通过退火和衬底工程调整Co₈₀La₂₀薄膜的多功能性质，以应用于先进的自旋电子学和光电子学领域

纳米结构钴镧（Co80La20）薄膜通过直流磁控溅射制备并经100-300℃退火，发现退火温度与基底类型协同调控了薄膜的结晶度、磁畴排列、机械硬度及电导率，其中硅基底薄膜经300℃退火后硬度达13.87 GPa，磁各向异性增强，电导率提升。

林士宏|张永煌|陈元宗|廖宇杰|郑云生|张黄伟

台湾云林科技大学电子工程系，大学路123号3段，斗六，云林64002

摘要

纳米结构的钴镧（Co₈₀La₂₀）薄膜厚度为10–50纳米，通过直流（DC）磁控溅射法沉积在玻璃和硅（Si）（100）衬底上，随后在100、200和300°C下进行退火处理。通过X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）的结构分析显示，退火后晶粒生长得到改善，表面粗糙度增加。磁力显微镜（MFM）观察到磁畴从分散状态转变为排列整齐的条状结构，这与平面内磁各向异性增强有关。磁性能测试证实薄膜具有软磁特性，退火后矫顽力（Hc）降低，剩磁（Mr）增加。力学测量表明硬度和杨氏模量显著提高，这归因于晶界强化和缺陷减少。光学透射率随薄膜厚度（t_f）和表面粗糙度的增加而降低，这是由于散射增强；尽管退火后载流子浓度略有下降，但电导率因载流子迁移率提高和电阻率降低而得到改善。本研究强调了退火温度（T_A）和衬底结晶度对Co₈₀La₂₀薄膜结构、磁性能、力学性能、光学性能和电性能调节的协同作用。这些发现表明该薄膜在多功能应用（包括柔性自旋电子器件、磁传感器和透明导电薄膜）方面具有巨大潜力。

引言

磁性薄膜在下一代自旋电子器件、磁传感器和磁阻系统中发挥着关键作用，因为它们具有可调的磁性能、高灵敏度和热稳定性[[1], [2], [3]]。实现低矫顽力（Hc）和高磁导率（μ）对于确保在外加弱磁场下的快速稳定磁响应至关重要。在各种材料中，基于钴（Co）的合金因其优异的平面内软磁性质、稳定的磁畴结构和强大的热耐久性而受到广泛关注[[4], [5]]。这些特性使它们能够集成到微机电系统（MEMS）、磁传感器和非破坏性检测设备中。磁性薄膜的性能与沉积方法、薄膜厚度（t_f）、退火条件和衬底类型等工艺参数密切相关[[6], [7], [8]]。特别是稀土（RE）-过渡金属（TM）合金展现了良好的性能，包括低矫顽力（Hc）、可调的磁各向异性和增强的微观结构稳定性[[9], [10], [11]]。稀土元素的加入改变了电子结构和磁交换作用，从而提高了磁畴壁的迁移率和热稳定性。镧（La）是一种轻稀土元素，其4f电子壳层部分填充，具有高磁矩、低热膨胀率和良好的热导率。La通过与Co的4f-3d杂化影响磁性；尽管La³⁺由于其4f壳层为空而磁性强弱，但其掺入可以改变交换耦合和电子结构，从而增强钴镧（CoLa）合金的磁各向异性、软磁性和稳定性。最近对含镧化合物（如五钴镧（LaCo₅）、五镍镧（LaNi₅）和镧铁硅化物（LaFe_13-xSi_x）的研究揭示了它们在磁制冷、能量存储和磁电应用中的潜力[[12], [13]]。La的添加还改善了薄膜的结构和磁性能，增强了La-Co替代铁氧体（La_0.8Ce_0.2MnO₃）薄膜的各向异性，并细化了掺镧氧化钨镍铜（W-Ni-Cu）合金（La₂O₃）的微观结构[[14], [15], [16]]。这些结果突显了La在调节金属系统微观结构和功能行为方面的多方面作用。此外，最近对Co-La薄膜的研究表明它们具有多种功能潜力。例如，La₂CoO₄±x薄膜表现出超高温铁磁性，为高温自旋电子器件提供了可能性[17]；Co-La掺杂的ZnO薄膜显示出改进的结构和光电性能，而Co-La掺杂的α-Fe₂O₃薄膜则表现出可调的结构、磁性和光学性能，表明它们适用于自旋电子和光电系统[[18], [19]]。这些发现强调了Co-La薄膜作为先进功能材料的多功能性。最近关于Co-La薄膜的研究主要集中在可调光学性能和由于掺杂缺陷或相工程引起的中等磁性上。相比之下，本研究中的金属Co₈₀La₂₀薄膜表现出显著更高的电导率、更好的机械硬度和更强的磁畴排列[19]。此外，对LaNi_5-xM_x（M = Al, Co）合金的X射线光电子能谱（XPS）研究表明，La的掺入对电子结构有类似的影响，为理解薄膜的磁性和电子行为提供了对比基础[20]。这些比较突显了金属基和氧化物基Co-La系统的不同但互补的特性，并表明衬底依赖的退火是实现柔性自旋电子、磁传感和透明电子应用多功能优化的有效途径。 一氧化碳（CO）是一种常见的环境污染物，催化氧化是去除它的最可行方法之一。贵金属催化剂效果显著，但由于稀缺性和CO中毒问题而受到限制[21]。基于过渡金属的氧化物，尤其是含La的氧化物和Co掺杂氧化物，在CO氧化方面具有很高潜力[22]。混合Co-La合金主要被用于催化研究，表现出较大的表面积、更好的热稳定性和增强的电子性能[[21], [22]]。然而，它们的磁性能和多功能薄膜应用仍很大程度上未得到探索，因此系统研究它们的磁性能、机械性能和其他关键物理性质具有重要意义。选择Co₈₀La₂₀组合是为了结合Co的磁性和电子功能以及La的结构稳定性[23]。选择10-50纳米的薄膜厚度以实现纳米结构化、连续覆盖，并系统研究厚度依赖的性能（如磁各向异性、磁畴结构和电导率[24]。通过控制成分和厚度，本研究探讨了Co₈₀La₂₀薄膜的结构-成分-性能关系，旨在将催化研究和磁薄膜应用联系起来，为催化、自旋电子学和电子学领域的研究提供依据。在本研究中，Co₈₀La₂₀薄膜通过直流（DC）磁控溅射法沉积在非晶玻璃和晶态硅（Si）（100）衬底上，探索了厚度（t_f从10纳米到50纳米）和退火温度（T_A在100°C到300°C范围内的综合效应。非晶玻璃衬底提供非晶表面，导致随机晶粒取向和较高的残余应力，而Si（100）则促进晶粒有序生长和载流子传输[[25], [26], [27], [28]]。沉积后的退火用于缓解内部应力并促进原子扩散，这促进了晶粒聚合，从而影响了磁性和机械性能。尽管对Co-RE合金进行了大量研究，但对Co₈₀La₂₀薄膜中退火引起的磁畴结构、微观结构和机械响应之间的关联仍缺乏全面理解。此外，纳米级机械硬度与磁畴演变之间的关系也鲜有研究。为填补这一空白，本研究系统探讨了T_A对Co₈₀La₂₀薄膜表面形貌、磁畴排列和机械性能的影响。通过结合磁畴成像和纳米压痕分析，我们提供了关于Co₈₀La₂₀薄膜热诱导可调性和稳定性的见解，为其在自旋电子、柔性器件和磁阻器件中的应用提供了指导。

溅射和退火条件

厚度在10纳米到50纳米之间的Co₈₀La₂₀薄膜使用配备3英寸Co₈₀La₂₀合金靶材（纯度99.9%）的直流磁控溅射系统沉积在1×1厘米²的Si（100）和玻璃衬底上。衬底清洗是确保薄膜质量和均匀性的关键步骤。沉积前，衬底依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，每个清洗步骤都使用超声波清洗器进行5分钟。

XRD结构和元素组成分析

图1(a)和1(b)显示了在不同温度（T_A）下退火的50纳米Co₈₀La₂₀薄膜在玻璃和Si（100）衬底上的X射线衍射（XRD）图案。在沉积状态下，仅在2θ ≈ 44.52°和46.98°处观察到两个弱且宽的衍射峰，对应于面心立方（FCC）Co(111)和Co(200)晶面。这些峰的强度低且宽度大，表明薄膜主要为非晶结构。

结论

本研究系统阐明了T_A和衬底类型对Co₈₀La₂₀薄膜多功能性能的影响。XRD证实退火促进了晶粒生长，表面粗糙度从0.27纳米增加到0.93纳米，这与Thornton模型的预测一致。机械性能显著提高，300°C退火后Si衬底上的硬度达到13.87 GPa，杨氏模量达到271 GPa。

作者贡献

S.-H.L.、Y.-H.C.和Y.-T.C.负责方法学设计；Y.-T.C.、Y.-H.C.、Y.-C.L.、Y.-S.Z.和H.-W.C.负责数据分析；Y.-T.C.和Y.-C.L.负责正式分析；Y.-T.C.负责实验调查；Y.-T.C.负责资源协调；Y.-T.C.和S.-H.L.负责初稿撰写和审稿编辑；Y.-T.C.和Y.-H.C.负责项目管理和监督；Y.-T.C.负责资金获取。所有作者均阅读并同意发表的手稿版本。

CRediT作者贡献声明

林士宏：撰写——审稿与编辑，项目管理，概念构思。 张永煌：监督，方法学设计，资金获取，概念构思。 陈元宗：撰写——审稿与编辑，初稿撰写，验证，监督，项目管理，方法学设计，实验调查，正式分析，概念构思。 廖宇杰：方法学设计，正式分析。 郑云生：方法学设计，正式分析。 张黄伟：方法学设计，正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家科学技术委员会（NSTC）的资助（项目编号：NSTC 114-2622-E-224 -017），以及云林科技大学的资助（项目编号：115T01）。作者还感谢SHIHSIN TECHNOLOGY CO., LTD在薄膜溅射沉积和热处理方面的宝贵技术支持和实验协助。本研究是大学与产业合作的成果。