磁场下电沉积制备Co-Pt-P 磁性薄膜

金 震， 李铭钢， 曹 颖， 孟祥凤， 卫国英

（中国计量学院 材料科学与工程学院，浙江 杭州310018）

0 前言

研究发现［1-2］：Co-Pt合金薄膜具有强烈的垂直磁晶各向异性与高矫顽力，被广泛用于磁记录材料及微电子系统（MEMS）。制备Co-Pt薄膜的方法有磁控溅射、化学气相沉积、化学沉积及电化学沉积等。其中电化学沉积法是一种简单易行且成本低廉的生产技术。但电沉积制备也存在薄膜取向性较差、杂相多等不可忽视的缺点。最近的研究表明：通过外加磁场可有效调节磁性薄膜的结晶取向，提高薄膜的磁晶各向异性。目前普遍认为材料在电磁场作用下受到的电磁力以洛伦兹力和磁化力为主。磁场的施加会对电镀过程产生如下影响：（1）洛伦兹力所引起的磁流体力学（MHD）效应；（2）磁化力的作用［3-4］；（3）影响化学反应［5］；（4）影响溶液的物理化学性能［6］；（5）影响电极表面的电流分布。

本文主要研究磁场的方向和强度对电沉积Co-Pt-P磁性薄膜性能的影响。

1 实验

1.1 电沉积Co-Pt-P磁性薄膜

采用尺寸为2cm×5cm 的黄铜片作为基底。首先用MP-1A 型抛光机打磨黄铜片，除去其表面的污渍；抛光后，将带有油污的黄铜片放入乙醇和丙酮的混合液中去油；最后进行弱浸蚀，用去离子水将处理好的黄铜片冲洗干净，烘干待镀。

镀液配方及工艺条件为：Co（NH2SO3）20.1 mol／L，Pt（NH3）2（NO2）20.01 mol／L，Na2H2PO2·H2O 0.06 mol／L，（NH4）2C2H6O70.2 mol／L，NH2CH2COOH 0.1 mol／L，pH值8，0～0.5 T，0.06～0.10A，0.5h。

1.2 测试方法

采用XRD 测试Co-Pt-P 磁性薄膜的结构。采用振动样品磁强计（VSM）测试Co-Pt-P 磁性薄膜的磁性能，根据磁滞回线确定薄膜的矫顽力及比饱和磁化强度。采用扫描电子显微镜（SEM）测试薄膜的表面形貌。采用能谱仪（EDS）测定合金的成分。采用台阶测厚仪测试薄膜的厚度。

2 结果与讨论

2.1 电流的影响

图1为不同电流下所得Co-Pt-P磁性薄膜的表面形貌。从图1中可以看出：随着电流的增大，薄膜表面的气孔减小，孔隙率降低；当电流为0.08A 时，薄膜表面的微粒较致密，几乎不见气孔；电流继续增大时，晶粒较小。这是由于电流过大，反应速率快，晶粒没有足够的生长时间，导致薄膜表面的微粒细小。在电流较小的情况下，镀覆速率较慢，主要是氢气的析出，表面容易产生孔洞。

图1 不同电流下所得Co-Pt-P薄膜的SEM图

图2为样品的矫顽力与电流的关系图。从图2中可以发现：随着电流的增大，膜层的矫顽力呈现出先增大后减小的趋势。当电流为0.08A 时，膜层的矫顽力最大。

图2 不同电流下所得Co-Pt-P薄膜的VSM图

2.2 温度的影响

温度变化对速率常数的影响非常大。根据范特霍夫公式，温度越高，反应速率越快。按此理论应是温度越高，薄膜越厚。但实验发现并非如此。过高的温度使得析氢作用明显，薄膜表面有较多气孔和裂纹。同时，温度越高，速率越快，薄膜晶粒由于没有足够的生长时间，微粒细小。低温下容易生长出晶粒粗大的膜层。

图3为不同温度下所得Co-Pt-P 薄膜的XRD图。从图3中可以发现：Co（002）方向是样品的主要衍射峰。随着温度的升高，Co（002）方向衍射的强度逐渐降低。这是由于高温下膜层表面晶粒细小，结晶度变差，导致衍射峰Co（002）的强度下降。

2.3 磁场强度的影响

在电沉积过程中外加一垂直于电场方向的磁场，所得薄膜的XRD图，如图4所示。从图4中可以看出：在2θ=50°处出现了Cu（111）面的最强衍射峰，另外一个基底Cu（220）面的衍射峰出现在2θ=75°处。而且，2θ=44.5°处出现了（002）面上的衍射峰。经过卡片对照发现为六方钴（ε-Co）。从不同磁场下的XRD图谱中可以看出：随着磁场强度的增大，Co（002）方向衍射峰的强度逐渐增大，膜层有了很好的（002）方向的择优取向。这主要是由于钴是铁磁性微粒，在磁场作用下受到磁化力的作用，更容易沿着易磁化方向（002）生长。

图3 不同温度下所得Co-Pt-P薄膜的XRD图

图4 垂直磁场作用下薄膜的XRD图

图5 垂直磁场条件下电沉积Co-Pt-P薄膜的VSM图

图5为磁场强度对Co-Pt-P磁性薄膜磁滞回线的影响。从图5中可以看出：当磁场强度为0.5T时，比饱和磁化强度最大。这是由于磁场作用下洛伦兹力产生的磁对流效应及磁化力的作用，可以起到减薄双电层和提高钴的质量分数的作用。镀层中钴的质量分数的提高，有利于提高膜层的比饱和磁化强度。

3 结论

（1）在电沉积制备Co-Pt-P 磁性薄膜的过程中，随着电流增大，温度升高，镀速均会有不同程度的增大。但电流过大或温度过高都会影响薄膜的表面形貌和磁性能。随着电流的增大，薄膜表面的气孔减小，孔隙率降低。电流为0.08A 时所得薄膜表面的微粒较致密，几乎不见气孔，且样品可以达到最大的矫顽力。

（2）施加垂直于电场方向的磁场，可以产生洛伦兹力和场梯度力。随着外加磁场强度的增大，镀速显著提高。当磁场强度为0.5T 时，镀层中钴离子会比铂离子提前到达阴极表面发生氧化还原反应，使得镀层中钴的质量分数增加，从而提高镀层的比饱和磁化强度。Co-Pt-P薄膜在磁场作用下能够出现良好的（002）方向的择优取向。

［1］陈文纳.磁场影响化学反应研究概述［J］.广西梧州师范高等专科学校学报，1998，14（3）：57-60.

［2］汤永新，李寒旭，葛琦.电磁场对水煤浆性能的影响［J］.煤炭科学技术，2000，28（12）：30-31.

［3］高诚辉，周白杨，黄水兴.外加磁场镀铁槽内电磁特性研究［J］.电镀与环保，1990，20（3）：8-11.

［4］吴辉煌.应用电化学基础［M］.厦门：厦门大学出版社，2006：57-58.

［5］KHATRI M S， SCHLORB H， FAHLER S，etal.Electrodeposition of Co-Pt continuous films and nanowires within diblock copolymer template［J］.Electrochimica Acta，2009，54（9）：2 536-2 539.

［6］DECORPS T，HAUMESSER P H，OLIVIER S，etal.Electroless deposition of CoWP：Material characterization and process optimization on 300 mm wafers［J］.Microelectronic Engineering，2006，83（11）：2 082-2 087.