电结晶制纳米金属多层膜及其磁性的研究

论文摘要

由磁性材料层及非磁性材料层交替有序排列的纳米金属多层膜,作为纳米结构材料的一种,因其界面诱导垂直磁各向异性及巨磁阻效应等新性质,在高密度磁场记录材料、高性能的磁敏器件、计算机磁盘、光盘、磁头等方面显示出极具广阔的应用前景。本文采用双电解槽法、双脉冲法和流动式单槽法在单晶硅（111）基底上电结晶制备了Co/Pt、Co/Pd和Co/Cu三种纳米多层膜。用极化曲线、电位阶跃法、反射电子显微术（REM）、电化学扫描隧道显微镜（ECSTM）及电化学石英晶体微天平（EQSM）等实验方法研究了Co、Cu、Pt、Pd等的电结晶成膜过程及成核机理;并采用SEM、XRD、Auger等分析手段对多层膜的结构和形貌进行了表征;同时用物性测量系统（PPMS）测定了所制备的多层膜的磁滞回线,获得了各纳米多层膜的磁性能,并研究了膜界面结构变化对磁性能的影响。主要研究结果如下:通过现场ECSTM、REM像观察以及极化曲线发现:在0.5mol/L H2SO4 + 0.001mol/L CuSO4溶液中Cu在Pt（111）单晶面上的电沉积有欠电位沉积和本体沉积两个阶段,其中欠电位沉积为单层平面生长,本体沉积为三维岛状生长,并随过电位升高,Cu的成核数目增加,由此认为Cu在Pt（111）面上为Stranski-Krastanov型生成机理;而在0.05mol·L-1 H3BO3+0.01mol·L-1 CoSO4溶液中Co在Pt（111）面上的电结晶成膜过程无论是低过电位还是高过电位都呈三维岛状方式生长,且随过电位升高,Co的成核数目增加。电位阶跃法实验表明:以单晶Si（111）为电极,在H2PtCl6和P盐溶液中Pt电结晶初期过程按瞬时成核三维生长方式进行;P盐中的添加剂不影响Pt的电结晶机理。在基础镀液中Cu电结晶初期过程为三维连续成核过程,在加入添加剂后的镀铜液中则为三维瞬时成核过程。在基础镀液中Co电结晶初期过程在较低电势下为三维连续成核过程,在较高电势下为三维瞬时成核过程;在加入添加剂的镀钴液中均为三维瞬时成核过程。在钯镀液中不同电位下的电位阶跃曲线表明Pd电结晶初期为三维瞬时成核过程。同时镀层的SEM表面形貌观察表明,在沉积过程中加入的添加剂有阻碍晶核生长的作用,使晶粒显著细化,镀层平整,从而大大提高了多层膜的磁性能。在单晶Si（111）基底上,采用双槽法、双脉冲法和流动式单槽法在硼酸体系中成功电结晶制得Co/Pt、Co/Pd和Co/Cu三种纳米多层膜。SEM断面形貌图、XRD等显示电结晶制备的多层膜层状结构清晰连续,具有较好的周期性调制结构;首次证实了Co-Pt界面上存在CoPt3化合物,CoPt3化合物为fcc结构,该化合物的形成与电结晶时所用的电位、电流密切相关。多层膜的磁滞回线表明:Co/Pt多层膜具有垂直磁各向异性,易磁化轴垂直于膜面;膜面垂直于外磁场时膜的矫顽力随Co含量的增加而增加。膜面平行于外磁场时双槽法制备的Co/Pt多层膜的矫顽力均约为165 Oe,而流动式单槽法制备的Co/Pt多层膜的矫顽力约为182 Oe。Co/Pd多层膜的矫顽力随着Co层厚度的减小而增大,双槽法制备的膜的矫顽力达到1130 Oe,双脉冲法制备的膜的矫顽力约为1140 Oe;膜的剩磁比S值均大于0.8。在溅射了In2O3衬底的单晶硅表面上制备的Co/Pd多层膜的矫顽力可达1840 Oe,S值达到0.98,这是目前用电化学方法制备的多层膜所得到的最高磁性能,此结果表明In2O3衬底能大大提高Co/Pd多层膜的磁性能。Co/Cu多层膜的矫顽力较小,适合作为制备磁头的材料;随Co磁性层厚度增加,Co/Cu多层膜的GMR值先增大后减小,存在一极值;随着Cu非磁性层厚度增加,膜的GMR值发生周期性的振荡;随Co/Cu多层膜的周期数N增大,膜的GMR值先增大,在N为60时达到了极值（90%）,后随着N的继续增加而减小,当多层膜的周期数达到80时,GMR值趋于稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米多层膜概述
• 1.1.1 纳米多层膜概念
• 1.1.2 纳米多层膜性质
• 1.2 纳米多层膜研究的意义与发展
• 1.3 纳米多层膜的制备方法
• 1.4 本论文的研究目的、意义和内容
• 1.5 课题来源
• 第二章 实验原理与方法
• 2.1 电极制备
• 2.2 纳米多层膜的电化学制备方法
• 2.3 电化学测试分析
• 2.4 反射电子显微术法（REM）
• 2.5 电化学隧道扫描显微镜观察（ECSTM）
• 2.6 X射线荧光光谱分析（XRF）
• 2.7 俄歇电子能谱分析（AES）
• 2.8 扫描电镜分析（SEM）
• 2.9 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.10 物性测量系统（PPMS）测试分析
• 2.11 电化学石英晶体微天平测试（EQCM）
• 第三章 Co、Cu在Pt单晶面上电结晶成膜过程研究
• 3.1 引言
• 3.2 Co、Cu电结晶的择优取向轴与过电位关系研究
• 3.3 Co在Pt单晶面上的电结晶成膜过程研究
• 3.3.1 Co电结晶电位的确定
• 3.3.2 现场ECSTM法研究Co的电结晶过程
• 3.3.3 REM法研究Co的电结晶过程
• 3.4 Cu在Pt单晶面上的电结晶成膜过程研究
• 3.4.1 极化曲线研究Cu的电结晶过程
• 3.4.2 现场ECSTM法研究Cu的电结晶过程
• 3.4.3 REM法研究Cu的电结晶过程
• 3.5 本章小结
• 第四章 Co/Pt多层膜的制备及磁性研究
• 4.1 引言
• 4.2 双槽法制备Co/Pt多层膜的研究
• 4.2.1 双槽法制备Co/Pt多层膜的电结晶工艺
• 4.2.1.1 基底选择对Co/Pt多层膜质量影响
• 4.2.1.2 单晶硅电极的不同表面处理方法对Co/Pt多层膜的影响
• 4.2.1.3 Co/Pt 多层膜沉积电位的确定
• 4.2.1.4 添加剂对Pt电化学行为的影响研究
• 4.2.1.5 Co/Pt多层膜制备参数的确定
• 4.2.2 Co/Pt多层膜的形貌与结构分析
• 4.2.2.1 Co/Pt多层膜的形貌分析
• 4.2.2.2 Co/Pt多层膜的结构分析
• 4.2.3 Co/Pt多层膜的磁性能研究
• 4.2.3.1 Co层厚度与Co/Pt多层膜矫顽力的关系
• 4.2.3.2 Co层厚度与Co/Pt多层膜有效垂直磁各向异性能的关系
• 4.2.3.3 Co/Pt多层膜的垂直磁各向异性与矫顽力的关系
• 4.3 流动式单槽法制备Co/Pt多层膜的研究
• 4.3.1 流动式单槽法制备Co/Pt多层膜的电结晶工艺
• 4.3.1.1 Co/Pt多层膜沉积电位的确定
• 4.3.1.2 Co/Pt多层膜制备参数的确定
• 4.3.2 Co/Pt 多层膜的结构分析
• 4.3.3 Co/Pt多层膜的磁性能研究
• 4.3.3.1 Co层厚度对Co/Pt多层膜矫顽力的影响
• 4.3.3.2 Co层厚度对Co/Pt多层膜饱和磁化强度的影响
• 4.4 双槽法与单槽法的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 Co/Pd多层膜的制备及磁性研究
• 5.1 引言
• 5.2 双槽法制备Co/Pd多层膜的研究
• 5.2.1 双槽法制备Co/Pd多层膜的电结晶工艺
• 5.2.1.1 Co/Pd多层膜沉积电位的确定
• 5.2.1.2 Co膜和Pd膜的质量随沉积时间的变化关系
• 5.2.1.3 不同电位下Co和Pd电结晶初期成核过程研究
• 5.2.1.4 Co/Pd多层膜制备参数的确定
• 5.2.2 Co/Pd多层膜的形貌与结构分析
• 5.2.2.1 Co/Pd多层膜的形貌分析
• 5.2.2.2 Co/Pd多层膜的结构分析
• 5.2.3 Co/Pd多层膜的磁性能研究
• 5.2.3.1 Co层厚度对Co/Pd多层膜磁性能的影响
• 5.2.3.2 周期数 N 对 Co/Pd 多层膜磁性能的影响
• 5.3 双脉冲法制备Co/Pd多层膜的研究
• 5.3.1 双脉冲法制备Co/Pd多层膜的电结晶工艺
• 5.3.1.1 Co/Pd多层膜沉积电位的确定
• 5.3.1.2 Co/Pd多层膜制备过程中的电流时间曲线
• 5.3.1.3 Co/Pd多层膜制备参数的确定
• 5.3.2 Co/Pd多层膜的结构分析
• 5.3.3 Co/Pd多层膜的磁性能研究
• 5.3.3.1 Co层厚度对Co/Pd多层膜磁性能的影响
• 5.3.3.2 底衬层对Co/Pd多层膜磁性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 Co/Cu多层膜的制备及磁性研究
• 6.1 引言
• 6.2 双槽法制备Co/Cu多层膜的研究
• 6.2.1 双槽法制备Co/Cu多层膜的电结晶工艺
• 6.2.1.1 Co/Cu多层膜沉积电位的确定
• 6.2.1.2 添加剂对制备Co/Cu多层膜的影响
• 6.2.1.3 Co/Cu多层膜制备参数的确定
• 6.2.2 Co/Cu纳米多层膜的形貌与结构分析
• 6.2.2.1 Co/Cu多层膜的断面形貌分析
• 6.2.2.2 Co/Cu多层膜的结构分析
• 6.2.3 Co/Cu多层膜的磁滞回线的研究
• 6.2.4 Co/Cu多层膜的结构对GMR 效应的影响
• 6.2.4.1 周期数N对Co/Cu多层膜GMR值的影响
• 6.2.4.2 Co层厚度对Co/Cu多层膜GMR值的影响
• 6.2.4.3 Cu层厚度对Co/Cu多层膜GMR值的影响
• 6.2.5 Co/Cu多层膜的GMR效应的理论
• 6.2.5.1 自旋相关的散射和双电流理论
• 6.2.5.2 GMR现象的理论解释
• 6.3 流动式单槽法制备 Co/Cu 纳米多层膜的研究
• 6.3.1 流动式单槽法制备Co/Cu多层膜的电结晶工艺
• 6.3.1.1 Co/Cu多层膜沉积电位的确定
• 6.3.1.2 流动式单槽法制备的 Co/Cu 多层膜制备过程中的电流时间曲线
• 6.3.1.3 流动式单槽法制备的 Co/Cu 多层膜的元素含量分析
• 6.3.1.4 流动式单槽法制备的 Co/Cu 多层膜制备参数的确定
• 6.3.2 流动式单槽法制备的 Co/Cu 多层膜的结构分析
• 6.3.3 流动式单槽法制备的 Co/Cu 多层膜的磁性能研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论、论文的创新及展望
• 7.1 结论
• 7.2 论文的主要创新工作
• 7.3 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间承担和参加的科研项目
• 致谢