Ⅰ微橋?qū)嶒灧y量金屬薄膜力學(xué)性能的研究;Ⅱ三明治多層薄膜巨磁阻抗和巨應(yīng)力阻抗效應(yīng)研究.pdf

1、本文基于單層微橋法評價薄膜力學(xué)性能的基本原理，采用數(shù)值計算的方法，提出了適合于微橋?qū)嶒灅悠烦叨鹊脑O(shè)計方法，以及適用于實驗及小撓度理論計算的載荷、撓度范圍的選擇方法。首先，提出了彈性撓度、載荷和小撓度理論載荷、撓度極限的基本概念及計算方法，并以此作為不同尺度樣品相互比較的參照從而來確定適合于微橋?qū)嶒灥臉悠烽L度和厚度，結(jié)合納米壓痕儀實驗參數(shù)來確定樣品的寬度。根據(jù)對可能彈性模量及殘余應(yīng)力范圍內(nèi)的撓度、載荷極限變化規(guī)律的研究結(jié)果，提出了估計實驗

2、載荷、撓度極限范圍，以及適用于小撓度理論計算的載荷、撓度極限范圍的方法。進(jìn)一步地，采用以上方法選擇了合適尺度的微橋樣品，采用MEMS技術(shù)制備了電鍍拉應(yīng)力NiFe、Ni及Cu薄膜微橋，采用上述理論計算了實驗載荷、撓度范圍以及小撓度載荷撓度范圍，并采用小撓度理論公式對其力學(xué)性能進(jìn)行了評價，證明了以上方法的可行性。此外，在單層薄膜微橋法基本理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推導(dǎo)了雙層復(fù)合(A/B)n型多層薄膜微橋法撓度-載荷的基本關(guān)系式，為評價微米、亞微米

3、甚至納米厚度薄膜的力學(xué)性能提供了基礎(chǔ)。并對借助于雙層薄膜微橋?qū)嶒灧ㄔu價薄膜力學(xué)性能的樣品設(shè)計進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，提出了采用(A/B)n型多層薄膜評價納米尺度效應(yīng)及界面效應(yīng)以及采用臨界長度方法評價薄膜屈服強(qiáng)度的實驗方法。 本文還對曲折FeCuNbCrSiB/Cu/FeCuNbCrSiB三明治多層薄膜巨磁阻抗和巨應(yīng)力阻抗效應(yīng)進(jìn)行了研究，隨磁場增加，其橫向巨磁阻抗效應(yīng)顯示了鐘形變化趨勢，這與由外磁場引起的橫向去磁場效應(yīng)導(dǎo)致的磁導(dǎo)率

4、的變化密切相關(guān)，其縱向巨磁阻抗效應(yīng)顯示了線形變化趨勢，沒有觀察到對應(yīng)于各向異性場的峰值，可能與各向異性場偏離橫向方向有關(guān)，其應(yīng)力阻抗效應(yīng)隨懸臂梁撓度增加而線形增加，這與拉應(yīng)力相關(guān)的磁彈性效應(yīng)引起的各向異性場進(jìn)一步偏向縱向有關(guān)。隨頻率增加，磁阻抗和應(yīng)力阻抗效應(yīng)都顯示了單峰變化趨勢，特征頻率為5MHz，這與磁化機(jī)制由磁疇壁移動為主向磁化強(qiáng)度轉(zhuǎn)動為主的轉(zhuǎn)變相關(guān)。隨Cu層寬度增加，巨磁阻抗效應(yīng)顯示了周期振蕩的變化趨勢，與現(xiàn)存阻抗理論相矛盾，進(jìn)一

5、步的研究需要來揭示其變化規(guī)律。 對FeCuNbCrSiB薄膜的DSC以及不同溫度退火的XRD結(jié)果的分析表明，存在著兩個主要的納米晶化過程，分別對應(yīng)于FeSi和FeB相的析出，薄膜在低于300℃時為非晶態(tài)，而在400℃時FeSi相析出并與非晶基體共存，高于500℃時FeB相開始出現(xiàn)，此時晶體相在薄膜中占主要，薄膜的納米硬度和楊氏模量在8.8～12.34GPa和150-197.5MPa范圍內(nèi)變化，退火溫度低于400℃時，硬度隨退火溫

6、度增加顯示了減小的趨勢，可能與非晶基體的弛豫有關(guān)，進(jìn)一步增加退火溫度導(dǎo)致硬度和楊氏模量的增加，與薄膜中納米晶比率增加有關(guān)；對薄膜磁滯回線的研究表明，預(yù)沉積薄膜具有優(yōu)良的軟磁性能，在300℃時性能達(dá)到最優(yōu)，但納米晶化階段其軟磁性能急劇下降。對樣品不同溫度退火前后的比較證實了在300℃時GMI得到了提高，而更高溫度則有降低GMI的趨勢，GMI退火研究結(jié)果可以為改善巨磁阻抗和應(yīng)力阻抗效應(yīng)提供參考。 對曲折NiFe/Cu/NiFe三明治

7、薄膜磁阻抗、磁電阻及磁電抗效應(yīng)和巨應(yīng)力阻抗效應(yīng)的研究表明，隨磁場增加，其橫向磁阻抗和磁電抗顯示了鐘形變化趨勢，其縱向磁阻抗和磁電抗效應(yīng)在各向異性場20Oe附近觀察到了峰值，兩種情況下磁電阻效應(yīng)快速增加，這表明與磁導(dǎo)率相關(guān)的電抗對薄膜磁阻抗變化起到了主要作用。隨頻率增加，磁阻抗效應(yīng)出現(xiàn)單峰變化趨勢，其峰值頻率為5MHz，但磁電阻效應(yīng)逐漸增加，在10MHz時達(dá)到飽和，磁電抗效應(yīng)則是逐漸減小，因此，低頻時和高頻時，磁電阻和磁電抗分別對阻抗效應(yīng)