台阶仪测量膜厚：揭示氢离子迁移对磁性薄膜磁性的调控规律

磁性薄膜材料是电子器件小型化的基础，被广泛应用在生物、化学、环境和计算机等领域。本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。费曼仪器致力于为全球工业智造提供提供精准测量解决方案，Flexfilm探针式台阶仪可以精确测量磁控溅射技术制备多种磁性薄膜样品的薄膜厚度，进行薄膜磁性调控与厚度的相关性研究。

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薄膜样品的制备

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纳米磁性多层膜结构

采用磁控溅射技术在Pt / Ti / SiO₂/ Si 衬底上制备多层薄膜。首先，在衬底表面划定3mm×3mm沉积区域，依次溅射以下功能层：

底层：Pt电极（衬底自带，不额外沉积）。

铁磁氧化物层：

靶材：金属靶（ Co / CoFe / CoFeB / NiFe ）+ 氩气（0.2 Pa）直流溅射。

厚度控制：溅射时间精确调控（如0.7nm Co层需42秒，1nm需60秒）。

初始态为反铁磁氧化物（通氧反应溅射形成Co-O等）。

介电层：GdOₓ（≈11nm），氩氧混合气（4:1比例，2 Pa）溅射10分钟。

顶层：Au电极（2nm），氩气（0.2 Pa）溅射20秒。

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台阶仪GdOₓ层厚度标定

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台阶仪测量通过磁控溅射生长GdOx在Pt衬底上10min的厚度

操作流程

在Pt衬底上局部遮挡掩模板（形成台阶结构）。

溅射GdOₓ 10分钟（氩氧比4:1，气压2 Pa，功率11.7 W）。

移除掩模后，测量台阶高度差。

关键支撑作用

厚度一致性保障：GdOₓ层厚度统一为10.81 nm，确保不同样品介电层性质一致。

生长速率校准：速率数据（1.08 nm/min）用于反推铁磁层厚度（如Co层0.7 nm需42秒），避免XRR对超薄层（<1 nm）的测量失效问题。

电场调控可靠性：均一的GdOₓ厚度是H⁺迁移路径可控的前提。

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氢离子迁移对薄膜磁性的影响

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氢离子调控的GdOx/Co层磁性现象原理图

Co基薄膜（Co-O）

初始态为反铁磁CoO（饱和磁化强度 <10⁻⁷ emu/cm²）。  

施加+3V电压驱动H⁺迁移至Co-O层，CoO被还原为金属Co，薄膜转变为铁磁性。

厚度依赖性：

0.7nm样品：30s时垂直磁各向异性显著（M⊥/M=0.95），90s时总磁化强度M达峰值（7.02×10⁻⁶ emu/cm²），120s后M下降。

1.0nm样品：始终表现为面内磁各向异性，120s时M达峰值（3.64×10⁻⁶ emu/cm²）。

可逆调控：施加-6V电压10min后，M进一步升高（因H⁺反向迁移还原残留CoO）；60min后M降至初始态（Co再氧化）。

CoFe基薄膜（Co₀.₇₈Fe₀.₂₂-O）

初始态为反铁磁氧化物。

+3V电压调控下，H⁺还原氧化物为铁磁相，出现顺磁/铁磁共存态。

厚度依赖性：

0.7nm样品：30s时垂直磁各向异性（M⊥/M=0.90），120s后面内各向异性主导（M∥/M=0.99）。

1.0nm样品：30s时垂直方向顺磁与铁磁共存，120s后完全面内各向异性。

可逆调控：-6V电压10min后M升高（XPS证实Co⁰峰增强）；60min后磁性消失。

CoFeB基薄膜（Co₀.₆Fe₀.₄B-O）

初始态为反铁磁层。

+3V调控下保持良好垂直磁各向异性（0.7nm样品M⊥/M始终>0.93）。

厚度依赖性：

0.7nm样品：60s时M达峰值（1.21×10⁻⁵ emu/cm²）。

1.0nm样品：120s时M达峰值（8.64×10⁻⁶ emu/cm²）并转为面内各向异性。

可逆调控：-6V电压10min后M升高（XPS显示Co⁰占比升至22.81%）；60min后磁性消失。

NiFe基薄膜（Ni₀.₈₈Fe₀.₁₂-O）

初始态为反铁磁氧化物。

+3V调控下，H⁺还原为铁磁层，初期垂直方向出现顺磁/铁磁共存态，后期转为面内各向异性。

厚度依赖性：

1.0nm样品：120s时M达峰值（9.00×10⁻⁶ emu/cm²）。

可逆调控：-6V电压10min后M升高；60min后磁性消失。

研究结果表明，氢离子迁移显著改变了磁性薄膜的磁学性质，且这种调控具有时间依赖性和厚度依赖性。台阶仪的应用为电控磁性材料的研发提供了重要参考，推动了磁性材料在高密度存储和自旋电子学等领域的应用研究。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，其中Flexfilm探针式台阶仪在电场驱动氢离子迁移调控磁性薄膜磁性的研究中发挥着重要作用。通过精确测量薄膜厚度，提供了关键数据支持，揭示了氢离子迁移对不同厚度磁性薄膜磁性的调控规律。

原文参考：《电场驱动氢离子迁移对薄膜磁性的调控》

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