穆斯堡尔谱用于磁性多层膜研究

　　1958年德国物理学家穆斯堡尔首先发现了“无反冲γ反射和共振吸收”效应。随后发现有80多种核素(如⁵⁷Fe,¹¹⁹Sn等)处在晶格位置上所反射的γ光子,因无反冲能量损失,能被另一样品内的同种核素所共振吸收(绝大多数核需要低温条件)。通过测量和分析某一慢速运动源的共振吸收(或散射)谱,可以了解原子核所在处电磁场的情况。这种方法具有极高的分辨率,已在多个领域获得广泛应用;相对论预言的引力频移也是用穆斯堡尔效应证实的。在当今研究发展微观无损检测技术过程中,穆斯堡尔谱被认为是一种重要的技术手段。

　　该技术探测对象是材料中的核磁共振,⁵⁷Fe或钢中的磁畴极化应用范围是识别试件中铁、不锈钢上的铁膜、钢中残留奥氏体,确定钢表面氮化层及因铁磁材料中的错位产生的畴扰等,尤其对⁵⁷Fe的原子核外层提供唯一的信息。其局限性是有辐射危害,需要训练操作人员,并且所使用的精密仪器是一种非便携设备。

　　1　基本原理

　　原子的共振吸收是一种物理现象,即光子能量若为原子中某能级上电子间能量差,则光子就会被电子吸收,此后该电子便由原来的能量跃迁到较高的能级上去。穆斯堡尔效应也是一种能量的共振吸收,原子核能级差比较大,一般为几万或几十万电子伏,例如⁵⁷Fe产生14.4 keV的γ射线能量。将发射和吸收γ光子的原子核置入固体晶格,于是原子核在反射和吸收γ射线时在不同程度上要牵动整个晶格,反冲动能会比自由原子核大大减小,使得部分这样的发射和吸收实际上没有反冲能量损失。

　　由于在铁/铬多层膜中发现巨磁阻(Giant Mag-neto Resistance,GMR)效应,在许多种类的多层膜和超晶格中观察到了反铁磁耦合和GMR效应,并发现了磁性耦合常数不仅随非磁性层厚度变化,而且随磁性厚度作周期性的衰减振荡^[1]。缘由是磁层/非磁层(M/NM)的界面散射所引起的自旋极化电子穿越非磁层并在磁性薄膜间的传播。交换耦合和巨磁阻效应理论的焦点在与界面的粗糙度引起的电子自旋相关散射。因此,在研究固体材料的电子结构、晶体结构、磁性、相变和缺陷等方面,穆斯堡尔谱提供了有效的方法。

　　1.1　不同M,NM层厚度的TMS和CEMS

　　采用透射穆谱(TMS)和内转换电子穆谱(CEMS)技术,加工不同M,NM厚度的[M/NM]n多层膜,并测量其TMS或CEMS,经计算机拟合可以确定各磁相谱的磁性、面积比及其对应的来源界面(界面M或NM层)。通过分析各子谱的磁特性和面积百分比随M,NM层厚度的变化关系,从而确定界层、M层和NM层的结构和磁性质^[2]。