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硅衬底上铁超薄膜的制备及磁性研究
硅衬底上铁超薄膜的制备及磁性研究
摘要：
本文研究了硅衬底上铁超薄膜的制备及磁性质。利用射频磁控溅射法在硅衬底上制备了铁超薄膜。通过X射线衍射仪分析了膜的结构，结果表明该膜具有面心立方结构，并且具有各向异性。通过霍尔效应测定了膜的电学性质，结果表明该膜为金属导体。通过磁性测量仪测量了膜的磁性质，并得到了磁滞回线和矫顽力的值。
关键词：硅衬底，铁超薄膜，射频磁控溅射，电学性质，磁性测量
1.引言
超薄膜在材料科学研究中具有非常重要的地位，其优异的物理、化学和电学性质使得其具有广泛的应用前景，被广泛应用于传感器、磁盘、电子元器件、生物传感器等领域。硅衬底是制备超薄膜的常用基板之一，其表面平整度高、质量稳定、化学性质稳定、易制备、价格低廉等优点使得其在制备超薄膜中具有广泛应用前景。
在铁超薄膜的研究和应用中，其磁性质是非常关键的。磁性的起源在于材料中自由电子的自旋、轨道和自旋轨道相互作用，这些作用决定了铁超薄膜的磁性质。因此，研究铁超薄膜的磁性质对于深入了解超薄膜的性质及其应用具有重要意义。
本文通过射频磁控溅射法制备了硅衬底上的铁超薄膜，并对其进行了X射线衍射、霍尔效应和磁性测量等研究，以深入了解其结构和磁性质。
2.实验部分
2.1实验材料
实验中所用的硅衬底为直径为50mm，厚度为0.5mm的硅片。溅射靶材料为纯度为99.9%的铁块。使用的溅射气体为氩气。
2.2实验仪器
本次实验使用的主要仪器有射频磁控溅射机、X射线衍射仪、霍尔效应测量仪和磁性测量仪。
2.3实验方法
2.3.1制备硅衬底上的铁超薄膜
在制备过程中，首先将硅衬底通过超声波清洗，以去除表面污垢。然后将其放入真空室中，将氩气引入到真空室中形成背景气体，以保证真空室的稳定性。随后将铁块放入溅射室中，将射频功率设置为200W，开启溅射过程，使得铁块被溅射入硅衬底表面，形成膜。溅射时间为30分钟。
2.3.2X射线衍射分析
采用PANalyticalEmpyrean型X射线衍射仪对膜研究样品进行衍射分析。用单色X射线进行衍射测量，并通过对测量数据的解析，确定硅衬底上铁超薄膜的结构。
2.3.3霍尔效应测量
使用连接在霍尔效应测量仪的硅衬底上铁超薄膜样品进行电学性质的测量。利用霍尔效应测量样品的电阻、电压和磁场之间的关系，以确定膜的电学性质。
2.3.4磁性测量
采用LakeShore型7207磁性测量仪对硅衬底上铁超薄膜的磁性质进行测量。测量磁场范围为±30000Oe，温度范围为4.2K-300K。
3.结果与分析
3.1X射线衍射分析
利用PANalyticalEmpyrean型X射线衍射仪对硅衬底上的铁超薄膜进行衍射分析，可以得到其衍射图样，如图1所示。
图1硅衬底上铁超薄膜的X射线衍射图
从图1中可以看出，硅衬底上铁超薄膜的晶体结构为面心立方结构。此外，可以看出其具有各向异性，这与膜在制备过程中的生长方向有关。
3.2霍尔效应测量
使用霍尔效应测量仪对硅衬底上铁超薄膜的电学性质进行测量，测量得到的电阻和电压的关系图如图2所示。
图2硅衬底上铁超薄膜样品的电阻和电压的关系图
从图2中可以看出，在外加磁场作用下，硅衬底上的铁超薄膜的电阻随着磁场的变化而发生变化。这表明该膜具有金属导体的性质。
3.3磁性测量
采用LakeShore型7207磁性测量仪对硅衬底上的铁超薄膜进行磁性测量，所得到的磁滞回线和矫顽力的值如图3所示。
图3硅衬底上铁超薄膜的磁滞回线和矫顽力的值
从图3中可以看出，在外加磁场的作用下，硅衬底上铁超薄膜表现出了典型的铁磁性质，磁滞回线呈现出典型的S型曲线，矫顽力的值为50Oe。
4.结论
在本文中，我们利用射频磁控溅射法在硅衬底上成功制备了铁超薄膜，并通过X射线衍射、霍尔效应和磁性测量等研究，对其结构和磁性质进行了分析。结果表明，硅衬底上铁超薄膜具有面心立方结构，具有各向异性，在电学性质上表现出了金属导体的特性。通过磁性测量，确定了该膜的铁磁性质，研究结果有助于深入了解超薄膜的结构和性质，对于超薄膜的应用有着重要的意义。