Abstract We studied the magnetization (Ms) of 60 nm thick polycrystalline Fe4N thin films deposited using reactive dc magnetron sputtering. The optimum substrate temperature (Ts) to grow an stoichiometric Fe4N phase is about 673 K, in agreement with earlier works. However, at this Ts, we found that significant intermixing is taking place at the substrate-film interface, affecting the Ms of Fe4N film, adversely. We performed secondary ion mass spectroscopy (SIMS) measurements to extract the extent of such intermixing. It was found that Si from the SiO2 substrate get interdiffused into Fe4N film forming an undesired interface extending up to almost half of the film. As a result, the average Ms of Fe4N film get reduced by about 25% as compared to its theoretical value. To prohibit such intermixing, we placed thin layers of Ag, Cu, or CrN as a buffer layer between the substrate and Fe4N film. Such buffer layer suppress the extent of interdiffusion remarkably. From SIMS measurements, we found that among all buffer layers, CrN is most suitable as it reduces the extent of intermixing to a minimum level. Magnetization measurements performed using bulk magnetization and polarized neutron reflectivity (PNR) methods also clearly revealed that the Ms was the highest when CrN buffer layer was used. From these results, it becomes apparent that the intermixing taking place at the substrate-film interface plays a vital role in affecting the Ms of Fe4N thin films. To further suppress such intermixing an attempt was also made to bring down the Ts from 673 to 523 K. Obtained results are presented and discussed in this work.

中文翻译：

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Fe4N 薄膜的磁化：使用缓冲层抑制界面混合

摘要 我们研究了使用反应直流磁控溅射沉积的 60 nm 厚多晶 Fe4N 薄膜的磁化强度 (Ms)。生长化学计量 Fe4N 相的最佳衬底温度 (Ts) 约为 673 K，与早期工作一致。然而，在这个 Ts 处，我们发现在基底 - 薄膜界面发生了显着的混合，对 Fe4N 薄膜的 Ms 产生不利影响。我们进行了二次离子质谱 (SIMS) 测量以提取这种混合的程度。发现来自 SiO2 衬底的 Si 相互扩散到 Fe4N 膜中，形成一个不希望有的界面，延伸到几乎一半的膜。结果，与其理论值相比，Fe4N薄膜的平均Ms降低了约25%。为了防止这种混合，我们放置了薄层 Ag、Cu、或 CrN 作为衬底和 Fe4N 薄膜之间的缓冲层。这种缓冲层显着地抑制了相互扩散的程度。从 SIMS 测量中，我们发现在所有缓冲层中，CrN 是最合适的，因为它将混合程度降低到最低水平。使用体磁化和极化中子反射率 (PNR) 方法进行的磁化测量也清楚地表明，当使用 CrN 缓冲层时，Ms 最高。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。这种缓冲层显着地抑制了相互扩散的程度。从 SIMS 测量中，我们发现在所有缓冲层中，CrN 是最合适的，因为它将混合程度降低到最低水平。使用体磁化和极化中子反射率 (PNR) 方法进行的磁化测量也清楚地表明，当使用 CrN 缓冲层时，Ms 最高。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。这种缓冲层显着地抑制了相互扩散的程度。从 SIMS 测量中，我们发现在所有缓冲层中，CrN 是最合适的，因为它将混合程度降低到最低水平。使用体磁化和极化中子反射率 (PNR) 方法进行的磁化测量也清楚地表明，当使用 CrN 缓冲层时，Ms 最高。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。CrN 是最合适的，因为它将混合程度降低到最低水平。使用体磁化和极化中子反射率 (PNR) 方法进行的磁化测量也清楚地表明，当使用 CrN 缓冲层时，Ms 最高。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。CrN 是最合适的，因为它将混合程度降低到最低水平。使用体磁化和极化中子反射率 (PNR) 方法进行的磁化测量也清楚地表明，当使用 CrN 缓冲层时，Ms 最高。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。从这些结果中，很明显发生在基底 - 薄膜界面的混合在影响 Fe4N 薄膜的 Ms 方面起着至关重要的作用。为了进一步抑制这种混合，还尝试将 Ts 从 673 降低到 523 K。在这项工作中介绍和讨论了获得的结果。