強(qiáng)磁場(chǎng)下物理氣相沉積Fe-Ni納米晶薄膜微觀結(jié)構(gòu)演化及其對(duì)磁性能的影響.pdf

1、Fe-Ni納米晶薄膜材料由于具有高飽和磁化強(qiáng)度、低矯頑力、低磁滯損耗及高的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于磁頭、磁傳感器、變壓器及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等領(lǐng)域。強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)有磁物質(zhì)和非磁性物質(zhì)的磁化力作用和洛侖茲力作用等，可以改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高其性能。這些作用不僅影響沉積過(guò)程中蒸發(fā)原子或原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速率，也影響吸附原子或原子團(tuán)在薄膜表面的擴(kuò)散遷移行為，從而改變薄膜的形貌及表面粗糙度等。明確強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)納米級(jí)別顆粒的微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響

2、機(jī)理，對(duì)納米材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新功能材料的開(kāi)發(fā)具有重大意義。為了提高Fe-Ni納米晶軟磁材料性能，本論文選擇高真空環(huán)境的物理氣相沉積技術(shù)與強(qiáng)磁場(chǎng)相結(jié)合，沿垂直于基片方向施加強(qiáng)磁場(chǎng)。高真空的方法可以防止薄膜的雜質(zhì)在材料磁化時(shí)的釘扎效應(yīng)對(duì)軟磁性能的影響，另外，強(qiáng)磁場(chǎng)的效應(yīng)不但可以減小薄膜的面內(nèi)磁各向異性還可以改變薄膜的相組成、表面形貌和結(jié)晶度等。因此，通過(guò)本論文的研究可以達(dá)到利用強(qiáng)磁場(chǎng)控制納米晶薄膜微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的目的。
　　考慮物理

3、氣相沉積技術(shù)和強(qiáng)磁場(chǎng)作用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，本論文對(duì)Fe-Ni納米晶薄膜進(jìn)行了多系列的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)改變基片溫度、薄膜成分、磁感應(yīng)強(qiáng)度、薄膜厚度等，考察了強(qiáng)磁場(chǎng)作用下薄膜的微觀結(jié)構(gòu)演變及磁性能與電性能的變化，并且討論了薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　(1)研究了有無(wú)6T強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)不同基片溫度下物理氣相沉積法制備的Fe60Ni40和Fe55Ni45納米晶薄膜的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同基片溫度下，

4、6T磁場(chǎng)都可以細(xì)化Fe60Ni40與Fe55Ni45納米晶薄膜的晶粒，使得晶粒尺寸分布范圍變窄。在基片溫度為25℃時(shí)，6T磁場(chǎng)可以顯著提高Fe60Ni40與Fe55Ni45納米晶薄膜的軟磁性能。在基片溫度為400℃時(shí)，6T磁場(chǎng)略微地提高了Fe60Ni40納米晶薄膜的軟磁性能，而6T磁場(chǎng)對(duì)于Fe55Ni45納米晶薄膜的軟磁性能不但沒(méi)有提高，反而性能降低。6T磁場(chǎng)也提高了Fe60Ni40與Fe55Ni45納米晶薄膜的矩形比。強(qiáng)磁場(chǎng)與基片溫度

5、能顯著地影響薄膜的生長(zhǎng)，但是基片溫度必須低于薄膜的居里溫度。
　　(2)在基片溫度為25℃時(shí)，利用物理氣相沉積和強(qiáng)磁場(chǎng)相結(jié)合制備了不同成分的FexNi1-x(x=0.74，0.6，0.55，0.3)薄膜。研究了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)不同成分薄膜微觀結(jié)構(gòu)和軟磁性能的影響。在6T強(qiáng)磁場(chǎng)下，F(xiàn)exNi1-x(x=0.74，0.6)薄膜的結(jié)晶度提高。對(duì)于FexNi1-x(x=0.55，0.3)薄膜，在6T磁場(chǎng)作用下，γ<111>取向增加，晶粒得到細(xì)化，

6、缺陷數(shù)量減少，而且晶粒尺寸分布變窄。FexNi1-x(x=0.74，0.6，0.55，0.3)薄膜面內(nèi)磁各向異性在垂直于基片方向的6T磁場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槊鎯?nèi)磁各向同性，薄膜面內(nèi)和面外的軟磁性能得到了提高。另外，在6T磁場(chǎng)作用下所有薄膜的電阻率減小。
　　(3)研究了不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)在25℃溫度的基片上生長(zhǎng)的Fe30Ni70與Fe64Ni36納米晶薄膜微觀結(jié)構(gòu)和軟磁性能的影響。由于Fe30Ni70(γ相)與Fe64Ni36(α相)納米

7、晶薄膜相組成的不同，導(dǎo)致不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)它們的作用效果有所差異。研究結(jié)果表明磁場(chǎng)提高了原子的有序排列，減少了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，晶粒的合并長(zhǎng)大受到抑制，晶粒得到細(xì)化，晶粒尺寸的分布范圍變窄。薄膜的軟磁性能相對(duì)于0T樣品有所提高，而且磁感應(yīng)強(qiáng)度在小于等于1T時(shí)，納米晶薄膜均獲得最大的矩形比。但是，F(xiàn)e30Ni70納米晶薄膜在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下均由γ單相組成。Fe64Ni36納米晶薄膜在0T與3T時(shí)是α相，而在6T時(shí)出現(xiàn)了α與

8、γ相混合。Fe30Ni70納米晶薄膜在6T時(shí)獲得面內(nèi)最佳的軟磁性能，而Fe64Ni36納米晶薄膜在3T時(shí)獲得面內(nèi)最佳的軟磁性能，這是因?yàn)樵?T磁場(chǎng)作用下，生成的少量γ相在薄膜磁化過(guò)程中起到了釘扎作用，降低了薄膜的軟磁性能。
　　(4)考察了6T強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)在25℃溫度的基片上生長(zhǎng)的不同厚度的Fe80Ni20薄膜微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，有無(wú)6T磁場(chǎng)作用下薄膜都沿α<110>方向生長(zhǎng)，隨薄膜厚度的增加，薄膜的結(jié)晶度提高，薄膜的矯