【摘 要】
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近等原子比的FeRh合金在室温附近表现出从反铁磁到铁磁的变磁相变,这伴随着磁化强度、熵、晶格参数和电阻率的变化。从应用的角度来看,反铁磁-铁磁的转变温度决定了工作温度,而转变温度范围和热滞后宽度对性能至关重要。因此,控制FeRh薄膜的变磁相变的特征参数,包括转变温度、转变温度宽度、热滞后宽度、磁共存相比例等具有重要的意义。基于这样的研究目的,本论文的主要工作如下:(1)利用高真空的磁控溅射在Mg
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近等原子比的FeRh合金在室温附近表现出从反铁磁到铁磁的变磁相变,这伴随着磁化强度、熵、晶格参数和电阻率的变化。从应用的角度来看,反铁磁-铁磁的转变温度决定了工作温度,而转变温度范围和热滞后宽度对性能至关重要。因此,控制FeRh薄膜的变磁相变的特征参数,包括转变温度、转变温度宽度、热滞后宽度、磁共存相比例等具有重要的意义。基于这样的研究目的,本论文的主要工作如下:(1)利用高真空的磁控溅射在Mg O(001)衬底上外延生长FeRh薄膜,系统的研究了热处理方式,包括生长温度、退火温度、退火时间,对FeRh薄膜的磁相变的调控。改变生长温度773-1073 K,调节相变温度范围210-344 K,转变温度范围88-40 K,热滞后区间宽度范围50-34 K。生长温度低于673 K时薄膜没有磁相变,高于873 K时薄膜表面出现析出相。773 K生长的薄膜改变退火温度773-1073 K,调节相变温度范围190-342 K,转变温度范围70-24 K,热滞后区间宽度范围48-13 K。773 K生长的薄膜改变退火时间0-2 h,调节相变温度范围190-304 K,转变温度范围84-48 K,热滞后区间宽度范围48-38 K。对于退火时间不超过1.5 h的薄膜,磁相变参数随着退火时间的增加而发生很大变化。当退火时间超过1.5 h时,调控能力减弱。这些结果表明,热处理可以调节FeRh薄膜的磁相变参数。(2)不同退火温度的磁化曲线显示退火温度能够改变外延FeRh薄膜的变磁相变参数。原子力显微镜下的形貌图和透射电镜下的元素分布图表明通过退火改变的磁相变参数与薄膜的表面形貌和元素分布关联性很弱。电阻率测试表明电阻率随着退火温度的增加而降低是由于FeRh晶体结构趋于有序化。FeRh薄膜2theta衍射峰的积分强度计算结果表明薄膜的原子有序度与退火温度呈正相关。透射电镜下的原子相图表明退火温度的增加可以在一定程度上减少薄膜中Fe(Rh)原子的位移。证明了提高薄膜退火温度改变磁相变参数的机制主要是通过减少Fe(Rh)的原子的位移,而不是薄膜的形貌或元素分布的改变。(3)在Mg O(001)衬底上外延生长FeRh薄膜,通过调节热处理参数获得能够在室温双稳态共存的反铁磁相与铁磁相。探索利用多功能扫描探针显微镜的热耦合或力耦合探针在薄膜表面形成铁磁图案化。热力学探针对薄膜的共存相的调控过程中发现没有改变铁磁畴分布。推测可能由于Fe原子的交换耦合力的存在,探针提供的温度达不到改变相变温度的阈值。力学探针在薄膜表面写入应力应变局部改变共存相的铁磁畴位置。通过相变过程消除写入的应力应变,使薄膜恢复原来的磁畴结构。本论文系统研究了改变生长和后退火参数来调控在Mg O衬底上外延生长的FeRh薄膜的性能,并为其提供了全面的论证。系统控制FeRh薄膜的转变温度、转变滞后和相关电阻率,这对于在磁制冷和磁存储等领域的潜在应用具有重要意义。还研究了加热探针和力学探针在纳米尺寸下对FeRh薄膜共存相的调控,为以后研究各类性质的探针在纳米尺寸下对FeRh薄膜共存相的调控建立了实验基础。
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