氩气辅助脉冲激光沉积对Fe80B20薄膜结构与磁性能（高频动力学）的调控研究

《Applied Nursing Research》：Influence of Ar-assisted pulsed laser ablation on structural and magnetic properties of Fe? 0B 20 thin films

本研究针对如何在不进行热退火的情况下调控非晶金属-类金属薄膜的磁性能这一关键问题，研究人员通过在不同氩气压力下进行脉冲激光沉积（PLAD），系统开展了氩气辅助对纳米厚度Fe80B20薄膜化学、结构、形态及磁性能影响的研究。结果表明，氩气辅助诱导了表面粗糙化和部分结晶，形成了富铁纳米柱，显著改变了薄膜的磁滞行为、自旋波刚度常数（增大20倍）和铁磁共振阻尼（降低19%），为非晶磁性薄膜在高频电子和自旋电子器件中的应用提供了重要的材料制备与性能调控策略。

　　

在当今高速发展的信息技术领域，对能够工作在数十吉赫兹（GHz）频率下的磁性材料的需求日益迫切。非晶金属-类金属薄膜，尤其是铁硼（FeB）合金，因其独特的软磁特性——如低矫顽力、高饱和磁化强度以及高度可调的磁各向异性——而成为高频电子器件、各种传感器及下一代自旋电子器件的理想候选材料。这些优异的性能源于其原子尺度的无序结构，即长程无序但短程有序的特性。当这种短程有序的特征尺寸小于磁交换关联长度时，磁晶各向异性会被平均掉，从而呈现出异常柔软的磁性能。然而，材料的宏观磁性能在很大程度上取决于其微观结构，如何通过制备工艺精准调控非晶薄膜的微观结构，进而优化其高频磁性能，是当前材料科学和凝聚态物理领域面临的一个关键挑战。

传统的调控手段往往依赖于沉积后的热处理，但这种方法可能会引入不必要的相变或界面反应，对于纳米尺度的薄膜器件尤其不利。因此，发展一种在沉积过程中直接调控薄膜结构和性能的技术具有重要意义。脉冲激光沉积（Pulsed Laser Ablation Deposition, PLAD）技术作为一种高效的薄膜制备方法，能够生长出通过常规热处理方法难以制备的非晶相。近年来，惰性气体辅助沉积，特别是氩气（Ar）辅助技术，显示出通过影响烧蚀等离子体羽流的动力学和被溅射物种的有效冷却速率，从而改变薄膜生长机理和最终性能的巨大潜力。这为不依赖热退火直接“裁剪”薄膜磁性能提供了一条诱人的途径。

正是在此背景下，来自西班牙马德里材料科学研究所（ICMM-CSIC）的研究团队在《Applied Nursing Research》上发表了一项深入研究，系统探讨了氩气辅助脉冲激光沉积对纳米厚度Fe₈₀B₂₀薄膜结构、静态及高频动态磁性能的深刻影响。研究团队制备了四个系列的样品：一个在超高真空（Ultra-High Vacuum, UHV）条件下沉积的参考样品，以及三个在不同氩气压力（低：5×10^-3 Pa，中：5×10^-2 Pa，高：5×10^-1 Pa）下辅助沉积的样品，所有薄膜厚度均控制在25纳米。

为了全面表征样品，研究人员运用了多种先进的表征技术。化学组成和深度剖面通过X射线光电子能谱（XPS）进行分析；表面形貌和粗糙度通过原子力显微镜（AFM）观测；薄膜的微观结构、结晶状态以及元素分布则通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和电子能量损失谱（EELS）进行精细解析。磁性能表征分为静态和动态两部分：静态磁性能，包括磁滞回线的角依赖性和高场磁化行为，分别通过磁光克尔效应（MOKE）系统和超导量子干涉设备（SQUID）磁强计测量；动态磁性能，即高频磁化动力学，则通过矢量网络分析仪（VNA）测量铁磁共振（FMR）来研究。

3.1. 形态与结构

研究结果清晰地揭示了氩气压力对薄膜结构的显著影响。AFM结果表明，氩气辅助沉积深刻改变了薄膜的表面形态。UHV和低Ar压力下生长的样品表面光滑，均方根（RMS）粗糙度约为0.3纳米。然而，随着Ar压力的升高，表面粗糙度显著增加（中Ar样品~1.0纳米，高Ar样品~1.6纳米），并出现了各向同性的纳米颗粒化现象。在高Ar样品中，可以观察到直径约20纳米、高约5纳米的盘状实体，这种表面粗糙度的增加与被溅射物种与Ar原子之间的散射效应增强有关，这降低了沉积原子在基片上的迁移率。XPS深度剖面分析进一步证实，高Ar样品由于具有更大的比表面积，其表面氧化物组分含量也更高。更重要的是，HRTEM揭示了最为关键的结构变化：UHV条件下生长的薄膜是完全非晶且均匀的；而Ar的引入则促进了部分结晶，形成了嵌入在非晶FeB基质中的富铁纳米柱。这些纳米柱的宽度随着Ar压力的增加而增大，从低Ar样品中的1-3纳米增加到高Ar样品中的8-10纳米。EELS分析证实这些结晶区与局部Fe富集有关，其晶体结构被鉴定为α-Fe。

3.2. 磁滞特性

结构上的变化直接反映在磁性能上。MOKE测量显示，UHV和低Ar样品表现出明显的单轴磁各向异性，其易轴方向的矫顽力很低（约0.6 mT）。随着Ar压力的增加，薄膜的面内磁各向异性逐渐减弱，至高Ar样品时，其磁滞行为已接近各向同性。同时，易轴方向的饱和矫顽力也随之增加，特别是在高Ar压力下出现了一个跃升（增至3 mT）。研究人员将这种变化归因于两个主要因素：一是富铁纳米柱的出现引入了具有不同局域易磁化方向的结晶区，破坏了整体的单轴各向异性；二是表面粗糙度的增加，在高Ar样品中形成了尺寸（约10纳米）与畴壁宽度相当的钉扎中心，使得磁化反转机制从成核主导转变为畴壁钉扎主导，从而导致矫顽力升高和各向同性行为。

3.3. 动态磁行为

对薄膜高频动态磁性的研究取得了更为引人注目的发现。通过SQUID测量不同温度下的高场磁化曲线，并拟合至饱和定律，研究人员确认所有样品中均存在自旋波激发。基于海森堡模型，他们计算了自旋波刚度常数（D）、交换相互作用方差（<>²>）和交换常数（A_ex）。结果表明，随着Ar压力的增加，这三个参数均显著增大。尤其是从中Ar样品开始，D值出现了急剧上升，至高Ar条件时，其值比UHV参考样品大了约20倍。这一巨大变化被归因于非晶FeB相和结晶富Fe相共存所导致的局域交换相互作用分布的显著展宽，以及表面纳米颗粒化区域因几何尺寸限制而无法激发长波长、低能量的自旋波。通过VNA-FMR技术测量的铁磁共振行为进一步印证了这一点。随着Ar压力的增加，铁磁共振频率向更高频率方向移动，这与交换常数的增加相一致。此外，研究还发现吉尔伯特阻尼系数（α）随着Ar压力的增加而单调下降，从中Ar样品到高Ar样品，阻尼系数相较于UHV样品降低了19%。这表明由Ar辅助诱导的结构化和纳米颗粒化引入的大量无序，反而在一定程度上抑制了磁化进动的能量耗散。

综上所述，这项研究深入揭示了氩气辅助脉冲激光沉积作为一种强大的工具，能够通过调控沉积过程中的等离子体环境，有效改变Fe₈₀B₂₀非晶薄膜的微观结构（包括表面形貌和体相结晶度），从而实现对薄膜静态和高频动态磁性能的广泛调控。研究不仅证实了Ar辅助压力诱导表面粗糙化和部分结晶（形成富铁纳米柱）的现象，更重要的是，它清晰地阐明了这些结构变化如何导致磁各向同性的演变、自旋波刚度的显著增强以及铁磁共振阻尼的降低。这些发现对于理解非晶磁性材料中结构-性能关系具有重要的科学价值，并为设计适用于高频自旋电子器件的、具有定制化磁性能的非晶薄膜材料提供了切实可行的工艺方案。通过简单的工艺参数调整，而无需后续热处理，即可实现磁性能的“按需定制”，这使得该技术在未来的磁电子应用中具有广阔的前景。