【摘 要】
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随着当代信息社会的迅速发展,微型化、多功能、高性能磁性材料得到广泛的研究。调控磁性材料的磁学性质是实现磁性存储的关键技术,已成为现代凝聚态物理以及材料科学的研究热点之一。磁性薄膜结构的复杂性使得其磁性来源受到诸多物理原理影响。通过人们不断研究、深入探索,人们发现可以通过不同机制控制薄膜磁性,实现人们追求的功能器件小型化。包括掺杂、载流子、外加应力、离子迁移和光等多种方法都可以改变薄膜材料的磁性。其
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.12074221,No.51472150,No.51472145,No.51772174）；
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随着当代信息社会的迅速发展,微型化、多功能、高性能磁性材料得到广泛的研究。调控磁性材料的磁学性质是实现磁性存储的关键技术,已成为现代凝聚态物理以及材料科学的研究热点之一。磁性薄膜结构的复杂性使得其磁性来源受到诸多物理原理影响。通过人们不断研究、深入探索,人们发现可以通过不同机制控制薄膜磁性,实现人们追求的功能器件小型化。包括掺杂、载流子、外加应力、离子迁移和光等多种方法都可以改变薄膜材料的磁性。其中,电场调控由于其响应快、功耗低和可逆性好等诸多优势备受人们关注。目前人们已经对薄膜材料的磁性调控原理具有了更深入的研究,并且在实际应用中取得了很大进展。本论文聚焦电场驱动的氢离子（H+）调控磁性薄膜的磁性,对Pt/Co、Pt/CoFe、Pt/CoFeB、Pt/FeNi结构薄膜中利用H+驱动的磁性调控进行探索研究。本论文的主要结果简述如下:（1）我们使用磁控溅射技术制备了 Au/GdOx/Co-O/Pt多层薄膜,通过X射线反射法（XRR）测定了 Co的生长速率,通过控制溅射时间,获得Co层厚度为0.7nm和1.0nm的样品。样品初始饱和磁化强度小于10-7emu/cm2,其磁性层主要是反铁磁氧化钴（CoO）。通过金（Au）表面附着去离子水并通电,外加电场水解去离子水并驱动H+进入Co-O层,改变了样品的磁学性质。原理是CoO通过H+还原为金属Co,而且在一定通电时间和厚度区域,薄膜表现出垂直各向异性。样品磁性的调控具有电场施加时间依赖性以及薄膜厚度依赖性。对于Co层厚度为0.7nm样品,通过施加+3V电压,时间为30s时表现出较好的垂直磁各向异性,90s时总的磁化强度M=（M 面2+M垂2）1/2达到一个较高值,此处样品表现出面内磁各向异性,而120s时测量发现饱和磁化强度M下降。对于Co层厚度为1.0nm样品,通过施加+3V电压,样品转变为铁磁性后一直表现出面内磁各向异性,在时间为120s时饱和磁化强度出现一个较高值,随后下降。磁性下降可能源于H+在铁磁层界面和晶格内部对Co的交换作用的影响。当我们调控过的样品施加电压-6V调控,调控10min后薄膜饱和磁化强度（垂直方向和面内方向）进一步提高,与Tan等人的被可逆调控被氧化表现出反铁磁性有出入,而当通电时间60min后样品磁性才与初始态相当。这一现象很可能是随-6V电压调控H+反向过程中进一步还原未被还原的Co2+,只有当通电时间足够长后才观察到样品被氧化铁磁性消失。这点在XPS结果中也可以得到验证。（2）我们使用磁控溅射技术制备了 Au/GdOx/Co0.78Fe0.22-O/Pt多层薄膜,通过XRR测定了样品的生长速率。初始态样品测试表明该样品磁性层主要是反铁磁氧化物。通过样品表面Au附着去离子水,外加电场驱动H+迁移还原反铁磁氧化物,改变了样品的磁学性质,被H+还原表现出铁磁性。在一定厚度和通电时间区域,薄膜会在垂直方向表现出顺磁性和铁磁性。磁性的调控有时间依赖性以及厚度依赖性。当我们调控过的样品施加电压-6V调控,调控10min后发现薄膜样品饱和磁化强度进一步提高,这一现象很可能是随反向电场施加调控H+反向过程中进一步还原未被还原的反铁磁层,只有当通电时间足够长在通电-6V 60min后才观察到样品被氧化铁磁性消失。在XPS测试结果中我们也可以看到Co0峰在通电-6V 10min后的样品中明显提升。（3）我们使用磁控溅射技术制备了 Au/GdOx/Co0.6Fe0.4B-O/Pt多层薄膜,通过XRR测定了样品的生长速率。样品磁性测试显示该样品初始态磁性层主要是反铁磁层。通过样品表面附着去离子水,外加电场驱动H+迁移,最终改变了磁性层的磁学性质。金属离子被H+还原价态发生了改变。而且在通电过程中薄膜能保持较好的垂直磁各向异性。磁性的调控具有电场施加时间的依赖性以及薄膜厚度依赖性。当我们调控过的样品施加电压-6V调控,调控10min后发现薄膜饱和磁化强度进一步提高,这一现象很可能是随反向电场施加调控H+进一步还原未被还原的金属离子,只有当通电时间足够长在通电-6V 60min后才观察到样品被氧化铁磁性消失。通过XPS测试我们可知Co0峰在通电-6V 10min后的样品中有提升。（4）我们使用磁控溅射技术制备了 Au/GdOx/Ni0.88Fe0.12-O/Pt多层薄膜,通过XRR测定了 NiFe的生长速率。初始态样品磁性层是反铁磁氧化物。通过样品表面附着去离子水,施加正向电场,驱动H+迁移,改变了磁性层的磁学性质。反铁磁层通过H+还原为具有铁磁性的铁磁层,磁性的调控受电场施加时间以及薄膜厚度影响。当我们调控过的样品施加电压-6V调控,调控10min后发现薄膜饱和磁化强度进一步提高,这一现象很可能随反向电场施加调控H+过程中进一步还原反铁磁层,只有当通电时间足够长在通电-6V60min后才观察到样品被氧化磁性消失。XPS测试的结果也显示样品反铁磁层在通电过程中被不断还原了。
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