Cr层厚度对Pd/Cr/Co多层膜光学性质的影响

　　本文利用磁控溅射的方法生长不同Cr插层厚度的Pd/Cr/Co多层膜，并利用椭偏仪对多层膜的光学常数进行测量。得到了入射光波长在250nm-850nm范围内多层膜的折射率、反射率、吸收系数以及复介电常数的曲线，在此数据的基础上分析了Cr插层厚度对多层膜光学参数的影响。

　　信息存储技术是所有高科技领域的支柱。计算机的超高密度超大容量的快速存储促进了高科技的发展，而高科技的发展又对计算机的信息存储提出了越来越高的要求。磁光存储兼有磁存储和光存储的优点，主要体现在：记录的信息位磁矩垂直薄膜表面，直径在微米数量级，存储密度高达108bit/cm2以上;采用光学读写头读写，无延迟效应，数据传输率高;光读写头与记录介质间无机械接触，不产生磨损，信噪比高;与硬盘相比，单位存储容量相对成本较低。因此磁光存储将成为传统记录方式的替代方式之一，对其进行基础和应用方面的研究具有重大意义。

　　非晶材料因无晶粒边界而噪声较低，目前计算机系统的磁光盘存储介质主要为非晶的TbFeCo和GdTbFeCo薄膜，它具有较高的垂直各

　　向异性、矫顽力和较低的磁化强度。但是由于材料中含有化学性质不稳定的稀土元素，容易在热磁写入中氧化，其克尔角在短波长处不理想(为了提高材料的记录面密度，需要入射光束的波长从长波移到短波段)，从630nm处的0.35°下降到400nm处的0.15°，导致信噪比降低。解决此问题，可以在TbFeCo膜中掺入Nd元素，掺杂短波段的克尔转角有明显增加，但垂直磁化特性有明显退化，矫顽力减小，影响了实用性。而对于Pd/Co和Pt/Co多层膜，由于具有很强的垂直各向异性、好的矩形回线和短波长区具有较大的克尔角等磁光特性，是作为第二代垂直磁记录介质的最佳选择。它虽是多晶材料，但晶粒尺寸小于0.01μm，信噪比可高达64dB。基于以上这些优点，它是目前较为合适的短波长磁光材料。对其磁学、光学性质的研究是一个重要的课题。本文对Pd/Cr/Co多层膜的光学常数进行了测量，并研究了Cr插层的厚度对多层膜光学性质的影响。

1、实验

　　Pd/Cr/Co多层膜样品是利用磁控溅射法制备于水冷式玻璃衬底片上，溅射过程均由计算机控制。溅射系统的背景真空值小于5×10-5Pa，溅射气氛为高纯Ar气，气压为0.5Pa。首先在玻璃衬底片上溅射沉积一层厚度为40nm的Pd膜作为缓冲层，然后再沉积Pd/Cr/Co多层膜。固定Pd层与Co层的厚度分别为0.8nm和0.24nm，而Cr插层的厚度在0nm~1.13nm之间，生长速率均控制在0.1nm/s，整个多层膜生长20个周期。样品制备完成后，利用椭偏仪对薄膜的光学参数进行测试。

2、结果与讨论

　　Pd/Cr/Co多层膜的的折射率如图1所示，随着入射光的增强，折射率均随着增加。在短波段(波长小于400nm)不同插层厚度的多层膜折射率无明显的差异，但是随着入射光的波长增加，不同Cr插层厚度多层膜的折射率曲线开始分离，在同样的光入射条件下插层厚度越大其折射率越大，且折射率的差异随着入射光的波长增加而增加。在波长为620nm~800nm时折射率的差异趋于稳定。此外，从图1中可以看出插层厚度为0.1nm与0.19nm的折射率曲线几乎重合。

图1 0nm~0.47nm厚度Cr插层的折射率曲线

　　与折射率相反，多层膜的反射率曲线与吸收系数曲线未出现分离的现象，如图2所示。对于反射率R，在长波度段反射率随着Cr插层的厚度的增加而有所下降，而在短波段则相反。另外，从图2(a)中可以看出入射光波长小于600nm时0.1nmCr插层厚度的多层膜反射率最小，入射光波长大于650nm时，0.1nm、0.2nm、0.3nm、0.4nm插层的反射率曲线几乎重合，小于没有插层的，大于0.5nm插层的。对于吸收率κ如图2(b)所示，随着插层的厚度增加吸收率也相应小幅增加，但是没有插入Cr插层的多层膜吸收率在短波段小于有插层的，在长波段反而大于插入插层的多层膜。

图2  0nm~0.47nm厚度Cr插层的(a)反射率与(b)吸收系数曲线

　　多层膜的复介电常数ε=ε1-iε2，ε1为实部为一般所说的介电常数，ε2为虚部为介电损耗系数，对ε1的测量结果如图3所示，多层膜在长波段与短波段ε1呈现相反的特性，在短波段随着Cr插层厚度的增加而下降，而在长波段随着Cr插层厚度的增加而增加。并且在长波段0.1nm~0.37nm厚Cr插层的多层膜的ε1差异很小，但与0nm和0.47nm的差异很大。

图3 0nm~0.47nm厚度Cr插层的复介电常数实部ε1曲线

图40nm~0.47nm厚度Cr插层的复介电常数虚部ε2曲线

　　ε2的测量结果如图4所示，与多层膜的折射率曲线相似，随着入射光波长的增加不同Cr插层厚度的ε2曲线分离越剧烈。并且0.1nm与0.19nm的ε2曲线几乎重合与折射率曲线相同。这是因为折射率n=(εμ)1/2，受多层膜的介电常数ε与磁导率μ所影响。Pd/Cr/Co多层膜折射率n的变化主要是其耗散系数ε2发生了改变。不同Cr插层Pd/Cr/Co多层膜的光学常数的变化，主要原因是引入的第三层Cr增加了Pd/Co界面的粗糙度，使Pd层与Co层隔开，削弱了Pd对Co层的极化作用，改变了多层膜内部的电磁特性致使多层膜的光学性质发生改变。但总的来说，Cr插层厚度的变化对Pd/Cr/Co多层膜在短波段的光学性质影响较小，而对在长波段的光学质有比较显著的影响。

3、结论

　　引入Cr插层到Pd/Co多层膜中，主要的目的是为了改善多层膜的磁光特性。Pd/Cr/Co多层膜随着Cr插层厚度的增加，在不同波段其光学常数n、R、κ、ε表现出不同的变化情况。通过调节Cr的厚度，选取Pd/Cr/Co多层膜合适的光学参数以及入射光，可以有效的优化Pd/Cr/Co多层膜作为磁光存储材料使用时的读写信噪比。