اثر لایه نشانی مورب بر رفتار مغناطیسی لایۀ نازک آلیاژ آهن-کبالت تولید شده به روش کند و پاش

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

دوره 11، شماره 42، بهمن 1399، صفحه 31-44   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

خلیل الله قیصری^{* 1}؛ چونگ کیم انگ²

¹دانشیار مهندسی مواد گروه مهندسی مواد دانشکده مهندسی دانشگاه شهید چمران اهواز

²استاد فیزیک مرکز مغناطیس و ابررسانایی دانشکدۀ فیزیک دانشگاه ملی سنگاپور

تاریخ دریافت: 21 تیر 1399،  تاریخ بازنگری: 30 دی 1399،  تاریخ پذیرش: 15 اردیبهشت 1400 

چکیده

در این پژوهش، اثر لایه‌نشانی مورب بر ویژگی‌های لایۀ نازک آلیاژ آهن-کبالت با ترکیب شیمیایی Fe90Co10 تولید شده به روش کند و پاش مورد ارزیابی قرار گرفت. لایه‌نشانی در دو زاویۀ نشست صفر و 42 درجه صورت گرفت. ساختار بلوری لایه-های نشانده شده به کمک روش پراش سنجی پرتو ایکس (XRD) ارزیابی گردید. ویژگی‌های استاتیک و دینامیک مغناطیسی نیز به ترتیب از روی حلقۀ مغناطش و طیف نفوذپذیری تعیین گردید. نتایج ارزیابی‌ها نشان می‌دهد که گرچه در هر دو شرایط لایه نشانی، الگوهای پراش مشابه با جهت‌گیری ترجیحی (110) در فاز نانوساختار BCC آلیاژ آهن-کبالت شکل گرفته، اما پارامتر شبکه آنها به صورت قابل توجهی متفاوت است. لایه نشانیده شده در زاویه نشست °42، پارامتر شبکۀ کوچکتری را نشان می‌دهد. علاوه بر این، حلقۀ‌های M-H کاملاً متفاوتی در جهات آسانگرد و سخت‌گرد این لایه مشاهده می-شود که نشان دهندۀ حضور میدان ناهمسانگردی مغناطیسی بزرگی در این لایه است (بزرگتر از Oe 60). در نتیجۀ آن، بسامد تشدید فرومغناطیسی به بزرگیGHz 71/5 در لایه نشسته شده در شرایط لایه نشانی مورب به دست آمده که به صورت قابل توجهی بزرگتر از مقدار مشاهده شده در لایه نشسته شده در شرایط لایه نشانی عمودی است (GHz 843/0). همچنین، پایداری حرارتی خوبی در لایه‌های نشسته شده، در محدودۀ دمایی 330 تا K 420 مشاهده می‌شود.

کلیدواژه‌ها

روش کند و پاش؛ لایه نشینی در شرایط مورب؛ ناهمسانگردی مغناطیسی؛ لایۀ نازک آهن-کبالت؛ بسامد تشدید فرومغناطیس

عنوان مقاله [English]

The Effect of Oblique Deposition on the Magnetic Behavior of Fe-Co Alloy Thin Films Fabricated by Sputtering Technique

نویسندگان [English]

Khalilollah Gheisari¹؛ Chong Kim Ong²

¹Department of Materials Science and Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran

²Center for Superconducting and Magnetic Materials, Department of Physics, National University of Singapore, Singapore

چکیده [English]

In the present work, the effect of oblique deposition on the properties of the Fe-Co alloy thin film with the composition of Fe90Co10 was investigated in detail. The films were deposited at the incident angle of 0° and 42° using the sputtering technique. The crystalline structure of the deposited films was evaluated via the X-ray diffraction method. The static and dynamic magnetic characteristics were determined from magnetization loops and permeability spectra, respectively. The results show that although the similar diffraction patterns with (110) preferred orientation in the nanocrystalline BCC phase of Fe-Co alloy have been obtained at both deposition conditions, their lattice parameter is noticeably different. The film deposited at the incident angle of 42° shows a lower lattice parameter. In addition, this film shows obviously different easy axis and hard axis M-H loops indicating the existence of a high magnetic anisotropy field (more than 60 Oe). As a result, the ferromagnetic resonance frequency as large as 5.71 GHz is obtained in the obliquely deposited film that is significantly higher than that observed for the normally deposited film (0.843 GHz). Furthermore, good thermal stability is observed for the as-deposited films in the temperature range of 330-420 K.

کلیدواژه‌ها [English]

Sputtering technique, Oblique deposition Magnetic anisotropy, Fe-Co thin film, Ferromagnetic resonance frequency

مراجع

1-H. Sepehri-Amin, Y. Tamazawa, M. Kambayashi, G. Saito, Y.K. Takahashi, D. Ogawa, T. Ohkubo, S. Hirosawa, M. Doi, T. Shima, and K. Hon, "Achievement of high coercivity in Sm (Fe_0.8Co_0.2)₁₂ anisotropic magnetic thin film by boron doping", Acta Materialia, vol. 194, pp. 337-342, 2020.

2- K. Hono, and H. Sepehri-Amin, "Prospect for HRE-free high coercivity Nd-Fe-B permanent magnets", Scripta Materialia, vol. 151, pp. 6–13, 2018.

3- R. Graillot-Vuillecot, A.L. Thomann, T. Lecas, C. Cachoncinlle, F. Millon, and A. Caillard, "Hot target magnetron sputtering process: Effect of infrared radiation on the deposition of titanium and titanium oxide thin films", Vacuum, vol. 181, pp. 109734(1-14), 2020.

4- N. Thangaraj,  and T. Christy, "Effect of current density on electrodeposited cobalt ferrous tungsten phosphorus magnetic thin films", Materials Today: Proceedings, In press, 2020.

5- T. Nguyen Vana, I.de Moraes, N. M. Dempsey, C. Champeaux, and F. Dumas-Bouchiat, "Textured Nd-Fe-B hard magnetic thin films prepared by pulsed laser deposition with single alloy targets", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 520, pp. 167584, 2020.

6- X. Qin, L. Di, C. Sui, R. Zhao, J. Fan, F. Wang, and X. Xu, "Effects of the Mn/Bi ratio on the magnetic properties of MnBi thin films grown by magnetron co-sputtering", Journal of Alloys and Compounds, vol. 842, pp.155694 (1-8), 2020.

7- V. Pretti Rossi, R. Pereira Bonini, A. Marino Gonçalves, A. José Gualdi, J. Antônio

Eiras, and F. Luis Zabotto, "Silicon substrate orientation influence on structural and magnetic properties of BaFe₁₂O₁₉ thin films obtained by RF magneton sputtering", Journal

 

 

of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 504, pp. 166705(1-6), 2020.

8- L. Phua, N. Phuoc, and C. Ong, ''Effect of Ni concentration on microstructure, magnetic and microwave properties of electrodeposited NiCoFe films'', Journal of Alloys and Compounds, vol. 543, pp. 1-6, 2012.

9- N.N. Phuoc, and C. Ong, ''FeCoHfN thin films fabricated by co-sputtering with high resonance frequency'', Journal of Alloys and Compounds, vol. 509(9), pp. 4010-4013, 2011.

10- L. Phua, N. Phuoc, and C. Ong, ''Influence of field-annealing on the microstructure, magnetic and microwave properties of electrodeposited Co_0.­3Fe_0.­7 films'', Journal of Alloys and Compounds, vol. 553, pp. 146-15, 2013.

11- K. Gheisari and C.K. Ong, "Enhancing High-Frequency Properties of Nanocrystalline Sputtered Fe Thin Films by Using MnIr Underlayer and Oblique Deposition", Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, In press, 2020.

12- Y. Fukuma, Z. Lu, H. Fujiwara, G. Mankey, W. Butler, and S. Matsunuma, ''Strong uniaxial magnetic anisotropy in CoFe films on obliquely sputtered Ru underlayer'', Journal of Aapplied Physics, vol. 106, pp. 076101-3, 2009.

13- M. Arif,  Z. Zhang, J. Tang, M. Amir, E. Liu, and F. Xu, ''Efficient excitation of exchange dominated spin waves in oblique deposited CoFeB thin films'', Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 499, pp. 166072, 2020.

14- Kh. Gheisari, and C. K. Ong. "Magnetic properties and thermal stability of nanocrystalline Fe films prepared by oblique sputtering deposition method", Physica B: Condensed Matter, vol. 595, pp. 412365 (1-7), 2020

15- D. Fu and X. Cheng, "Exploring the effect on the columnar structure and porosity of the synthesized Be films by oblique angle deposition in magnetron sputtering", Physica B: Condensed Matter, vol. 590, p.412221(1-7), 2020.

16- M. Zölfl, S. Kreuzer, D. Weiss, and G. Bayreuther, ''Epitaxial nanomagnets with intrinsic uniaxial in-plane magnetic anisotropy'', Journal of Applied Physics, vol. 87(9), pp. 7016-7018, 2000.

17- S. Husain, V. Barwal, N.K. Gupta, S. Hait, and S. Chaudhary, ''Tunable magnetic anisotropy in obliquely sputtered Co₆₀Fe₄₀ thin films on Si (100), Physica B: Condensed Matter, vol. 570, pp 1-5, 2019.

18- R.C. O'handley, ''Modern magnetic materials: principles and applications'', Wiley, New York, pp. 374-376, 2000.

19- ا. صفری، خ. قیصری، و م. فربد، "بررسی ساختار و رفتار مغناطیسی پودر فریت نیکل تولیذ شذه به روش تخلیه قوس پلاسما"، مجله مواد نوین، جلد 7، شماره 4، ص 17-26، تابستان 1396.

20- Y. Liu, L. Chen, C. Tan, H. Liu, and C. Ong, ''Broadband complex permeability characterization of magnetic thin films using shorted microstrip transmission-line perturbation'', Review of Scientific Instruments, vol. 76(6), pp, 063911, 2005.

21- F. Tang, D. L. Liu, D. X. Ye, Y. P. Zhao, T. M. Lu, G. C. Wang, and A. Vijayaraghavan, ''Magnetic properties of Co nanocolumns fabricated by oblique-angle deposition'', Journal of Applied Physics, vol. 93(7), pp. 4194-4200, 2003.

22- Z. Liu, and C. Ong, ''Microstructure and thickness dependent magnetic properties of nanogranular Co–Zn–O thin films for microwave applications'', Journal of Alloys and Compounds, vol. 509(41), pp. 10075-10079, 2011

23- N.N. Phuoc, G. Chai, and C. Ong, ''Enhancing exchange bias and tailoring microwave properties of FeCo/MnIr multilayers by oblique deposition'', Journal of Applied Physics, vol. 112(11), pp. 113908, 2012.

24- N. Borhan, and K. Gheisari, ''Structural and magnetic properties of nanocrystalline lithium–zinc ferrite synthesized by microwave-induced glycine–nitrate process'', Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, vol. 27(6), pp. 1483-1490, 2014.

25- X. Zhong, N.N. Phuoc, W.T. Soh, C. Ong, and L. Li, ''Dynamic magnetization of NiZn ferrite doped FeSiAl thin films fabricated by oblique sputtering'', Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 432, 373-381, 2017

26- X. Zhong, N.N. Phuoc, W.T. Soh, C. Ong, L. Peng, and L. Li, ''Tailoring the magnetic properties and thermal stability of FeSiAl-Al₂O₃ thin films fabricated by hybrid oblique gradient-composition sputtering'', Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 429, pp. 52-59, 2017.

27- X. Zhong, N.N. Phuoc, G. Chai, Y. Liu, and C. Ong, ''Thermal stability and dynamic magnetic properties of FeSiAl films fabricated by oblique deposition'', Journal of Alloys and Compounds, vol. 610, pp. 126-131, 2014