強磁場下物理氣相沉積Fe-Ni納米晶薄膜微觀結構演化及其對磁性能的影響.pdf

1、Fe-Ni納米晶薄膜材料由于具有高飽和磁化強度、低矯頑力、低磁滯損耗及高的耐腐蝕性等優(yōu)點，被廣泛應用于磁頭、磁傳感器、變壓器及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)等領域。強磁場對有磁物質和非磁性物質的磁化力作用和洛侖茲力作用等，可以改變薄膜的微觀結構，進而提高其性能。這些作用不僅影響沉積過程中蒸發(fā)原子或原子團的運動速率，也影響吸附原子或原子團在薄膜表面的擴散遷移行為，從而改變薄膜的形貌及表面粗糙度等。明確強磁場對納米級別顆粒的微觀結構和性能的影響

2、機理，對納米材料的優(yōu)化設計和新功能材料的開發(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與強磁場相結合，沿垂直于基片方向施加強磁場。高真空的方法可以防止薄膜的雜質在材料磁化時的釘扎效應對軟磁性能的影響，另外，強磁場的效應不但可以減小薄膜的面內磁各向異性還可以改變薄膜的相組成、表面形貌和結晶度等。因此，通過本論文的研究可以達到利用強磁場控制納米晶薄膜微觀結構和磁性能的目的。
　　考慮物理

3、氣相沉積技術和強磁場作用的實驗參數(shù)，本論文對Fe-Ni納米晶薄膜進行了多系列的實驗研究，通過改變基片溫度、薄膜成分、磁感應強度、薄膜厚度等，考察了強磁場作用下薄膜的微觀結構演變及磁性能與電性能的變化，并且討論了薄膜微觀結構和性能之間的關系。
　　本文的主要研究內容和結果如下：
　　(1)研究了有無6T強磁場對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。實驗結果表明，在不同基片溫度下，

4、6T磁場都可以細化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，6T磁場可以顯著提高Fe60Ni40與Fe55Ni45納米晶薄膜的軟磁性能。在基片溫度為400℃時，6T磁場略微地提高了Fe60Ni40納米晶薄膜的軟磁性能，而6T磁場對于Fe55Ni45納米晶薄膜的軟磁性能不但沒有提高，反而性能降低。6T磁場也提高了Fe60Ni40與Fe55Ni45納米晶薄膜的矩形比。強磁場與基片溫度

5、能顯著地影響薄膜的生長，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，利用物理氣相沉積和強磁場相結合制備了不同成分的FexNi1-x(x=0.74，0.6，0.55，0.3)薄膜。研究了強磁場對不同成分薄膜微觀結構和軟磁性能的影響。在6T強磁場下，F(xiàn)exNi1-x(x=0.74，0.6)薄膜的結晶度提高。對于FexNi1-x(x=0.55，0.3)薄膜，在6T磁場作用下，γ<111>取向增加，晶粒得到細化，

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)薄膜面內磁各向異性在垂直于基片方向的6T磁場作用下轉變?yōu)槊鎯却鸥飨蛲裕∧っ鎯群兔嫱獾能洿判阅艿玫搅颂岣?。另外，?T磁場作用下所有薄膜的電阻率減小。
　　(3)研究了不同磁感應強度對在25℃溫度的基片上生長的Fe30Ni70與Fe64Ni36納米晶薄膜微觀結構和軟磁性能的影響。由于Fe30Ni70(γ相)與Fe64Ni36(α相)納米

7、晶薄膜相組成的不同，導致不同磁感應強度對它們的作用效果有所差異。研究結果表明磁場提高了原子的有序排列，減少了非晶態(tài)結構。在不同磁感應強度作用下，晶粒的合并長大受到抑制，晶粒得到細化，晶粒尺寸的分布范圍變窄。薄膜的軟磁性能相對于0T樣品有所提高，而且磁感應強度在小于等于1T時，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強度下均由γ單相組成。Fe64Ni36納米晶薄膜在0T與3T時是α相，而在6T時出現(xiàn)了α與

8、γ相混合。Fe30Ni70納米晶薄膜在6T時獲得面內最佳的軟磁性能，而Fe64Ni36納米晶薄膜在3T時獲得面內最佳的軟磁性能，這是因為在6T磁場作用下，生成的少量γ相在薄膜磁化過程中起到了釘扎作用，降低了薄膜的軟磁性能。
　　(4)考察了6T強磁場對在25℃溫度的基片上生長的不同厚度的Fe80Ni20薄膜微觀結構和磁性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，有無6T磁場作用下薄膜都沿α<110>方向生長，隨薄膜厚度的增加，薄膜的結晶度提高，薄膜的矯