D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.07.014 第29卷第7期 北京科技大学学报 Vol.29 No.7 2007年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jd.2007 用纵向磁光克尔效应观察Co/Cu/Co三层膜正交 方向磁矩随磁场的翻转过程 王屹东王蕾潘礼庆吴平邱宏王凤平 北京科技大学物理系，北京100083 摘要运用光弹调制器和锁向放大器作为主要的光电子仪器，搭建磁光克尔效应实验系统，将平行和垂直磁场应用于纵向 磁光克尔(K)效应，用来分析薄膜正交方向磁矩随磁场翻转的情况·应用此方法，研究了在不同衬底上用磁控溅射方法制 备的Co(2.7nm)/Cu(2nm)/Co(2.7nm)三层膜的磁性及磁矩翻转，探索其耦合机理.衬底与间隔层Cu层表面结构的差异，诱 导了底层C。与表面层C。结构的差异，导致底层和表面层C。膜的矫顽力不同，从而实现了两铁磁层的磁矩翻转不一致· 关键词磁光克尔效应：磁矩翻转；三层膜 分类号TM271 表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和 本实验采用PH610俄歇电子扫描电镜条件为：电 多层膜磁性，是当今自旋电子学领域中的一个研究 子束3keV,溅射速率为3.0 nm'min1,俄歇深度剖 热点·近年来，因为巨磁电阻效应和层间周期振荡 面观察沉积后的薄膜成分，采用纵向磁光克尔效应 耦合现象，铁磁/非磁贵金属/铁磁三层膜被广泛研 同时测量样品两个正交方向上的磁矩，从而更好地 究，其中尤以多晶(Cu/Co)多层膜的磁电阻效应最 了解薄膜样品平面内磁化翻转过程， 为突出.Parkin采用十分普遍的磁控溅射设备，成 磁光克尔效应实验装置应用于室温，光路图如 功地制备了(Cū/Co)多层膜，发现巨磁电阻效应随 图1.激光器(laser)是MELLES GRIOT公司生产 非磁性层厚度的变化而呈现周期性的变化，反映了 的05LHP-151型，波长632.8nm·光弹调制器 铁磁/反铁磁性耦合的交迭变化山.而磁光克尔效 (PEM)采用Hinds Instruments公司的PEM9OTM 应(MOKE)是一种重要的超薄膜磁性测量实验手 型，其调制频率为47kH五·锁相放大器(lock-in)是 段，由于其具有高灵敏度的特点而受到越来越多的 Perkin Elmer公司生产的Model7265型.实验装置 重视，并被广泛应用于磁有序、磁各向异性以及层间 采用45入射角度，激光通过偏振片(polarizer)后产 耦合等问题的研究.本文运用了磁光克尔效应及俄 生$态线性偏振光，经样品反射后形成椭圆偏振光， 歇电子能谱深度剖析图分析了Co/Cu/Cu三层膜在 光弹调制器在光的两个正交分量之间产生一个相位 不同衬底下的磁性及磁矩翻转 差，它随时间呈现正弦周期性变化，反射后经调制的 光经过分析偏振片后最终进入探测器，探测器将把 1 实验方法 信息反馈给锁相放大器。经调制后的光包含调制频 基片分别为具有500nmSi02层的热氧化硅片 率的信息，锁相放大器将参考光弹调制器给予的标 (T0S)、单晶Si(100)和K9玻璃.对不同的基底，采 光弹调制器 取不同的清理手段，对TOS和K9玻璃，采用酒精、 分析偏振片 样品 探测器 丙酮溶剂进行超声波清洗，对单晶S,先用氢氟酸 清洗，去除表面氧化层，再采用酒精溶剂进行超声波 偏振片 光弹满制 信号处理 控制器 清洗·所有基底温度以及样品生长环境均为室温 AC信号 激光器 镇向放大器 收稿日期：2006-02-19修回日期：2006-06-12 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No·19974005,No 计算机 DC信号 50472092) 作者简介：王屹东(1982-)，男，硕士研究生：潘礼庆(1964一)，男， 图1表面磁光克尔效应实验装置 教授，博士生导师 Fig.I Experimental system of magneto-optic Kerr effect
用纵向磁光克尔效应观察 Co／Cu／Co 三层膜正交 方向磁矩随磁场的翻转过程 王屹东 王 蕾 潘礼庆 吴 平 邱 宏 王凤平 北京科技大学物理系北京100083 摘 要 运用光弹调制器和锁向放大器作为主要的光电子仪器搭建磁光克尔效应实验系统将平行和垂直磁场应用于纵向 磁光克尔（Kerr）效应用来分析薄膜正交方向磁矩随磁场翻转的情况．应用此方法研究了在不同衬底上用磁控溅射方法制 备的 Co（2∙7nm）／Cu（2nm）／Co（2∙7nm）三层膜的磁性及磁矩翻转探索其耦合机理．衬底与间隔层 Cu 层表面结构的差异诱 导了底层 Co 与表面层 Co 结构的差异导致底层和表面层 Co 膜的矫顽力不同从而实现了两铁磁层的磁矩翻转不一致． 关键词 磁光克尔效应；磁矩翻转；三层膜 分类号 T M271 收稿日期：2006-02-19 修回日期：2006-06-12 基金项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ No．19974005No． 50472092） 作者简介：王屹东（1982—）男硕士研究生；潘礼庆（1964—）男 教授博士生导师 表面磁性以及由数个原子层所构成的超薄膜和 多层膜磁性是当今自旋电子学领域中的一个研究 热点．近年来因为巨磁电阻效应和层间周期振荡 耦合现象铁磁／非磁贵金属／铁磁三层膜被广泛研 究其中尤以多晶（Cu／Co）多层膜的磁电阻效应最 为突出．Parkin 采用十分普遍的磁控溅射设备成 功地制备了（Cu／Co）多层膜发现巨磁电阻效应随 非磁性层厚度的变化而呈现周期性的变化反映了 铁磁／反铁磁性耦合的交迭变化［1］．而磁光克尔效 应（MOKE）是一种重要的超薄膜磁性测量实验手 段由于其具有高灵敏度的特点而受到越来越多的 重视并被广泛应用于磁有序、磁各向异性以及层间 耦合等问题的研究．本文运用了磁光克尔效应及俄 歇电子能谱深度剖析图分析了 Co／Cu／Cu 三层膜在 不同衬底下的磁性及磁矩翻转． 1 实验方法 基片分别为具有500nm SiO2 层的热氧化硅片 （TOS）、单晶 Si（100）和 K9玻璃．对不同的基底采 取不同的清理手段．对 TOS 和 K9玻璃采用酒精、 丙酮溶剂进行超声波清洗．对单晶 Si先用氢氟酸 清洗去除表面氧化层再采用酒精溶剂进行超声波 清洗．所有基底温度以及样品生长环境均为室温． 本实验采用 PHI—610俄歇电子扫描电镜条件为：电 子束3keV溅射速率为3∙0nm·min —1俄歇深度剖 面观察沉积后的薄膜成分．采用纵向磁光克尔效应 同时测量样品两个正交方向上的磁矩从而更好地 了解薄膜样品平面内磁化翻转过程． 图1 表面磁光克尔效应实验装置 Fig．1 Experimental system of magneto-optic Kerr effect 磁光克尔效应实验装置应用于室温．光路图如 图1．激光器（laser）是 MELLES GRIOT 公司生产 的05—LHP—151型波长632∙8nm．光弹调制器 （PEM）采用 Hinds Instruments 公司的 PEM—90T M 型其调制频率为47kHz．锁相放大器（lock-in）是 Perkin—Elmer 公司生产的 Model7265型．实验装置 采用45°入射角度激光通过偏振片（polarizer）后产 生 S 态线性偏振光经样品反射后形成椭圆偏振光 光弹调制器在光的两个正交分量之间产生一个相位 差它随时间呈现正弦周期性变化反射后经调制的 光经过分析偏振片后最终进入探测器探测器将把 信息反馈给锁相放大器．经调制后的光包含调制频 率的信息锁相放大器将参考光弹调制器给予的标 第29卷 第7期 2007年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．7 Jul．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．07．014
第7期 王屹东等：用纵向磁光克尔效应观察Co/C/C0三层膜正交方向磁矩随磁场的翻转过程·713· 准信息对该信息进行检测，从而得出克尔旋转角度 量，区分外加磁场方向与磁矩矢量的方向是非常重 和椭偏率， 要的，对外加磁场而言，PF、LF、TF分别代表极向、 入射光是线性偏振光，经样品反射后可表达成： 纵向和横向磁场方向，对磁矩矢量取向而言，PM、 r=rki十rj LM、TM分别描述的是被检测的磁矩方向，例如， 经过光弹调制器后： 磁场摆放为横向方向，而检测的磁矩矢量是纵向方 rPEM=rkeirj 向，即TFLM.测量正交磁矩M∥（磁矩平行于磁 场方向)和M⊥（磁矩垂直于磁场方向）的方法有两 最后光经过沿45°方向放置的偏振片后： 个，一个是保持磁场方向不变，测量不同方向的磁 r-(ij)(neirj) 矩，即转动分析器，Florczak和Dahlberg描述了如何 使用纵向和横向Ker效应测量平面内两正交磁 光强为： 矩[].另一种方法是固定分析器，旋转磁场与样品 I=Irml2=2(ne+)(ne+r)= 的方向.第一种方法测量的M一H和M1一H利 用的是横向和纵向Ker效应，即测量的两个不同方 Ine++1 向的光学效应，因此两个回线的振幅值不能用于直 接对比，第二个方法由于都采用的是纵向Kerr效 令21r2=1o,且≈+则： 应，可以把M∥一H和ML一H回线进行直接对比， I-to+tol( 本文采用第二种方法，见图2. TFLM LF/LM lo[(8十ie)e+1][(-i)ei9+1] 磁矩垂直磁场方向 磁矩平行行磁场方向 根据欧拉公式： 十一人射光 平一人射光 e-cos0+isin0ecos0-isin0, 偏振方向 偏振方向 I=I0(0+1+20cos -2sin P). 其中，P=Asin t.所以， I=Io(+1+Jo(A)十4AJ2(A)cos2此- 图2测量两正交磁矩的示意图 4eJ1(A)sin此十…) Fig.2 An illustration of two experimental geometries used to mea- sure the components of magnetization parallel and perpendicular to 式中，r是反射光矢量，k和T:分别是反射光水平 the applied field 和垂直方向上的强度，J.(A)是贝塞尔函数，P是位 相差，ω是光弹调制器的调制频率，A是位相差调 对单层膜体系来讲，两个MOKE回线与 制幅度，A=2πd/入，这里d是光弹调制器的厚度， Mcos0和Msin0成比例，0是磁矩与外加磁场方向 入是所调制的光的波长，锁相放大器直接检测1倍 的夹角，利用两个MOKE回线可以确定磁矩的相 频信号此和2倍频信号2此强度，从而可以算出克 对大小和方向，对于多层膜来讲，各层磁矩为M, 尔旋转角度（和椭偏率， MOKE回线与各层磁矩总和∑，Mcos0和 为了了解薄膜的磁学性质，磁滞回线的测量是 ∑，Min0成比例.这样就不可能确定每层膜的磁 非常重要的.它可以提供磁各向异性、磁化反转机 矩相对大小和方向·然而，相关的磁矩转动过程是 制等重要信息，一般的磁强测量手段，比如振动样 可以根据饱和态∑，M:(即每层磁矩均沿同一方 品磁强计(VSM)、超导量子干涉仪(SQUID)等，都 向)得到的 只能测量磁化的单一分量，通常是平行于磁场方向 的，然而，为了更好地理解平面内磁化反转的过程， 2结果和讨论 最好是能够测量磁化强度的两个正交矢量，从而确 图3分别是沉积在T0S、Si(100)和K9玻璃上 定平面内磁矩的大小和与磁场相关的翻转方向，由 的Co/Cu/Co三层膜垂直和平行外加磁场的磁光克 于MOKE具有高灵敏度，基于MOKE测量技术的 尔角的大小，从图中可以看到，以TOS、Si(100)为 许多测量正交磁矩矢量的方法已经被广泛应 衬底的三层膜平行与垂直磁场方向都不同程度地出 用2].本实验利用MOKE测量正交磁矩矢量的方 现了台阶现象，其中以S为衬底的现象最为明显， 法，即磁矩平行磁场方向和磁矩垂直磁场方向的测 另外，可以看到，对以TOS为衬底的三层膜平行与
准信息对该信息进行检测从而得出克尔旋转角度 θk 和椭偏率εk． 入射光是线性偏振光经样品反射后可表达成： r＝ rk i＋ rr j． 经过光弹调制器后： rPEM＝ rke iφ i＋ rr j． 最后光经过沿45°方向放置的偏振片后： rend＝ 1 2 （ i＋ j）（ rke iφ i＋ rr j）． 光强为： I＝｜rend｜2＝ 1 2 （ rke iφ＋ rr）（ r ∗ k e —iφ＋ r ∗ r ）＝ 1 2 ｜rke iφ＋ rr｜2＝ 1 2 ｜rr｜2 rk rr e iφ＋1 2 ． 令 1 2 ｜rr｜2＝I0且 rk rr ≈θk＋ iεk则： I＝I0 rk rr e iφ＋1 2 ＝I0｜（θk＋iεk）e iφ＋1｜2＝ I0［（θk＋iεk）e iφ＋1］ ［（θk—iεk）e —iφ＋1］． 根据欧拉公式： e iθ＝cosθ＋isinθe —iθ＝cosθ—isinθ I＝I0（θ2 k＋1＋2θkcosφ—2εksinφ）． 其中φ＝ Asinωt．所以 I＝I0（θ2 k＋1＋J0（ A）＋4θkJ2（ A）cos2ωt— 4εkJ1（ A）sinωt＋…）． 式中r 是反射光矢量rk 和 rr 分别是反射光水平 和垂直方向上的强度J n（ A ）是贝塞尔函数φ是位 相差ω是光弹调制器的调制频率A 是位相差调 制幅度A＝2πd／λ这里 d 是光弹调制器的厚度 λ是所调制的光的波长．锁相放大器直接检测1倍 频信号 ωt 和2倍频信号2ωt 强度从而可以算出克 尔旋转角度θk 和椭偏率εk． 为了了解薄膜的磁学性质磁滞回线的测量是 非常重要的．它可以提供磁各向异性、磁化反转机 制等重要信息．一般的磁强测量手段比如振动样 品磁强计（VSM）、超导量子干涉仪（SQUID）等都 只能测量磁化的单一分量通常是平行于磁场方向 的．然而为了更好地理解平面内磁化反转的过程 最好是能够测量磁化强度的两个正交矢量从而确 定平面内磁矩的大小和与磁场相关的翻转方向．由 于 MOKE 具有高灵敏度基于 MOKE 测量技术的 许 多 测 量 正 交 磁 矩 矢 量 的 方 法 已 经 被 广 泛 应 用［2—3］．本实验利用 MOKE 测量正交磁矩矢量的方 法即磁矩平行磁场方向和磁矩垂直磁场方向的测 量．区分外加磁场方向与磁矩矢量的方向是非常重 要的．对外加磁场而言PF、LF、TF 分别代表极向、 纵向和横向磁场方向．对磁矩矢量取向而言PM、 LM、T M 分别描述的是被检测的磁矩方向．例如 磁场摆放为横向方向而检测的磁矩矢量是纵向方 向即 TF／LM．测量正交磁矩 M∥（磁矩平行于磁 场方向）和 M⊥（磁矩垂直于磁场方向）的方法有两 个一个是保持磁场方向不变测量不同方向的磁 矩即转动分析器Florczak 和 Dahlberg 描述了如何 使用纵向和横向 Kerr 效应测量平面内两正交磁 矩［3］．另一种方法是固定分析器旋转磁场与样品 的方向．第一种方法测量的 M∥—H 和 M⊥—H 利 用的是横向和纵向 Kerr 效应即测量的两个不同方 向的光学效应因此两个回线的振幅值不能用于直 接对比．第二个方法由于都采用的是纵向 Kerr 效 应可以把 M∥—H 和 M⊥—H 回线进行直接对比． 本文采用第二种方法见图2． 图2 测量两正交磁矩的示意图 Fig．2 An illustration of two experimental geometries used to measure the components of magnetization parallel and perpendicular to the applied field 对 单 层 膜 体 系 来 讲两 个 MOKE 回 线 与 Mcosθ和 Msinθ成比例θ是磁矩与外加磁场方向 的夹角．利用两个 MOKE 回线可以确定磁矩的相 对大小和方向．对于多层膜来讲各层磁矩为 Mi MOKE 回 线 与 各 层 磁 矩 总 和 ∑iMicosθ 和 ∑iMisinθ成比例．这样就不可能确定每层膜的磁 矩相对大小和方向．然而相关的磁矩转动过程是 可以根据饱和态 ∑iMi （即每层磁矩均沿同一方 向）得到的． 2 结果和讨论 图3分别是沉积在 TOS、Si（100）和 K9玻璃上 的 Co／Cu／Co 三层膜垂直和平行外加磁场的磁光克 尔角的大小．从图中可以看到以 TOS、Si（100）为 衬底的三层膜平行与垂直磁场方向都不同程度地出 现了台阶现象其中以 Si 为衬底的现象最为明显． 另外可以看到对以 TOS 为衬底的三层膜平行与 第7期 王屹东等： 用纵向磁光克尔效应观察 Co／Cu／Co 三层膜正交方向磁矩随磁场的翻转过程 ·713·
,714 北京科技大学学报 第29卷 垂直磁场方向台阶几乎出现在克尔角为0附近，而 偏转 对以Sⅰ为衬底的三层膜平行与垂直磁场方向台阶 0.05 没有出现在克尔角为0的位置，而是发生了位移. 0.04 TOS 对于以K9玻璃为衬底的三层膜未出现台阶状磁滯 0.03 回线， 0.02 0.01 0.10 0 0.08 (a) TOS -0.01 0-C0 0.06 -0.02 -Cw/Co perwy 0.04 -0.03 0.02 0.04 0.05 16-12-840 481216 -0.02 磁场强度kAm) -0.04 -LF/LM 0.06 TFAL.M 图4沉积在TO6上的C0单层膜和Qu/C0双层膜平行于外加磁 -0.08 场(LFLM的磁滞回线 0.10 -16-12-8 40481216 Fig.4 MOKE hysteresis loops for single Co layer and Cu/Co layers 磁场强度(kAm) deposited on TOS under longitudinal field 0.04 (b)Si100] 0.02 从图3中可以看出，沉积在T0S、单晶Si(100) 衬底上的三层膜分别观察到了台阶状磁滞回线，而 K9玻璃则不同.这是由于TOS和单晶Si的基底表 LF/LM 0.02 TF/LM 面比较光滑.Daboo等人闺研究发现，直接沉积在 衬底上的薄膜要比沉积在Au种子层上的薄膜界面 0.04 粗糙度大，导致耦合强度非常小.因此对于K9玻璃 0.0616 基底，表面平整度较差，导致界面粗糙度增大，严重 -12-8 40481216 磁场强度化A·m) 破坏了层间耦合，另一方面，单晶Si(100)是有晶粒 0.06 取相的，比非晶态衬底更有利于诱导底层C0的有 0.04 K9-glass 序结构，可以诱导底层C。具有与其相同的结构，区 0.02 分于由间隔层Cu诱导的上层Co的(111)结构，从 而导致磁矩翻转不一致，按照Daboo的研究，对铁 0 磁/非磁/铁磁三层膜耦合，台阶的位置与上下铁磁 -0.02 层的厚度密切相关，上下铁磁层的厚度不同，磁滞回 -LF/LM -0.04 TF/LM 线出现台阶的位置不同，对上下铁磁层相同和上层 与下层铁磁层厚度比为2：1的两个典型的磁滞回线 -0.06 16 -12 -84048 1216 如图5所示.当两个C0层的厚度相等时，磁化相 磁场强度依Am) 同，台阶应该基本在同一水平线上，如图5(a)的计 图3分别是沉积在不同衬底上的Co/Cu/Co三层膜垂直和平行 算结果；当两层厚度不同时，台阶的相对位置将改 外加磁场的磁滞回线 变，如5(b)所示.模拟计算出底层C0的厚度是顶层 Fig-3 MOKE hysteresis loops for Co/Cu/Co sandwiches deposited 的一半，因此通过鉴别相关测量阶段的相对位置，可 on different substrates under longitudinal and transverse fields 以决定两层C0的厚度和磁化比·本实验中顶层与 图4分别是沉积在TOS上的Co单层膜和Cu/ 底层Co均采用2.7nm相同厚度，按照Daboo的理 Co双层膜在纵向Krr效应下测量的纵向外加磁场 论计算模型台阶应出现在克尔角为0的位置附近， 方向的磁滞回线，从图4可以看出，沉积在TOS上 如图5(a)所示的位置.然而从图3中可以看到，以 的2.7nmCo膜的矫顽力要比沉积在TOS/Cu 单晶Si为衬底的Co/Cu/Co三层膜的磁滯回线台阶 (2nm)上同样厚度的Co膜的矫顽力大2kAm1, 并未出现在克尔角为0附近的位置，说明在硅和铜 对比沉积在TOS上的三层膜T0S/Co/Cu/Co,台 上制备的钴膜，其磁化强度差别较大，结构与衬底关 阶出现在2kAm-1左右，可以看出底层Co先发生 系较大
垂直磁场方向台阶几乎出现在克尔角为0附近而 对以 Si 为衬底的三层膜平行与垂直磁场方向台阶 没有出现在克尔角为0的位置而是发生了位移． 对于以 K9玻璃为衬底的三层膜未出现台阶状磁滞 回线． 图3 分别是沉积在不同衬底上的 Co／Cu／Co 三层膜垂直和平行 外加磁场的磁滞回线 Fig．3 MOKE hysteresis loops for Co／Cu／Co sandwiches deposited on different substrates under longitudinal and transverse fields 图4分别是沉积在 TOS 上的 Co 单层膜和 Cu／ Co 双层膜在纵向 Kerr 效应下测量的纵向外加磁场 方向的磁滞回线．从图4可以看出沉积在 TOS 上 的2∙7nm Co 膜 的 矫 顽 力 要 比 沉 积 在 TOS／Cu （2nm）上同样厚度的 Co 膜的矫顽力大2kA·m —1 对比沉积在 TOS 上的三层膜 TOS／Co／Cu／Co台 阶出现在2kA·m —1左右可以看出底层 Co 先发生 偏转． 图4 沉积在 TOS 上的 Co 单层膜和 Cu／Co 双层膜平行于外加磁 场（LF／LM）的磁滞回线 Fig．4 MOKE hysteresis loops for single Co layer and Cu／Co layers deposited on TOS under longitudinal field 从图3中可以看出沉积在 TOS、单晶 Si（100） 衬底上的三层膜分别观察到了台阶状磁滞回线而 K9玻璃则不同．这是由于 TOS 和单晶 Si 的基底表 面比较光滑．Daboo 等人［4］ 研究发现直接沉积在 衬底上的薄膜要比沉积在 Au 种子层上的薄膜界面 粗糙度大导致耦合强度非常小．因此对于 K9玻璃 基底表面平整度较差导致界面粗糙度增大严重 破坏了层间耦合．另一方面单晶 Si（100）是有晶粒 取相的比非晶态衬底更有利于诱导底层 Co 的有 序结构可以诱导底层 Co 具有与其相同的结构区 分于由间隔层 Cu 诱导的上层 Co 的（111）结构从 而导致磁矩翻转不一致．按照 Daboo 的研究对铁 磁／非磁／铁磁三层膜耦合台阶的位置与上下铁磁 层的厚度密切相关上下铁磁层的厚度不同磁滞回 线出现台阶的位置不同对上下铁磁层相同和上层 与下层铁磁层厚度比为2∶1的两个典型的磁滞回线 如图5所示．当两个 Co 层的厚度相等时磁化相 同台阶应该基本在同一水平线上如图5（a）的计 算结果；当两层厚度不同时台阶的相对位置将改 变如5（b）所示．模拟计算出底层Co 的厚度是顶层 的一半因此通过鉴别相关测量阶段的相对位置可 以决定两层 Co 的厚度和磁化比．本实验中顶层与 底层 Co 均采用2∙7nm 相同厚度按照 Daboo 的理 论计算模型台阶应出现在克尔角为0的位置附近 如图5（a）所示的位置．然而从图3中可以看到以 单晶 Si 为衬底的 Co／Cu／Co 三层膜的磁滞回线台阶 并未出现在克尔角为0附近的位置说明在硅和铜 上制备的钴膜其磁化强度差别较大结构与衬底关 系较大． ·714· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第7期 王屹东等：用纵向磁光克尔效应观察Co/C/C0三层膜正交方向磁矩随磁场的翻转过程 .715. 接耦合(pinhole coupling)-】.在外加磁场下，耦合 (a) (b) 场的存在使得两层同时偏转，这样台阶现象就明显 减弱甚至消失，对比图3(a)和()可以看出，沉积在 Si衬底上的三层膜的台阶比沉积在TOS上的三层 膜的台阶更加明显，而沉积在TOS上的三层膜因为 通过孔洞的直接耦合减弱了台阶现象.分析数据进 步得出，单晶Si上沉积的样品在溅射4min后Co 图5不同C0层厚度比例导致的MOKE磁滞回线的不同的示意 和i的原子分数分别为36%和39%.然而，沉积 图（磁场沿磁化易轴方向）·(a)顶层C0与底层Co的厚度比为 在TOS衬底上的样品在溅射4min后Co和Si02的 11(b)顶层C0与底层C0的厚度比为2：1，且顶层先转9 原子分数分别为50%和20%.可见沉积在$i衬底 Fig.5 A schematic showing on different MOKE loops effected by 的底层C0由于有效厚度的减小导致了上下Co层 different Co layer thickness ratios (along the easy axis):(a)the ra- tio of the top Co layer to the bottom Co layer is 1:1:(b)the ratio 的不同，从而使扭转的位置发生变化，据报道)，以 of the top Co layer to the bottom Co layer is 2:1.the top layer TOS为基底，用磁控溅射在室温沉积的Co/Cu/Co switched first 三层膜，间隔Cu层的厚度为2nm时，出现强反铁磁 耦合，但是制备的Co/Cu/Co三层膜耦合强度较 从俄歇深度剖析图（图6）可以直观地看出，沉 小，分析认为这是由于样品界面的粗糙度相对于报 积在单晶Si衬底上的三层膜，中间Cu层的曲线较 道的沉积在Au种子层之上样品的粗糙度增大导致 平缓，表明间隔Cū层比较均匀，形成了完成的一层 的结果，同时，还需要指出的是，薄膜在沉积时没有 膜；而以TOS为衬底沉积的Co/Cu/Co,间隔Cu层 磁场诱导，这对于研究磁性薄膜耦合也是一个不小 的含量随厚度成尖峰状，表明间隔层厚度不均匀，这 的障碍 样容易形成孔洞，使上下两层C。可以通过孔洞直 100 100 90 (a) -■-C0 90 (b) -C0 --Cu -0-Cu Si/Co/Cw/Co -Si 80 TOS/Co/Cu/Co -△-Si0, 70 70 % 口0 00 ▣▣ 00 44 10 口0、 △A8AA△△A△A△AA△△AA000 10 2 3 腿射时间min 溅射时间min 图6俄歇电子深度谱分析.(a)Si/Co/Cu/Co,(b)TOs/Co/Cu/Co. Fig.6 Auger depth profiling for (a)the Co/Cu/Co trilayer deposited on Si,(b)the Co/Cu/Co trilayer deposited on TO 顽力不同，从而导致两铁磁层的磁矩翻转不一致 3结论 从实验结果可以看出，纵向磁光克尔效应在研究超 利用平行和垂直磁场的纵向磁光克尔效应同时 薄磁性层的磁矩翻转及多层膜的层间耦合方面有特 殊的作用 观测在不同衬底上制备的Co(2.7nm)/Cu(2nm)/ Co(2.7m)三层膜的磁性及磁矩翻转过程，以T0S 参考文献 和Si(100)为衬底的三层膜平行与垂直磁场方向都 不同程度地出现了两铁磁层磁矩翻转不一致的现 [1]Parkin SS P.LiZ G.Smith D J.Giant magnetoresistance in an- tiferromagnetic Co/Cu multilayers.Appl Phys Lett.1991.58. 象，其中以Si为衬底的现象最为明显，而以K9玻璃 2710 为衬底的三层膜未观察到磁矩翻转现象，表明衬底 [2]Admon U.Dariel M P.Grunbaum E,et al.Irreversible magneti- 与间隔层C层表面结构的差异，诱导了底层Co与 zation reversal in some Co-based alloy thin film.J Appl Phys 顶层C0结构的差异，导致底层和表面层C0膜的矫 1989,66:316
图5 不同 Co 层厚度比例导致的 MOKE 磁滞回线的不同的示意 图（磁场沿磁化易轴方向）．（a） 顶层 Co 与底层 Co 的厚度比为 1∶1；（b） 顶层 Co 与底层 Co 的厚度比为2∶1且顶层先转［2］ Fig．5 A schematic showing on different MOKE loops effected by different Co layer thickness ratios （along the easy axis）： （a） the ratio of the top Co layer to the bottom Co layer is1∶1；（b） the ratio of the top Co layer to the bottom Co layer is 2∶1the top layer switched first 从俄歇深度剖析图（图6）可以直观地看出沉 积在单晶 Si 衬底上的三层膜中间 Cu 层的曲线较 平缓表明间隔 Cu 层比较均匀形成了完成的一层 膜；而以 TOS 为衬底沉积的 Co／Cu／Co间隔 Cu 层 的含量随厚度成尖峰状表明间隔层厚度不均匀这 样容易形成孔洞使上下两层 Co 可以通过孔洞直 接耦合（pinhole coupling） ［5—6］．在外加磁场下耦合 场的存在使得两层同时偏转这样台阶现象就明显 减弱甚至消失．对比图3（a）和（b）可以看出沉积在 Si 衬底上的三层膜的台阶比沉积在 TOS 上的三层 膜的台阶更加明显而沉积在 TOS 上的三层膜因为 通过孔洞的直接耦合减弱了台阶现象．分析数据进 一步得出单晶 Si 上沉积的样品在溅射4min 后 Co 和 Si 的原子分数分别为36％和39％．然而沉积 在 TOS 衬底上的样品在溅射4min 后 Co 和 SiO2 的 原子分数分别为50％和20％．可见沉积在 Si 衬底 的底层 Co 由于有效厚度的减小导致了上下 Co 层 的不同从而使扭转的位置发生变化．据报道［7］以 TOS 为基底用磁控溅射在室温沉积的 Co／Cu／Co 三层膜间隔 Cu 层的厚度为2nm 时出现强反铁磁 耦合．但是制备的 Co／Cu／Co 三层膜耦合强度较 小分析认为这是由于样品界面的粗糙度相对于报 道的沉积在 Au 种子层之上样品的粗糙度增大导致 的结果．同时还需要指出的是薄膜在沉积时没有 磁场诱导这对于研究磁性薄膜耦合也是一个不小 的障碍． 图6 俄歇电子深度谱分析．（a） Si／Co／Cu／Co（b） TOS／Co／Cu／Co． Fig．6 Auger depth profiling for （a） the Co／Cu／Co trilayer deposited on Si（b） the Co／Cu／Co trilayer deposited on TOS 3 结论 利用平行和垂直磁场的纵向磁光克尔效应同时 观测在不同衬底上制备的 Co（2∙7nm）／Cu（2nm）／ Co（2∙7nm）三层膜的磁性及磁矩翻转过程以 TOS 和 Si（100）为衬底的三层膜平行与垂直磁场方向都 不同程度地出现了两铁磁层磁矩翻转不一致的现 象其中以 Si 为衬底的现象最为明显而以 K9玻璃 为衬底的三层膜未观察到磁矩翻转现象．表明衬底 与间隔层 Cu 层表面结构的差异诱导了底层 Co 与 顶层 Co 结构的差异导致底层和表面层 Co 膜的矫 顽力不同从而导致两铁磁层的磁矩翻转不一致． 从实验结果可以看出纵向磁光克尔效应在研究超 薄磁性层的磁矩翻转及多层膜的层间耦合方面有特 殊的作用． 参 考 文 献 ［1］ Parkin S S PLi Z GSmith D J．Giant magnetoresistance in antiferromagnetic Co／Cu multilayers．Appl Phys Lett199158： 2710 ［2］ Admon UDariel M PGrunbaum Eet al．Irreversible magnetization reversal in some Co-based alloy thin film．J Appl Phys 198966：316 第7期 王屹东等： 用纵向磁光克尔效应观察 Co／Cu／Co 三层膜正交方向磁矩随磁场的翻转过程 ·715·
,716, 北京科技大学学报 第29卷 [3]Florczak M.Dan Dahlberg E.Dectecting two magnetization com- pendence of the oscillatory exchange interaction in Co/Cu/Co. ponents by the magnetio"optical Kerr effect.J Appl Phys.1990. Phys Rev Lett.1992.69:969 67,7520 [6]Altuncevahir B.Koymen A R.Interlayer coupling in CoNi/Gd/ [4]Daboo C.Bland J A C.Hicken R J.Vectorial magnetometry with CoNi trilayer.J Appl Phys.2001.89:6822 the magnetooptic Kerr effect applied to Co/Cu/Co trilayer strue- [7]Parkin SS P.Bhadra R.Rocher K P.Oscillatory magnetic ex- tures.Phys Rev B.1993.47:11852 change coupling through thin copper layers.Phys Rev Lett, [5]Johnson M T.Coehorn R.de Vries J J.et al.Orientational de- 1991,66:2152 Reversal process of magnetization of a Co/Cu/Co trilayer observed by longitudinal MOKE technique WA NG Yidong,WANG Lei,PAN Liging,WU Ping,QIU Hong,WANG Fengping Department of Physics,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI A set of experimental system of magneto optic Kerr effect was set up mainly by using photo elastic modulator and lock in amplifier.The system was used to measure the magnetic properties of magnetic materials, especially for magnetic thin films.The longitudinal magneto optical Kerr effect was used to investigate the mag- netic properties and magnetic reversal.Transverse and longitudinal magnetic fields were applied in the plane of the samples in order to measure two perpendicular magnetization components in plane.Co/Cu/Co sandwiches deposited on different substrates were prepared by high vacuum magnetron sputtering.From Kerr loops,the different of structure between buffer and Cu layer induced the difference of structure between Co dow n-layer and Co up-layer,which made the coercive force difference and magnetization reversal. KEY WORDS magneto-optic Kerr effect;Co/Cu/Co sandwich:magnetic reversal
［3］ Florczak MDan Dahlberg E．Dectecting two magnetization components by the magnetio-optical Kerr effect．J Appl Phys1990 67：7520 ［4］ Daboo CBland J A CHicken R J．Vectorial magnetometry with the magneto-optic Kerr effect applied to Co／Cu／Co trilayer structures．Phys Rev B199347：11852 ［5］ Johnson M TCoehorn Rde Vries J Jet al．Orientational dependence of the oscillatory exchange interaction in Co／Cu／Co． Phys Rev Lett199269：969 ［6］ Altuncevahir BKoymen A R．Interlayer coupling in CoNi／Gd／ CoNi trilayer．J Appl Phys200189：6822 ［7］ Parkin S S PBhadra RRocher K P．Oscillatory magnetic exchange coupling through thin copper layers．Phys Rev Lett 199166：2152 Reversal process of magnetization of a Co／Cu／Co trilayer observed by longitudinal MOKE technique WA NG Y idongWA NG LeiPA N L iqingW U PingQIU HongWA NG Fengping Department of PhysicsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT A set of experimental system of magneto-optic Kerr effect was set up mainly by using photo-elastic modulator and lock-in amplifier．The system was used to measure the magnetic properties of magnetic materials especially for magnetic thin films．The longitudinal magneto-optical Kerr effect was used to investigate the magnetic properties and magnetic reversal．Transverse and longitudinal magnetic fields were applied in the plane of the samples in order to measure two perpendicular magnetization components in-plane．Co／Cu／Co sandwiches deposited on different substrates were prepared by high vacuum magnetron sputtering．From Kerr loopsthe different of structure between buffer and Cu layer induced the difference of structure between Co down-layer and Co up-layerwhich made the coercive force difference and magnetization reversal． KEY WORDS magneto-optic Kerr effect；Co／Cu／Co sandwich；magnetic reversal ·716· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷