（凝聚态物理专业论文）磁性与非磁性粗糙金属fecu薄膜研究.pdf

浙江大学博 ：学位论文 摘要 基底性质对金属薄膜的微观结构及其物理特性有着重要的影响。基于液相材 料可用作薄膜生长基底的事实，我们采用热蒸发沉积方法在硅油基底表面制备了 一种具有近似自由支撑边界条件的铜薄膜系统。本文系统地研究了其成膜机理、 特征内应力释放图案以及微结构等物理特性。此外，本文还采用热蒸发沉积方法 在a a 1 2 0 3 陶瓷自然断面生长铁薄膜系统，并对其低温磁特性进行了研究。 实验发现：此类铜薄膜的生长机制与沉积在液相基底表面的其他金属薄膜的 情况类似，近似服从二阶段生长模型：沉积原子先成核并凝聚成尺寸为一定大小 的准圆形原子团簇；然后经过无规扩散和旋转，逐渐凝聚成分枝状凝聚体，最终 随着名义膜厚的增加，分枝状凝聚体不断生长和相互连接，逐渐形成致密的连续 铜薄膜。实验结果还显示：在薄膜沉积速率不变的条件下，铜原子凝聚体的分枝 宽度几乎不随薄膜名义厚度的改变而改变；在名义厚度不变的条件下，分枝宽度 随沉积速率的增加而减小。 我l i l 乖l j 用原子力显微镜对从不连续到连续的铜薄膜系统进行了进一步的研 究。研究表明：铜的准圆形原子团簇实际上是由尺寸为更小的呈现高斯分布的颗 粒组成；在一定的薄膜名义厚度下，颗粒的平均尺寸随着沉积速率的增加而 减小；而在一定的沉积速率下，颗粒的平均尺寸瓯随着薄膜名义厚度的增加而 没有明显变化。 在连续铜薄膜中，我们观察到一种接近宏观尺度且具有准周期特征的带状有 序结构，它们是由许多相邻且相互平行的矩形畴块相互拼接而成，相邻畴块的宽 度w 不尽相同，但它们的长度基本一致。二次沉积实验表明此类带状有序结 构是在样品制备完毕后且取出真空室之前形成的。 实验证明：上述铜带状有序结构的形成与此类近似自由支撑薄膜系统内应力 释放有关。由于液相基底的热膨胀系数远大于铜薄膜的热膨胀系数，在样品制备 完毕后的冷却过程中，铜薄膜中会存在较大的内应力。当局部区域的内应力超过 了一定的临界值时，薄膜便会在此区域破裂成多个薄膜板块；由于液体基底与固 体薄膜的结合很弱，沉积在液体表面的薄膜可以近似看成自由的二维系统，破裂 后的薄膜板块为了释放内应力可以在液体表面作自由移动；最终，破裂后的金属 浙江大学博1 j 学位论文凝聚态物理 薄膜板块彼此间的相互碰撞、挤压并穿插叠加，导致了具有准周期特征的带状有 序结构的形成。 为了最大限度地释放薄膜中的内应力，裂缝或褶皱的延伸方向往往与薄膜局 域最大内应力方向垂直，所形成的特征内应力释放图案往往反映了此时薄膜中内 浙江大学博十学位论文 凝聚态物理 a bs t r a c t t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h i nf i l m sd e p e n dc l o s e l yo nt h e n a t u r eo ft h es u b s t r a t e s b a s e do nt h ef a c tt h a tt h el i q u i ds u r f a c e sc a nb eu s e da st h i n f i l ms u b s t r a t e s ，an e a r l yf r e es u s t a i n e dc o p p e rf i l ms y s t e m ，d e p o s i t e do ns i l i c o n eo i l s u r f a c e sb yt h e r m a le v a p o r a t i o nm e t h o d ，h a sb e e nf a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l ya n di t s g r o w t hm e c h a n i s m ，i n t e r n a ls t r e s sp a t t e r n s ，m i c r o s t r u c t u r e sa n do t h e rp h y s i c a l p r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y b e s i d e s ，a ni r o nf i l ms y s t e md e p o s i t e do n t h ef r a c t u r es u r f a c e so fa - a 1 2 0 3c e r a m i c si sm a d ea n di t sl o wt e m p e r a t u r em a g n e t i c p r o p e r t i e sa r ea l s os t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti sf o u n dt h a tt h eg r o w t hm e c h a n i s mo ft h ec o p p e rf i l m sa p p r o x i m a t e l yo b e y s t h et w o - s t a g eg r o w t hm o d e l ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h a to ft h eo t h e rm e t a l l i cf i l ms y s t e m s o nl i q u i ds u b s t r a t e s ( 1 ) t h ef i r s ts t a g ei n v o l v e sn u c l e a t i o na n dg r o w t ho fa t o m i c c o m p a c ta n dr a m i f i e dc l u s t e r s ；( 2 ) t h es u b s e q u e n ts t a g ei n c l u d e sr a n d o md i f f u s i o no f t h ec l u s t e r sa n df o r m a t i o no ft h el a r g er a m i f i e da g g r e g a t e so nt h el i q u i ds u r f a c e s w i t hf u r t h e ri n c r e a s eo ft h ef i l mt h i c k n e s s ，t h ea g g r e g a t e sc o n n e c to n ea n o t h e ra n d t h e nac o n t i n u o u sc o p p e rf i l mf o r m sg r a d u a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e a v e r a g ew i d t ho f t h er a m i f i e da g g r e g a t e sd e c r e a s e s 、柝t hi n c r e a s i n gd e p o s i t i o nr a t eb u t d on o tc h a n g eo b v i o u s l ya st h en o m i n a lf i l mt h i c k n e s si n c r e a s e s f u r t h e rs t u d yo nt h ec o p p e rf i l ms y s t e mb ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p yi s p r e s e n t e d w ef i n dt h a tt h ea t o m i c r a m i f i e dc o p p e ra g g r e g a t e se x h i b i tg r a n u l a r s t r u c t u r ea n dt h es i z eo ft h eg r a n u l a r i t i e se x h i b i t sag a u s s i a nd i s t r i b u t i o n i ft h e n o m i n a lf i l mt h i c k n e s si sf i x e da n dt h ed e p o s i t i o nr a t ei n c r e a s e s ，t h em e a ns i z eo ft h e g r a n u l a r i t i e s 西md e c r e a s e s i ft h ed e p o s i t i o nr a t ei sf i x e da n dt h en o m i n a lf i l m t h i c k n e s si n c r e a s e s ，西md o e sn o tc h a n g eo b v i o u s l y i nc o n t i n u o u sc o p p e rf i l m s ，b a n d s h a p e do r d e r e dp a t t e m sw i t hm a c r o s c o p i c a l l e n g t hs c a l ea n dw i t hq u a s i p e r i o d i cc h a r a c t e r i s t i c sa r eo b s e r v e d t h eb a n d s ( o r o r d e r e dp a t t e m s ) a r ec o m p o s e do fal a r g em e m b e ro fp a r a l l e lr e c t a n g u l a rd o m a i n s w i t hd i f f e r e n tw i d t hwb u tn e a r l yu n i f o r ml e n g t hl i ti sp r o v e dt h a ta l lt h eb a n d sa r e 1 1 1 - 浙江大学博上学位论文凝聚态物理 f o r m e da f t e rd e p o s i t i o nb u t b e f o r et h es a m p l e sw e r er e m o v e df r o mt h ev a c u u m c h a m b e rb yu s i n gat w o - t i m ed e p o s i t e dm e t h o d t h es t u d ys h o w st h a tt h ef o r m a t i o no ft h eb a n d si ss t r o n g l yr e l a t e dt ot h ei n t e r n a l s t r e s sr e l i e fi nt h en e a r l yf r e es u s t a i n e df i l ms y s t e m d u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s sa f t e r d e p o s i t i o n ，t h e r ee x i s tl a r g e ri n t e r n a ls t r e s s e si nt h ec o p p e rf i l m ，s i n c et h et h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n to ft h el i q u i ds u b s t r a t ei sm u c hl a r g e rt h a nt h a to ft h ec o p p e r f i l m w h e nt h el o c a li n t e r n a ls t r e s se x c e e d sac r i t i c a lv a l u e ，t h ec o p p e rf i l mw i l lb r e a k 浙江人学博士学位论文 凝聚态物理 f r o mn e g a t i v et op o s i t i v ev a l u e sa st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf o rl a r g ec o o l i n gf i e l d ( e g h e r = 2 0k o e ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea n o m a l o u sm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h e i r o nf i l m sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ea p p e a r a n c eo fs p i n - g l a s sl i k es t a t eo fd i s o r d e r s p i n sa tl o w e rt e m p e r a t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i ce x c h a n g eb i a sh em a yb er e s u l t e df r o m t h ee x c h a n g ec o u p l i n gb e t w e e nt h ef r e e z i n gs p i n sa n dr e v e r s i b l es p i n sa tl o w e r t e m p e r a t u r e t h i sd i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e ri ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，i n t e r n a ls t r e s s e sa s w e l la sm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h et h i nf i l ms y s t e m so ns o l i ds u b s t r a t e si sg i v e n t h e n ， t h e p h y s i c a lp r o p e r t i e s ( e g f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，m i c r o s t r u c t u r e ，m a g n e t i c p r o p e r t i e s lo f v a r i o u sm e t a l l i ct h i nf i l m so ns i l i c o n eo 订s u r f a c e sa r ea l s op r e s e n t e d i nc h a p t e ri i ，t h eg r o w t hb e h a v i o r , f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dm i c r o s t r u c t u r e so f t h ec o p p e rf i l ms y s t e md e p o s i t e do ns i l i c o n eo i ls u r f a c e sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i n c h a p t e ri l l ，b a n d - s h a p e d o r d e r e dp a t t e r n sa n di t sg r o w t hb e h a v i o ra n d f o r m a t i o nm e c h a n i s mi nt h ec o n t i n u o u sc o p p e rf i l m s a r es t u d i e da n dt h e nt h e d i s t r i b u t i o no ft h ei n t e m a ls t r e s s e si nt h ec o p p e rf i l ms y s t e mi sr e v e a l e d i n c h a p t e ri v , w er e s e a r c ht h e c h a r a c t e r i s t i cm i c r o s t r u c t u r e sa n dm a g n e t i c p r o p e r t i e so ft h er o u g hi r o nf i l ms y s t e md e p o s i t e do nf r a c t u r es u r f a c e so fq - a 1 2 0 3 c e r a m i c si nd e t a i l s 一v 浙江犬学博上学位论文 凝聚态物理 一。_-_。_-。_。_。_。_-。_。_。_。_-。-_。_。_。_-。_-_-_-_-_。_-。_。_。_。_。_。_-。_。_-。_ 一 浙江大学博十学位论文 凝聚态物理 目录 第一章绪论1 1 1 薄膜的生长及结构l 1 1 1 薄膜生长的三种基本模式1 1 1 2 薄膜生长的计算机模拟3 1 1 3 薄膜的结构5 1 2 薄膜的内应力6 1 2 1 内应力定义、分类及其测量6 1 2 2 内应力的起因7 1 3 磁性薄膜的磁各向异性和交换偏置9 1 3 1 磁性薄膜的磁各向异性9 1 3 2 交换偏置1 0 1 4 液相基底表面金属薄膜的研究1 2 1 4 1 生长机理及其计算机模拟13 1 4 2 表面形貌及其物理特性18 1 4 3 液相基底表面铁薄膜的磁特性2 2 1 5 本文研究内容及其意义2 3 参考文献2 6 第二章硅油基底表面铜薄膜的形成机理及其微结构3 0 2 1 引言一3 0 2 2 实验方法31 2 3 实验结果和分析3 2 2 3 1 液相基底表面铜原子分形凝聚体的形貌3 2 2 3 2 铜薄膜的微结构以及物理特性3 6 2 3 3 液相基底表面铜薄膜形成机理的讨论4 2 2 4 结 论4 4 参考文献4 6 第三章硅油基底表面连续铜薄膜的有序结构及内应力分布4 8 3 1 引言4 8 浙江大学博士学位论文 凝聚态物理 3 2 实验方法4 9 3 3 实验结果和分析5 0 3 3 1 连续铜薄膜中的带状有序结构5 0 3 3 2 带状有序结构的生长特性5 4 3 3 3 二次沉积法6 1 3 3 4 带状有序结构的形成机理6 2 3 4 结论6 8 参考文献7 0 第四章粗糙铁薄膜的磁特性7 3 4 1 引言7 3 4 2 实验方法7 4 4 3 实验结果和分析7 5 4 3 1 铁薄膜的表面微结构7 5 4 3 2 矫顽力和热剩磁7 7 4 3 3 磁各向异性8 0 4 - 3 4 零场冷却和场冷却8 1 4 3 5 交换偏置8 7 4 4 结论8 9 参考文献9 0 附录a ：实验材料的主要物理参数9 3 附录b ：原子力显微镜工作原理9 4 附录c ：己发表和待发表的论文9 6 附录d ：学术会议论文9 7 附录e ：参与科研项目9 8 致谢9 9 浙江人学博上学位论文凝聚态物理 第一章绪论 薄膜是一种物质形态，使用的膜材十分广泛，可用单质元素或化合物，也可 用无机材料或有机材料来制作薄膜。薄膜与块状物质一样，可以是非晶态的、多 晶态的和单晶态的，但由于其特殊的微观结构，它具有与块体材料不同的诸多物 理特性。随着成膜技术及薄膜产品在工业上有多方面的应用，如在电子元器件、 集成光学、电子技术、红外技术、激光技术以及航天技术和光学仪器等各个领域， 薄膜科学显得越来越重要，也变得越来越成熟。薄膜科学逐渐发展成为一门研究 薄膜制备技术、生长机理、控制方法和特性分析的科学。经过近2 0 年的发展， 薄膜科学已经包含了极其丰富的内容。制备薄膜的方法有很多，如蒸发、溅射、 离子镀等物理气相沉积方法以及各种化学气相沉积方法等【l 吲。 为了得到性能更优越的薄膜材料，人们不断地尝试用各种新颖的物质材料作 为生长薄膜的基底，从而大大拓宽了基底材料的选择范围。沉积在固相基底表面 的各类金属和半导体薄膜，因其具有固定的形状和微观结构及较稳定的物理特 性，所以人们对此类薄膜进行了深入的研究，在实验和理论上均已相当成熟【7 埘】。 1 9 9 6 年，浙江大学的一个实验小组首次尝试采用液体基底( 硅油) 生长金属银薄膜 并取得成功l 2 5 , 2 6 j ，开创了液面镀膜这一崭新的科学研究领域。从此，对沉积在 液体表面的金属薄膜的研究引起了人们广泛的关注，并己取得了很大进展f 2 7 3 8 1 。 本章将首先综述固相基底表面薄膜生长的基本模式、成膜机理、内应力以及 磁性薄膜的磁各向异性和交换偏置等；然后，进一步介绍十年多来液相基底表面 金属薄膜的成膜机理及物理特性等方面所取得的进展；最后，给出本论文的研究 内容及其意义。 1 1 薄膜的生长及结构 1 1 1 薄膜生长的三种基本模式1 根据基底特性、沉积方法、沉积条件和沉积原子的特性，沉积在固体基底表 面的薄膜，从其生长过程可分为以下三种模式： 浙江大学博七学位论文凝聚态物理 1 岛状生长( v o l m e r - w e b e r ) 模式 该生长模式特点是原子在基底表面先凝聚，然后成核，进一步再将蒸发原子 凝聚起来生成三维的核。这种成膜方式发生在薄膜与衬底材料属于不同种类的晶 体结构或其中一个为非晶结构的场合，大部分薄膜的形成过程都属于这一类型。 理论分析和电子显微镜的观察结果都表明，核生长型的薄膜其生长过程大致可分 为如下四个阶段：( 1 ) 成核阶段；( 2 ) 小岛阶段；( 3 ) 网络阶段；( 4 ) 连续薄膜。 不同的物质在经历这四个阶段的情况是不同的。例如铝膜和银膜都是核生长 型的，但是铝膜只在生长的最初阶段呈现岛状结构，然后在成膜很薄时就能形成 连续薄膜，而银膜则在成膜较厚时才能形成连续膜【5 】。 2 层生长( f r a n k - v a n d e rm e r w e ) 模式 这种生长模式的特点是，蒸发原子首先在衬底表面以单原子层的形式均匀地 覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层”，即所谓逐层( 1 a y e rb y l a y e r ，简称l b l ) 生长。这种生长模式多数发生在衬底原子与蒸发原子间的结合 能接近于蒸发原子间的结合能的情况下，即湿润角( 薄膜与衬底之间的张角) 接近 为零的情形，所生长薄膜的晶向基本上由第一层的晶向所决定。最典型的例子是 同质外延生长以及在薄膜与衬底材料的晶体结构相同且品格失配度极小情况下 的分子束外延。 逐层生长的过程大致如下：入射到衬底表面上的原子，经过表面扩散并与其 他原子碰撞后形成二维的核，二维核捕捉周围的吸附原子便生长为二维小岛。这 类材料在表面上形成的小岛浓度大体是饱和浓度，即小岛问的距离大致等于吸附 原子的平均扩散距离。在小岛成长过程中，小岛的半径均小于平均扩散距离，因 此，到达小岛上的吸附原子在岛上扩散以后都被小岛边缘所俘获。在小岛表面上 吸附原子的浓度很低，不容易在三维方向上生长。也就是说，只有在第刀层的小 岛已长到足够大，甚至小岛已相互结合，即第刀层已接近完全形成时，第n + l 层的二维晶核或二维小岛才有可能形成，因此薄膜是呈层状的形式生长。 3 混合生长( s t r a n s k i k r a s t a n o v ) 模式 该种生长模式是衬底和薄膜原子相互作用非常强时引起的形式。其特点是， 首先在衬底表面生长一层或若干层单原子层，这种二维结构强烈地受衬底晶格的 浙江人学博：学位论文凝聚态物理 影响，晶格常数由于应变的产生而有大的畸变。当外延层厚度达到某一临界值( 该 临界值由“外延层一衬底”材料体系所决定) 时，外延层内的应变能也积聚到某一 阈值。一旦厚度超过该临界值，外延层将由于应力的部分释放而驰豫，形成晶核 状结构。然后再在这些晶核状生长层上吸附入射原子，并以核生长的方式形成小 岛，最终形成薄膜。在半导体衬底表面形成金属或合金化合物薄膜时，通常是按 该模式生长。 除了上述三类生长模式外，最近有人还提出再现的逐层生长( r e e n t r a n t l a y e r - b y 1 a y e rg r o w t h ) 模式 3 9 , 4 0 。 1 1 2 薄膜生长的计算机模拟 利用计算机在原子尺度上模拟原子、分子成膜的结构和行为，正逐渐成为一 种有力的分析研究手段。常用的计算机模拟方法有： ( 1 ) 分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 模拟【4 1 ，4 2 】：这种方法是按该体系 内部的内禀动力学规律来计算并确定位型转变，即原子的运动与特定的轨道联系 在一起。当核运动的量子效应可以忽略，以及绝热近似严格成立时，可以根据单 个原子与周围原子受到的作用力，计算每个原子的运行轨迹，从而计算原子运动 的位置等。分子动力学方法不存在任何随机因素，每个原子都服从经典的牛顿力 学。由于要处理大量动态的原子计算，对计算机的性能和算法要求较高。在实际 模拟中面临有限观测时间和有限系统大小的限制。 ( 2 ) 动力学蒙特卡洛( k i n e t i cm o n t ec a r l o ，k m c ) 模拟4 1 】：该方法是将微观 粒子动力学与m o n t ec a r l o 方法相结合，是将一个小的原子体系的能量计算，结 合m c 方法用于一个范围较大的原子随机过程。k m c 模拟结果依赖于模型的建 立和邻近原子的作用势计算。因而，有针对性地选择原子之间的势函数、确定参 数、原子间的作用对不同事件发生速率的影响关系的理论与计算方法，是k m c 模型有效性的关键技术。 基于这些模拟方法，人们提出了多种模型用于模拟不同情况下薄膜的生长， 常见的主要有以下几种： 浙江大学博上学位论文 凝聚态物理 1 扩散限制聚集模型( d i f f u s i o n l i m i t e da g g r e g a t i o n ，d l a ) h 3 】：在一个具 有正方格点和周期性边界条件的平面中心放一称为种子的粒子，该粒子固定不 动。然后在远离种子的随机位置释放另一个粒子，该粒子随机行走并受如下规则 的限制：( 1 ) 粒子运动到种子的相邻位置停止行走，即成为种子的邻居( 凝聚) ， 形成粒子团簇；( 2 ) 粒子运动到平面边界，停止运动并消失，或者根据周期性边 界条件从另一侧边界继续作无规行走。重复上述过程，直至最后在点阵中央形成 树枝状凝聚体。由于粒子团簇的尺寸远小于点阵尺寸，随机产生的粒子都在远处， 因而粒子粘连在粒子团簇内部的几率远小于粘连在外部枝条上的几率，所以该凝 聚体结构较开放。二维时凝聚体的分形维数d ，= 1 6 7 。 2 c c a ( c l u s t e r - c l u s t e ra g g r e g a t i o n ) 模型“，4 5 】：c c a 模型是对d l a 模型的 修正。在二维或三维的格点位置随机分布许多粒子，然后让这些粒子随机行走( 即 某时刻随机选择一个粒子或粒子团簇作随机运动) 并遵守类似d l a 的规则：( 1 ) 相邻格点被粒子占据，则相邻格点的粒子成为一个整体而运动( 凝聚) ；( 2 ) 符合 周期性边界条件，即粒子团簇运动至边界外时从另一侧的边界进来。重复上述过 程，直至形成一个包含所有粒子的凝聚体。c c a 模型的凝聚没有固定的凝聚中 心，所以它形成的凝聚体结构更加开放。二维时凝聚体的分形维数为d = 1 3 2 1 5 。 3 d d a ( d e p o s i t i o n ，d i f f u s i o n ，a n da g g r e g a t i o n ) 模型 4 6 1 ：d d a 模型是描述 粒子在沉积过程中不断扩散和凝聚的计算机模型。原子随机地沉积在固态正方形 基底上后，可以在表面上随机扩散，当扩散原子相遇时形成团簇，团簇仍可以继 续扩散，当团簇与扩散原子或其它团簇相遇时即形成岛，随着原子不断沉积，逐 渐长大成具有分形结构的集团。对于凝聚体的分形维数来说，( 1 ) 在沉积初期， 由于表面覆盖率十分小，基底表面团簇的生长主要是由于团簇的扩散引起的，此 时其生长机制与c c a 模型十分相似，所得凝聚体的分形维数也与c c a 模型相 近；( 2 ) 随着时i 口j 的不断增加，团簇的扩散速度由于尺寸增大而减小，对团簇生 长的贡献由团簇的扩散凝聚向沉积粒子与团簇的共同扩散凝聚过渡，模型的生长 机制也逐渐接近d l a 模型；( 3 ) 之后，随着沉积时间的增加，分枝状团簇的尺 寸不断增加，沉积到团簇内部的粒子明显增多，凝聚体的分形维数也随之快速上 浙江人学博上学位论文 凝聚态物理 升。最后团簇逐渐长大而相互连接，形成逾渗薄膜。该模型比d l a 和c c a 模 型更切合实际的薄膜生长过程。 4 r d r a ( r a n d o md i f f u s i o n ，r o t a t i o n ，a n da g g r e g a t i o n ) 模型 3 3 l ：该模型适 用于描述在液态基底上原子的沉积、扩散、聚集和长大过程。原子沉积到液态基 底上形成众多的圆盘，它们可以在表面上随机扩散( 扩散步长并不固定) 和随机旋 转( 旋转角度也不固定) ，当扩散圆盘相遇时即聚集形成新的岛，而后逐渐长大成 具有随机结构的岛，详见1 4 1 节。 1 1 3 薄膜的结构1 1 ，6 】 薄膜的结构对于薄膜的性质有着重要的影响，薄膜的结构又可以分为组织结 构和晶体结构。薄膜的晶体结构是指薄膜的微小晶粒中的晶体的结晶类型。而薄 膜的组织结构又可分为四种：非晶态结构、多晶结构、单晶结构和纤维结构。非 品态结构形成首要条件是要急剧冷却，使薄膜的正常的结晶过程无法进行，造成 沉积原子随机地、无序地堆积。一般如果在摄氏度每秒原子沉积过程中的急冷效 应达1 0 0 l o 摄氏度每秒时，就有可能得到非晶态的薄膜。单晶薄膜通常通过高 频溅射、化学气相沉积和分子束外延等方法获得，形成取决于基底物质的种类、 基底温度、蒸镀速度和基底是否有污染等等。纤维结构的薄膜是其晶粒具有择优 取向的薄膜。晶粒在一个方向上择优取向的称单重纤维结构；在两个方向上都具 有择优取向的称为双重纤维结构。 薄膜实际上是由蒸发原子( 也有是分子的或原子团的) 凝聚或附着于基片上 形成的。由于薄膜的形成过程并不是简单地在基片上堆积。所以薄膜的结构并不 只是非晶态的。实际上在多数情况下，形成多晶薄膜，当然也能在某一条件下形 成睢晶的薄膜。而薄膜内部原子排列是否有序，取决于蒸发原子在基片表面上的 迁移。决定薄膜结构的主要有蒸发时的基片温度和蒸发速率。 薄膜在形成过程中同时还产生大量的缺陷，这也是薄膜和块状固体材料在许 多性能上不同的主要原因。其缺陷主要可分为点缺陷、位错、堆垛层错、晶界和 其他缺陷比如位错环等等。 浙江火学博士学位论文 凝聚态物理 1 2 薄膜的内应力 1 2 1 内应力定义、分类及其测量f 1 。6 1 当薄膜蒸镀在很薄的高分子箔上或油脂上，我们可以观察到蒸镀膜和基底发 生弯曲或收缩的明显变化。而当基底很坚挺时，形变则不明显，但如果利用一些 精密仪器测量，也可以发现微小的形变。把这种产生薄膜内部力矩的力我们称作 内应力。使薄膜向内侧弯曲的力叫张应力，而相反的力叫压应力。或者说薄膜有 势时受到 号，对压 电镀膜内 薄膜物性 蒸发时基 为薄膜的 力可用下 ( 1 2 ) 浙江大学博? 卜学位论文 凝聚态物理 假如应力对品格有影响，那么晶格就会发生畸变从而晶格常数也要发生变 化。假如能够测出晶格畸变，那么也就能够计算出薄膜的内应力。当晶体没有发 生畸变时，晶面之间的面间距为函，当由于沿晶面方向的内应力盯引起晶面间距 凶变为d 时，这个仃可用下式给出： 仃：旦望型。( 1 - 3 ) 2 v d o 1 2 2 内应力的起因【l - 6 】 有关内应力产生的原因，许多人进行大量研究，提出了各种假设和理论模型。 而且每个假设都有一定的合理性。由于内应力现象比较复杂，而且内应力往往是 由多种原因的叠加而产生的，很难用一种假设或者机理进行说明。目前对内应力 的成因有下面一些理论，大致分为两类，一为体积变化的模型；二为表面或界面 效应模型。 其中体积变化的模型可分为： a 热收缩效应 在薄膜形成过程中，沉积到基体上的蒸发气相原子具有较高的动能，从蒸发 源产生的热辐射等使薄膜温度上升。当沉积过程结束，薄膜冷却到周围环境温度 过程中，原子逐渐地变成不能移动状态。薄膜内部的原子是否还移动的临界标准 是再结晶温度。在再结晶温度以下的热收缩就是产生应力的原因。 b 相变效应 在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到同相的转移。根据蒸发薄膜材料 的不同。可细分为从气相经液相再到固相的转移以及从气相经过液相( 可能不经 过1 再经过固相最后到别的固相的相转移。在相转移时一般都发生体积的变化。 这里形成内应力的一个原因。 c 晶格缺陷消失 薄膜中经常含有许多晶格缺陷。其中空位和空隙等缺陷经过热退火处理，原 子在表面扩散时消灭这些缺陷可使体积发生收缩从而形成张应力性质的内应力。 浙江人学博f ：学位论文 凝聚态物理 表面或界面效应模型可分为 d 表面张力( 表面能) 和表面层 固体的表面张力( 表面能) 大约是1 0 2 1 0 3 达因厘米2 。内应力中的一部分可 归结为这种表面张力。但是当内应力为1 0 4 达因厘米2 时，其内应力就不能作为 表面张力考虑。在薄膜形成的最初阶段它是岛状结构。这里的晶格间隔比块状材 料宽一些。这样，表面张力是负值，小岛发生收缩。对于薄膜整体来说明则形成 张应力形式的内应力。 e 表面张力和晶界模型 在薄膜形成初期具有不连续结构的薄膜都是由孤立小岛或晶粒构成的。这些 晶粒受基体附着力的作用不能随意移动，而且表面张力是压缩性的。它要向外扩 展，于是显示一种压缩应力状态。随着晶粒的成长，晶粒间隔逐渐减小并达到接 近晶格常数a 的数量级。晶粒表面的原子与另一个晶粒表面的原子相互问受到引 力作用，相对于两个晶粒的两个表面结合起来形成了一个晶粒间界。在晶粒结合 时因表面能作用形成的压缩状态得到弛豫。晶粒再进一步长大便产生张应力。 f 界面失配 当与基体晶格结构有较大差异的薄膜材料在这种基体上形成薄膜时，若两者 之间相互作用较强，薄膜的晶格结构则变得接近基体的晶格结构。于是薄膜内部 产生大的畸变而形成内应力。 当然除了上面的一些因素的影响外，在具体的实验中，杂质效应也是一个不 得不考虑的因素。特别是在薄膜形成时环境气氛对内应力影响很大。真空室内的 残余气体或其它杂质进入薄膜结构中将产生压应力，这种气体分子或杂质在薄膜 中埋入愈多则愈易形成压应力。制备好的薄膜置于大气中，也会受环境气氛的影 响。另外，由于晶粒问界扩散作用，即使在低温下也可产生杂质扩散而形成压应 力。 浙江大学博1 ：学位论文 凝聚态物理 1 3 磁性薄膜的磁各向异性和交换偏置 物质的磁性根据其不同的特点，可以分为弱磁性和强磁性两大类。弱磁性仅 在具有外场的情况下才表现出来，并随着磁场增大而增强。强磁性主要表现在无 外加磁场时仍存在自发磁化。有限大物质的自发磁化通常被分成若干小区域，即 磁畴，每个磁畴内部的自发磁化强度方向相同，而不同磁畴内的白发磁化强度方 向各异，从而使得系统的静磁能最小。在无外加磁场时，系统总的磁矩趋于互相 抵消；在外磁场下，由于畴壁的移动或者自发磁化方向的改变通常表现出很强的 磁性。根据自发磁化的方式不同，又可分为铁磁性( 磁矩平行排列) 、反铁磁性( 相 同大小的磁矩反平行排列) 、亚铁磁性( 不同大小的磁矩反平行排列) 和螺磁性等。 除反铁磁性外，这些磁性通常又广义地称为铁磁性。铁磁性消失的临界温度称为 居里温度。具有铁磁性的材料通常称为磁性材料。磁性材料的最大技术特征就是 具有磁滞行为。磁性材料通常分为软磁材料和永磁材料。 磁性金属薄膜因其在超高密度磁记录介质、磁光记录介质、薄膜磁并且传感 器等方面的应用面成为一类新的磁性材料。当薄膜厚度足够薄时，也就是薄膜趋 于二维系统时，那么其表面及界面效应将逐渐显示。磁性薄膜主要问题有维度效 应，表面与界面磁矩异常，表面磁各向异性，磁层间交换耦合，巨磁阻效应、磁 光效应以及磁畴及畴壁的特殊结构等。下面简单介绍一下薄膜的磁各向异性和交 换耦合。 1 3 1 磁性薄膜的磁各向异性【l ，6 ，4 9 ，5 0 】 磁各向异性( m a g n e t i