 ’ , 以诱发出一 个易磁化方向 . 详细的实验条件可 参阅 以前 的工作 ` .,l 样 品制备完毕后在 48 h内送人 M CI RO L A B M K n 型 X 射线光电子能谱仪 中 , 电子能谱仪分 析 室 真空 度 优 于 3时 0 一 , aP , X 射 线 光 源 A uIK h( 户 1 4 8 .6 6 e v ) , 能量分析器的扫描模 式为 QA E, 通过能量为 50 e V . 深度剖析时离子刻蚀工作条 件 : 人射离子为 A+r , 工作气压为 l 、 l犷 4 aP , 能量 电压为 s o v , A +r 电 流密度是 50 叭 · c m 一 2 . 尽管 用 A r + 进行 X P S 深度 剖析 可能会 对原子的电子 结合能有所影响 , 但是 S h ~ a 等人 f71 认 为这是 用 来研究 磁性 多层 膜的原子层间扩散 、 化 学状 态 和 氧化 深度 等方面 非常实用的方法 . 为了减 小 A +r 刻蚀 对原子的 电子结合能可 能造成 的影 响 , 本实验采用 了低能 A r 对薄膜进行刻蚀 . 首 先 , 用 A +r 离子将 3 nm aT 保护层清洗掉 (A +r 离子 对 aT 层 的刻蚀速率 已经准确地标定 ) ; 同时 , 也 利用 5o 光 电子 出射角收集到 的 X P S 谱图监视 N i : : F e : , 层 的出现 ; 然后 , 对 N i : , F e , , 层 薄膜 进行 角分 辨 X P S 的分析 , 以测量 不 同深度 的 信息 . X P S 的探测深度 d与光 电子 出射 角 a 、 光电子的 非弹性散射平均 自由程兄的关 系为: =d 3湘in als ] . 允 值可 由 几 n um a 等人 Lg] 编 的 31 种物质 的光 电子 * 国家 自然科学基金 资助课题(N 0 . 19 8 9 0 3 10) 和北 京市 自然科学 基金资助 项 目( N o . 2 01 2 0l l) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 02. 024

·192· 北京科技大学学。报 2002年第2期 非弹性散射平均自由程表获得.对AKX光源掉靶材表面可能的氧化物；最后，在NO膜上镀 来说，在Fe中的Fe2p的非弹性散射平均自由 出纯净的合金NFe膜.另外，为了比较，在单晶 程1为1.34nm;在Ni中Ni2p的为1.07m;它 Si衬底上也单独制备NiFe膜，其中无铁氧化物 们氧化物的2比零价状态的1要大0.10.2nm.所 的痕迹.因此，XPS探测到的Fe2*和Fe+不是在 以，当使用90°的光电子出射角时可以获得NO/ 制膜过程中形成的.我们认为在双层膜NO/ NFe界面的信息（实际上得到的是包括界面在 Fe 2Pp a为光电子出射角 内的0-31范围内的信息总和，因为大约95%的 光电子信号来自这个深度）.所以，采用角分辨 XPs技术，不必刻蚀到NiO/NiFe界面即可得到 ha=15° 界面的信息.为了消除荷电效应的影响，对每个 XPS图谱用C1s外标法进行谱线能量校正.用 wa=30° a=60° XPS系统配备的Gaussian(80%)-Lorentzian(20%) a-90° 曲线拟合程序（包括原子的灵敏度因子）对所得 740730720710700690680 的谱线进行拟合，峰面积拟合误差小于5%. Ewe /ev 图1不同出射角aNiO/NFe界面附近的Fe2pXPS谱图 2结果和讨论 Fig.1 Fe 2p high-resolution XPS spectra obtained near NiO/NiFe interface for a=l5°，30°，60 and 90°，a is a take 图1是收集的出射角a从15°到90°Fe2p的 off angle for photoelectrons with respect to the samples sur- XPS能谱图，可以看出随探测深度的增加，Fe2p face plane 峰逐渐变宽，说明铁出现了不同的化学状态. 90°出射角时探测到的是包括NiO/NiFe界面在 Fe 2pan 1一单质 2-Fe2* 内的信息.图2是对应90°出射角时的Fe2pn的 Fe 计算机拟合曲线.根据XPS手册o可知：706.60 eV处的拟合峰1为单质铁的2pz峰；709.00eV 处的拟合峰2为+2价铁的2pz峰；711.30eV处 的拟合峰3为+3价铁的2p2峰.拟合计算结果 表明全部铁元素中单质Fe约占41%，Fe约占 24%,Fe约占35%，拟合误差小于5%.另外，实 717714711708705702 验结果还表明：当出射角从15°到90°变化收集 EeleV 图2 NiO/NiFe界面处的Fe2p,的XPS谱图的计算机拟 Ni2p的XPS能谱图时，可以看出随探测深度的 合曲线，光电子出射角a=90° 增加，只有对应90°出射角时的Ni2p峰有所变 Fig.2 Computer fitting curve of Fe 2p high-resolution 宽.图3为它的计算机拟合曲线.经查XPS手 XPS spectrum for as=90° 册o可知：852.30eV处的拟合蜂1为单质镍的 2pn峰，869.60eV处的拟合峰5为Ni的2p2峰， Ni2p 1一单质；2-N;3,4,6,8一伴峰 拟合峰3,6为其伴峰；854.50eV处的拟合峰2为 Ni*的2p2峰，874.00eV处的拟合峰7为其2p1n 蚁 5 餐 6 峰，拟合峰4,8为其伴峰.拟合计算结果表明Ni P 约占62%，Ni约占38%，拟合误差小于5%.由 图2和图3拟合结果，进一步计算得出，界面附 近的NisFe19已变为含Fe不到8%的NiFe合金. 在样品制备过程中，首先用Ar和O2的混合 888880872864 856 848 气体单独起辉高纯N靶所在的靶枪，经反应溅 结合能IeV 图3 NiO/NiFe界面处的Ni2p的XPS谱图的计算机拟 射制得NiO膜；然后将溅射室抽回到4×10-Pa 合曲线，光电子出射角a-90° 的高真空除氧，再充纯Ar以起辉高纯合金NiFe Fig.3 Computer fitting curve of Ni 2p high-resolution XPS 靶所在的靶枪，并且将NiFe靶预溅30min以去 spectrum for as=90°

0 0 北 京 科 技 大 学2 学2 报 2 年 第 期 非 弹性散射平均 自由程表获得 . 对 A a 若光源 K I 来说 , 在 eF 中的 eF Zp 的非弹性散射平 均 自由 程 又为 l . 3 4 urn ; 在 N i 中 N i Zp 的入为 l . 0 7 mn ; 它 们氧化物 的入比零价状态的入要大 0 . 1一 .0 2 unI . 所 以 , 当使用 9 0 的光电子 出射角时可 以获得 N IO/ N IF e 界面 的信息 ( 实际 上得到 的是 包括界面在 内的 0一 3 又范围内的 信息总和 , 因为大约 95 % 的 光 电子信 号来 自这个深 度 ) . 所 以 , 采用 角分 辨 X P S 技术 , 不必刻蚀 到 N i o 加iF e 界面 即可得 到 界面 的信息 . 为了消除荷 电效应 的影响 , 对每个 X P S 图谱用 lC s 外 标法进行谱 线能量校正 . 用 X P S 系统配备 的 G au s s ian ( 8 0 % )几 o er ntZ ian ( 2 0 % ) 曲线拟合程序 (包 括原 子的灵敏度 因子 )对所得 的谱 线进行拟合 , 峰面积拟合误差 小于 5%. 掉靶材 表面可能 的氧化物 ;最后 , 在 N OI 膜上镀 出纯净 的合金 N IeF 膜 . 另外 , 为 了 比较 , 在单 晶 is 衬底上 也单独制备 NI eF 膜 , 其 中无铁氧化物 的痕迹 . 因此 , X P S 探测 到的 eF +2 和 eF +3 不是 在 制 膜过 程 中形 成 的 , 我们认 为在 双层膜 NI O/ F e Z PP a = 1 5 0 侧哄友霉 a = 30 0 a = 60 0 a = 90 0 侧淇韧籍 2 结果 和讨论 图 l 是 收集的 出射 角a 从 1 5 0 到 9 0 o F e Zp 的 X P S 能谱图 , 可 以看出随探测深度的增 加 , eF ZP 峰逐渐 变宽 , 说 明铁 出现 了 不 同的化 学状 态 . 9 0 出射 角时探测到 的是包括 NI O 加ieF 界面在 内的信息 . 图 2 是 对应 9 0 出射角时 的 eF Zp 3二 的 计算机 拟合 曲线 . 根据 x P S 手册 〔10] 可知 : 7 06 . 60 e V 处 的拟合 峰 l 为单质铁 的 Zp 。。 峰 ; 7 0 9 . 0 0 e V 处 的拟合峰 2 为+ 2 价铁 的 2P 3二 峰 ; 7 n . 30 e v 处 的拟合峰 3 为+3 价铁 的 2P 3。 峰 . 拟合计算结 果 表 明全部铁元 素 中单质 eF 约 占 41 % , eF +2 约 占 24 % , eF +3 约 占 35 % , 拟合误差小 于 5% . 另外 , 实 验 结果还表 明 : 当出射 角从 15 “ 到 9 0 变化收集 N i Zp 的 X P S 能谱 图时 , 可 以看 出随探 测深度 的 增加 , 只 有对应 9 0 出射 角时的 N i ZP 峰有所变 宽 . 图 3 为 它的计算机拟合 曲线 . 经查 X P S 手 册 ’ l0] 可知 : 8 52 . 30 e V 处 的拟合 峰 1 为单质镍 的 Zp , 。 峰 , 8 6 9 . 6 0 e V 处 的拟合峰 5 为 N i 的 Zp 、二 峰 , 拟合峰 3 , 6 为其伴 峰 ; 85 .4 50 e V 处 的拟合 峰 2 为 N i , + 的 2 P 3。 峰 , 8 7 4 . 0 0 e V 处 的拟合 峰 7 为其 2 p l 。 峰 , 拟合 峰 4, 8 为其伴峰 . 拟合计算结果 表明 iN 约 占 62 % , N +iz 约 占 38 % , 拟合 误差小于 5 % . 由 图 2 和 图 3 拟合结果 , 进一步计算 得出 , 界面附 近的 N i s l F e l , 已变 为含 F e 不到 8% 的 N IF e 合金 . 在样 品制备过程 中 , 首先 用 iA 和 0 2 的混合 气体单独起 辉高纯 iN 靶所在 的靶枪 , 经反应溅 射制得 N io 膜叹 然后 将溅射室抽 回 到x4 10 一 , P a 的 高真空 除 氧 , 再 充纯 iA 以起辉 高纯合 金 NI eF 靶所在 的靶 枪 , 并且将 NI eF 靶 预溅 30 m in 以去 7 4 0 7 30 7 2 0 7 1 0 7 0 0 6 9 0 6 8 0 五结 合 e/ V 图 1 不 同出射 角 aN OI 舰iF e 界 面 附近 的 F e ZP X P S 谱 图 F i g · 1 F e Z P h ig h · er s o l u ot n X P S s P e e t ar o b t a i n ed n e a r N i o lN I F e i n t e r fa e e fo r a = 15 0 , 3 0 0 , 6 0 o a n d 90 , a 15 a at 址 o f a n g le fo r Ph o t o e le e t or n s w it h esr eP c t t0 th e s a m Ple s s u -r fa c e P la n e F e 2 P 3二 1一单质 2一 F e Z+ 3一 Fe 3 + 7 17 7 14 7 1 1 五结 合e/ V 图 2 N i o lN 扭e 界 面处 的 eF ZP二 的 合 曲线 , 光 电子 出射角 a = 90 “ , 、 飞苗运必 ! 7 0 8 7 0 5 7 0 2 X P S 谱 图的计 算机 拟 F啥 · 2 C o m P u et r n t t in g c u vr e o f F e Z P` h ig h · er s o l u t i o n X P S s P e c t ur m fo r a = 9 0 N i ZP l一单质: 2一N l , + : 3 , 4 , 6 , 8一伴峰 8 2 侧惠蕊霉 8 88 8 8 0 8 7 2 8 6 4 8 5 6 8 4 8 结合能 e/ v 图 3 N io lN 扭e 界面 处的 N i Z p 的 X P S 谱 圈 的计算机拟 合 曲线 , 光 电子 出射角 , , o0 F褚 · 3 C o m P u et r n t in g e u vr e o f N i ZP h i g卜 er s o l u tio n X P S s P e c t r u m of r a = 9 0 0

Vol.24 于广华等：磁性多层膜Ta/NiO/NiFe/Ta的角分辨XPs ·193· NiFe界面上发生了以下反应：NiO+Fe=Ni+FeO 参考文献 和3NiO+2Fe=3Ni+FezO,.对这2个反应，25℃时 1 Schulthess T C,Butler W H.Consequences of Spin-flop 吉布斯自由能的变化分别为-33.21和-108.87 Coupling in Exchange Biased Films [J].Phys Rev Lett, kJ.mol,在热力学上是有利的.从动力学角 1998,81:4516 度来看，NiO的形成焓为2.49eV,而在磁控溅 2 Antel W J,Jr Perjeru F,Harp G R.Spin Structure at the In- 射中从靶材上被溅射下来到达基片的原子所具 terface of Exchange Biased FeMn/Co Bilayers[J].Phys Rev Lett,1999,83:1439 有的能量约为几个至十几个eV2,这说明上述 3 Bruickner W,Baunack S,Hecker M,et al.Interdiffusion in 化学反应在能量上可以进行.由图1角分辨XPS NiFe/Cu/NiFe Trilayer:Possible Failure Mechanism for 分析的结果，可以看到从a-30°开始Fe2pn峰逐 Magnetoelectronic Devices[J].Appl Phys Lett,2000,77: 渐变宽，由d=3sina可计算此角度时XPs探测 358 深度约为1.5nm,而NiFe层厚度为3nm,所以此 4 Yu G H,Chai CL,Zhao HC,et al.Interface Reaction of Ta/NiO and Its Effect on Exchange Coupling[J].J Magn 反应深度约1~1.5nm. Magn Mater,2001,224:61 角分辨XPS分析结果表明，在界面1.5nm 5 Lin T,Tsang C,Fontana R E,et al.Exchange-coupled Ni- 附近产生了杂质缺陷，这将减少NiO与NiFe有 Fe/Fe-Mn,Ni-Fe/Ni-Mn and NiO/Ni-Fe Films[J].IEEE 效的接触面积；另一方面它们也会阻碍FM膜 Transactions on Magnetics,1995,31(6):2585 NiFe中磁畴壁运动.前者导致H.下降，后者使 6 Hwang DG,Lee SS,Park CM.Effect of Roughness Slo- H上升.角分辨XPS分析给以杂质缺陷明确的 pe on Exchange Biasing in NiO Spin Valves[J].Applied Physics Letters,1998,72 (17):2162 化学信息，例如FeO和Fe,O,形成居里点较低的 7 Sharma M,Wang S X,Nickel J H.DeteRmination of Bar- 磁性铁氧体，而NiFe合金膜界面处Fe原子的 rier Oxidation States in Spin Dependent Tunneling Struc- 减少也会降低居里点和磁矩.这些磁性缺陷在 tures[J].J Appl Phys,1999,(85):7803 界面附近造成磁性涨落，它对H和H影响的物 8 Atanassova E,Dimitrova T,Koprinarova J.AES and XPS 理机制有待进一步的研究课题 Study of Thin RF-sputtered Ta,O,Layers[J].Appl Surf Sci,1995,84:193 3结论 9 Tanuma S,Powell C J,Penn D R.Calculations of Electron Inelastic Mean Free Paths for 31 Materials[J].Surf Inter- 采用角分辩XPS技术研究了NiO/Nis,Fe1g界 face Anal,1988,11:577 面，发现在该界面处发生了下列化学反应的： 10 Wagner C D,Riggs W M,Davis L E,et al.Handbook of NiO+Fe=Ni+FeO和3NiO+2Fe=3Ni+FeO.界面 X-ray Photoe Lectron Spectroscopy[M].U S A:Perkin- 附近产生的FeO和Fe,O,导致了NiO与NiFe间 Elmer,.1979.81 较弱的交换耦合场和较大的矫顽力，这是影响 11 Kubaschewski O,Alcock C B,Spencer P J.Materials Thermochemistrys[M].New York:Pergamon Press,1993. NiO与NiFe间交换耦合的一个重要因素.同时， 278 从本文研究我们也看到角分辨XPS是研究磁性 12 Stuart R V,Wehner GK.Energy Distribution of Sputtered 薄膜界面的一个有利工具. Cu Atoms[J].J Appl Phys,1964,35 (6):1819 Angle-resolved XPS Studies of Magnetic Multilayers Ta/NiO/NiFe/Ta YU Guanghua,MA Jidong,ZHU Fengwu Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Ta/Ni/NiFe/Ta multilayers were prepared by magnetron sputtering.The composition and chemical states at the interface region of NiO/NiFe were studied using the angle-resolved X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).The results show that there are two thermodynamically favorable reactions at NiO/NiFe interface:NiO+Fe=Ni FeO and 3NiO+2Fe =3 Ni+Fe:O,.The thickness of the chemical reaction as estim- ated by angle-resolved XPS was about 1-1.5 nm.These interface reaction products are magnetic defects,and- the exchange coupling field H and the coercivity Hc of NiO/NiFe are affected by these defects. KEY WORDS angle-resolved XPS;NiO/NiFe;exchange coupling;;interface reaction

V b】 . 2 4 于广 华等 : 磁性 多层膜 1?a/ N i o 八iF e瓜 的角 分辨 x P s N IFe 界面上 发生 了以 下反应 : N IO + F e = N i + Fe O 和 3N IO + ZFe = 3N i + F e Z O 3 . 对这 2 个反 应 , 2 5 ℃ 时 吉布斯 自由能 的变化 分别为 一 3 . 21 和 一 108 . 87 kJ · m ol 一 ’ 〔, ” , 在热力学上 是有利 的 . 从动力学角 度来看 , N io 的形成烩为 .2 49 e V 日’ ] , 而在磁控溅 射 中从靶材上 被溅射 下来到达基片的原子所具 有 的能量约为几个至 十几个 e V[ 12] , 这说明上述 化学反 应在能量上 可 以进行 . 由图 1角分辨 x P S 分析的结果 , 可 以看到从 =a 3 o0 开始 eF 2 p 3。 峰逐 渐变宽 , 由d 二 3舫in a 可 计算此角度时 X P S 探测 深度约为 1 . s nl , 而 N IeF 层厚度 为 3 lun , 所以 此 反 应深度约 1一 1 . s urn . 角分 辨 X P S 分析结果表 明 , 在界面 1 . S lun 附近 产生 了 杂质缺陷 , 这 将减少 N io 与 N IeF 有 效 的 接触面 积 ; 另一方 面 它们 也会 阻碍 F M 膜 N IF e 中磁畴壁运 动 . 前者导致凡下降 , 后者使 cH 上 升 . 角分辨 X P S 分析给 以杂质缺 陷明确 的 化学信息 , 例如 eF O 和 eF Z O , 形成居里 点较低 的 磁性铁氧体 , 而 NI F e 合金膜界面 处 eF 原子 的 减少也会降低居里点 和磁矩 . 这些磁性缺陷在 界面 附近 造成磁性 涨落 , 它对 exH 和 cH 影响 的物 理机制有待进一步 的研究课题 . 参 考 文 献 3 结论 采用 角分辩 X P S 技术研究 了 iN o 加标eF l , 界 面 , 发现在该界面处 发生 了下列化学反应 的 : N IO+ F e 二N i + F e O 和 3 N io + ZF e = 3N i + F e Z O 3 . 界 面 附近 产生 的 F e O 和 F e Z O , 导致 了 N OI 与 NI F e 间 较 弱的交换藕合场 和 较大的矫顽力 , 这是影 响 N io 与N IF e 间交换藕合的一个重要 因素 . 同时 , 从本文研究我们也看到角分辨 X P S 是研究磁性 薄膜界 面 的一个有利工具 . 1 S e h u l the s s T C , B ut l e r W H . C o n s e q u e n e e s o f S Pi n 一 fl o P C o uP li n g i n E xc h an g e B i as e d F ilm s 田 . P hy s eR v L et, 19 9 8 , 8 1 : 4 5 16 2 A n t e l W J , J r P e rj e ur F, Ha pr G R . S Pi n S tur e ut er at ht e I n - t e r俪 e o f Ex e h an g e B ias e d F e M可 C o B i l ay e sr I J ] . Phy s Re v L e t , 19 99 , 8 3 : 14 3 9 3 B比c kn e r W, B a u n a e k S , H e e k e r M , e t a l . I n t e dr i ifj s i o n i n N I Fe / C u N/ iF e irT lay e r : P o s s i b l e F a il u er M e e h an i s m fo r M a gn e ot e l e e otr n i e D e v i e e s [ J ] . A P PI P hy s L et , 2 0 0 0 , 7 7 : 3 5 8 4 uY G H , C ha i C L , Z h a o H C , d a l . Iin e r fa e e eR 即t i o n o f l h /N io an d It s E fe ct o n E x e han ge C o uP li n g [J l . J M a gn M a g n M a t e 乙 2 0 0 1 , 2 24 : 6 1 5 L i n T, sT an g C , F o n t a n a R E , e t a l . E x e han g e 一 e o uP l e d N i - F e F/ e 一 M 们 , N i 一 F eN/ i 一 M n an d N io N/ i 一 F e F i lm s [ J ] . IE E E T r a n s a ct i o n s o n M ag n e ti e s , 1 9 9 5 , 3 1(6 ) : 2 58 5 6 H w an g D G , L e e S S , P a rk C M . E fe e t o f OR u g h n e s s s l o - P e o n E cx h a n g e B i as ign i n N i o S Pi n Va l v e s [ J] . A P Pl i e d P h y s i c s L e et sr , 1 99 8 , 7 2 ( 1 7 ) : 2 16 2 7 S h a n n a M , W台n g S X , N i c k e l J H . D e t e R m i n at i o n o f B ar - r i e r o x id at i o n S t at e s i n SP i n D e P e n ds n t T u n e li n g Sutr e - t u r e s [J ] . J A p l P hy s , 199 9 , ( 8 5 ) : 7 8 0 3 8 A t a n as s o v a E , D im iOtr v a T, oK P r i n ar vo a J . A E S an d X P S S ut dy o f Th i n RF 一 s P u et r e d aT 2 0 5 Lay e sr [ J ] . Ap l Sur f S e i , 19 9 5 , 8 4 : 19 3 9 aT n um a S , P o w e l l C J , P e n D R . C a l e u lat i o n s o f E l e e tr o n Ine l a s t i e M e an F r e e Pat h s for 3 1 M aet r i a l s [ J ] . S u r f l n t e r - 伪c e A n a l , 19 8 8 , 1 1 : 5 7 7 1 0 w 台g n e r C D , Rig s W M , D va i s L E , e t a l . H an db o o k o f X- ayr P h o t o e L e e otr n S P e e otr s e o Py [M ] . U S A : Pe kr i n - E l m e r, 19 7 9 . 8 1 1 1 K u b a s e h e w s k i o , A l e o e k C B , SPen e e r P J . M aet r i a l s T h e mr o e h e m i s ytr s [M ] . N e w oY kr : Pe gr am o n P er s s , 1 9 9 3 . 2 7 8 12 Sut art R V, W七hn e r G K . E n e rg y D i s itr b u ti o n o f S Put e er d C u A t o m s IJ] . J A P PI Ph y s , 19 6 4 , 3 5 ( 6 ) : 1 8 19 A n g l e 一 r e s o l v e d X P S Sut d i e s o f M a g n e t i e M u lt ilay e r s aT 加10 N/ iF e /aT 了口 G ua n g h u a, 人工峨丈如gn, Z厅 U eF 刀 g 林, u M aet r i a l s S e i e n e e an d E n g i n e e r i n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , Ch i n a A B S T RA C T T 盯N IQ加 iF e /aT m u lt il盯 e r s W e re p r e p a r e d b y m卿 e tr on 印 ute ir n g · hT e c o m p o s it i o n an d e h e m i c a l s t a t e s a t ht e int e r af e e r e g i o n o f N IO N/ iF e w e re s t u d i e d u s i n g ht e an g l e 一 r e s o l v e d X 一r ay Ph o t o e l e e otr n s Pe c tr o s c o yP X( P S ) . T h e r e s u lt s s h o w t h a t ht e r e ar e tw o ht e rm o 即n a 们。 i e a lly af v o r a b l e re a c ti o n s at N i o 加iF e iin e r af e e : N IO + F e = N i + Fe O an d 3 N IO + ZF e = 3 N i + F e Z O 3 T he ht i e kn e s s o f t h e e he m i e a l re a e t i o n a s e s t im - at e d by an g l e 一 r e s o l v e d X P S w a s ab o ut l 一 l . 5 nm . T h e s e int e r af e e re a c t i o n Por d u e t s ar e m a gn e t i e de fe e t s , an d - ht e e x e h an g e e o 叩li n g if e ld eH x an d ht e c o e r e i v iyt cH o f N IO 加iF e ar e a价e t e d 勿 ht e s e d e fe e t弓 . K E Y WO R D S an g l e 一 r e s o l v e d X P S ; N IO加 iFe : e x e h an g e e o uP li n g : : i n t e r fa e e er a c t ion