Cr層厚度對Pd/Cr/Co多層膜光學(xué)性質(zhì)的影響

　　本文利用磁控濺射的方法生長(cháng)不同Cr插層厚度的Pd/Cr/Co多層膜，并利用橢偏儀對多層膜的光學(xué)常數進(jìn)行測量。得到了入射光波長(cháng)在250nm-850nm范圍內多層膜的折射率、反射率、吸收系數以及復介電常數的曲線(xiàn)，在此數據的基礎上分析了Cr插層厚度對多層膜光學(xué)參數的影響。

　　信息存儲技術(shù)是所有高科技領(lǐng)域的支柱。計算機的超高密度超大容量的快速存儲促進(jìn)了高科技的發(fā)展，而高科技的發(fā)展又對計算機的信息存儲提出了越來(lái)越高的要求。磁光存儲兼有磁存儲和光存儲的優(yōu)點(diǎn)，主要體現在：記錄的信息位磁矩垂直薄膜表面，直徑在微米數量級，存儲密度高達108bit/cm2以上;采用光學(xué)讀寫(xiě)頭讀寫(xiě)，無(wú)延遲效應，數據傳輸率高;光讀寫(xiě)頭與記錄介質(zhì)間無(wú)機械接觸，不產(chǎn)生磨損，信噪比高;與硬盤(pán)相比，單位存儲容量相對成本較低。因此磁光存儲將成為傳統記錄方式的替代方式之一，對其進(jìn)行基礎和應用方面的研究具有重大意義。

　　非晶材料因無(wú)晶粒邊界而噪聲較低，目前計算機系統的磁光盤(pán)存儲介質(zhì)主要為非晶的TbFeCo和GdTbFeCo薄膜，它具有較高的垂直各

　　向異性、矯頑力和較低的磁化強度。但是由于材料中含有化學(xué)性質(zhì)不穩定的稀土元素，容易在熱磁寫(xiě)入中氧化，其克爾角在短波長(cháng)處不理想(為了提高材料的記錄面密度，需要入射光束的波長(cháng)從長(cháng)波移到短波段)，從630nm處的0.35°下降到400nm處的0.15°，導致信噪比降低。解決此問(wèn)題，可以在TbFeCo膜中摻入Nd元素，摻雜短波段的克爾轉角有明顯增加，但垂直磁化特性有明顯退化，矯頑力減小，影響了實(shí)用性。而對于Pd/Co和Pt/Co多層膜，由于具有很強的垂直各向異性、好的矩形回線(xiàn)和短波長(cháng)區具有較大的克爾角等磁光特性，是作為第二代垂直磁記錄介質(zhì)的最佳選擇。它雖是多晶材料，但晶粒尺寸小于0.01μm，信噪比可高達64dB�；�于以上這些優(yōu)點(diǎn)，它是目前較為合適的短波長(cháng)磁光材料。對其磁學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的研究是一個(gè)重要的課題。本文對Pd/Cr/Co多層膜的光學(xué)常數進(jìn)行了測量，并研究了Cr插層的厚度對多層膜光學(xué)性質(zhì)的影響。

1、實(shí)驗

　　Pd/Cr/Co多層膜樣品是利用磁控濺射法制備于水冷式玻璃襯底片上，濺射過(guò)程均由計算機控制。濺射系統的背景真空值小于5×10-5Pa，濺射氣氛為高純Ar氣，氣壓為0.5Pa。首先在玻璃襯底片上濺射沉積一層厚度為40nm的Pd膜作為緩沖層，然后再沉積Pd/Cr/Co多層膜。固定Pd層與Co層的厚度分別為0.8nm和0.24nm，而Cr插層的厚度在0nm~1.13nm之間，生長(cháng)速率均控制在0.1nm/s，整個(gè)多層膜生長(cháng)20個(gè)周期。樣品制備完成后，利用橢偏儀對薄膜的光學(xué)參數進(jìn)行測試。

2、結果與討論

　　Pd/Cr/Co多層膜的的折射率如圖1所示，隨著(zhù)入射光的增強，折射率均隨著(zhù)增加。在短波段(波長(cháng)小于400nm)不同插層厚度的多層膜折射率無(wú)明顯的差異，但是隨著(zhù)入射光的波長(cháng)增加，不同Cr插層厚度多層膜的折射率曲線(xiàn)開(kāi)始分離，在同樣的光入射條件下插層厚度越大其折射率越大，且折射率的差異隨著(zhù)入射光的波長(cháng)增加而增加。在波長(cháng)為620nm~800nm時(shí)折射率的差異趨于穩定。此外，從圖1中可以看出插層厚度為0.1nm與0.19nm的折射率曲線(xiàn)幾乎重合。

圖1 0nm~0.47nm厚度Cr插層的折射率曲線(xiàn)

　　與折射率相反，多層膜的反射率曲線(xiàn)與吸收系數曲線(xiàn)未出現分離的現象，如圖2所示。對于反射率R，在長(cháng)波度段反射率隨著(zhù)Cr插層的厚度的增加而有所下降，而在短波段則相反。另外，從圖2(a)中可以看出入射光波長(cháng)小于600nm時(shí)0.1nmCr插層厚度的多層膜反射率最小，入射光波長(cháng)大于650nm時(shí)，0.1nm、0.2nm、0.3nm、0.4nm插層的反射率曲線(xiàn)幾乎重合，小于沒(méi)有插層的，大于0.5nm插層的。對于吸收率κ如圖2(b)所示，隨著(zhù)插層的厚度增加吸收率也相應小幅增加，但是沒(méi)有插入Cr插層的多層膜吸收率在短波段小于有插層的，在長(cháng)波段反而大于插入插層的多層膜。

圖2  0nm~0.47nm厚度Cr插層的(a)反射率與(b)吸收系數曲線(xiàn)

　　多層膜的復介電常數ε=ε1-iε2，ε1為實(shí)部為一般所說(shuō)的介電常數，ε2為虛部為介電損耗系數，對ε1的測量結果如圖3所示，多層膜在長(cháng)波段與短波段ε1呈現相反的特性，在短波段隨著(zhù)Cr插層厚度的增加而下降，而在長(cháng)波段隨著(zhù)Cr插層厚度的增加而增加。并且在長(cháng)波段0.1nm~0.37nm厚Cr插層的多層膜的ε1差異很小，但與0nm和0.47nm的差異很大。

圖3 0nm~0.47nm厚度Cr插層的復介電常數實(shí)部ε1曲線(xiàn)

圖40nm~0.47nm厚度Cr插層的復介電常數虛部ε2曲線(xiàn)

　　ε2的測量結果如圖4所示，與多層膜的折射率曲線(xiàn)相似，隨著(zhù)入射光波長(cháng)的增加不同Cr插層厚度的ε2曲線(xiàn)分離越劇烈。并且0.1nm與0.19nm的ε2曲線(xiàn)幾乎重合與折射率曲線(xiàn)相同。這是因為折射率n=(εμ)1/2，受多層膜的介電常數ε與磁導率μ所影響。Pd/Cr/Co多層膜折射率n的變化主要是其耗散系數ε2發(fā)生了改變。不同Cr插層Pd/Cr/Co多層膜的光學(xué)常數的變化，主要原因是引入的第三層Cr增加了Pd/Co界面的粗糙度，使Pd層與Co層隔開(kāi)，削弱了Pd對Co層的極化作用，改變了多層膜內部的電磁特性致使多層膜的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。但總的來(lái)說(shuō)，Cr插層厚度的變化對Pd/Cr/Co多層膜在短波段的光學(xué)性質(zhì)影響較小，而對在長(cháng)波段的光學(xué)質(zhì)有比較顯著(zhù)的影響。

3、結論

　　引入Cr插層到Pd/Co多層膜中，主要的目的是為了改善多層膜的磁光特性。Pd/Cr/Co多層膜隨著(zhù)Cr插層厚度的增加，在不同波段其光學(xué)常數n、R、κ、ε表現出不同的變化情況。通過(guò)調節Cr的厚度，選取Pd/Cr/Co多層膜合適的光學(xué)參數以及入射光，可以有效的優(yōu)化Pd/Cr/Co多層膜作為磁光存儲材料使用時(shí)的讀寫(xiě)信噪比。