[论文解读] Direct writing of CoFe alloy nanostructures by focused electron beam induced deposition from a heteronuclear precursor

Fabrizio Porrati, Merlin Pohlit+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2015

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 11被引用 3

一句话总结

本研究通过使用单一异核前驱体 HFeCo₃(CO)₁₂，实现了钴铁合金磁性纳米结构的直接制备。该方法可获得高达 84 at% 金属含量的沉积物（约 80 at% CoFe 相），并在 250 K 以下保持铁磁性，从而实现了用于自旋电子学应用的高分辨率、直接写入式功能磁性纳米结构。

ABSTRACT

Recently, focused electron beam induced deposition has been employed to prepare functional magnetic nanostructures with potential in nanomagnetic logic and sensing applications by using homonuclear precursor gases like Fe(CO)5 or Co2(CO)8. Here we show that an extension towards the fabrication of bi-metallic compounds is possible by using a single-source heteronuclear precursor gas. We have grown CoFe alloy magnetic nanostructures from the HFeCo3(CO)12 metal carbonyl precursor. The compositional analysis indicate that the samples contain about 80 at% of metal and 10 at% of carbon and oxygen. Four-probe magnetotransport measurements are carried out on nanowires of various sizes down to a width of 50 nm, for which the room temperature resistivity of 43~$μΩ$cm is found. Micro-Hall magnetometry reveals that 50~nm$ imes$250~nm nanobars of the material are ferromagnetic up to the highest measured temperature of 250 K. Finally, the TEM microstructural investigation shows that the deposits consist of a bcc Co-Fe phase mixed with a FeCo2O4 spinel oxide phase with nanograins of about 5 nm diameter.

研究动机与目标

• 开发一种利用单一前驱体实现双金属磁性纳米结构直接写入的方法。
• 克服 FEBID 中双前驱体气体系统存在的成分控制差和金属含量低的局限性。
• 通过异核羰基前驱体实现 CoFe 合金纳米结构的高金属含量与可重复的成分控制。
• 表征所制备纳米结构的磁性、电学及显微结构特性，以适用于自旋电子学应用。

提出的方法

• 采用异核前驱体 HFeCo₃(CO)₁₂ 进行 FEBID，实现单一分子源中 Co 与 Fe 的同步沉积。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）进行电子束光栅扫描，诱导前驱体分解并实现纳米结构生长。
• 对宽度低至 50 nm 的纳米线进行四探针磁阻测量，以评估其电导率。
• 对 50 nm × 250 nm 的纳米条带进行微霍尔磁测量，以评估其在高达 250 K 时的铁磁行为。
• 采用透射电子显微镜（TEM）和能谱分析（EDX）进行相组成与成分分析。
• 采用 Pt-C FEBID 对样品进行保护，以实现 TEM 制备过程中的可控结晶，用于显微结构分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一异核前驱体是否可实现通过 FEBID 高金属含量地直接制备 CoFe 合金纳米结构？
• RQ2 FEBID 生长的 CoFe 纳米结构的磁性行为如何？铁磁性在多高温度下仍能保持？
• RQ3 沉积物中存在哪些显微结构相？金属 Co-Fe 与氧化物相的相对丰度如何？
• RQ4 纳米结构的元素组成与电阻率如何随电子束参数和几何形状变化？
• RQ5 微霍尔磁测量中观察到的特征性蜂腰形磁滞回线是由什么引起的？

主要发现

• 采用 HFeCo₃(CO)₁₂ 的 FEBID 工艺制备的 CoFe 合金纳米结构金属含量高达 84 at%，显著高于典型双前驱体 FEBID 沉积物。
• 成分分析显示金属含量约为 80 at%（Co:Fe 比例为 3:1），碳含量约 10 at%，氧含量约 10 at%，表明存在体心立方（bcc）Co-Fe 相与 FeCo₂O₄ 尖晶石氧化物相的混合结构。
• 四探针测量显示 50 nm 宽纳米线在室温下电阻率为 43 μΩ·cm，表明其具有金属性行为。
• 微霍尔磁测量证实 50 nm × 250 nm 纳米条带在高达 250 K 时仍保持铁磁有序，且呈现特征性蜂腰形磁滞回线。
• TEM 分析识别出纳米晶态体心立方（bcc）Co-Fe 相（主要相，占金属总量约 72.5 at%）和少量 FeCo₂O₄ 尖晶石氧化物相（占金属总量约 7.5 at%），晶粒尺寸约为 5 nm。
• 蜂腰形磁滞回线归因于材料多相特性和受限几何结构中亚稳态磁态共同作用的复杂磁畴反转机制。