Al-O、C、N元素添加对铁钴基合金软磁薄膜性能影响的研究

摘要

伴随着电子信息工业的飞速发展，软磁薄膜的应用日益广泛，而无论是垂直磁记录磁头还是薄膜电感，对软磁薄膜的高饱和磁化强度、低矫顽力、良好的高频响应特性提出了越来越高的要求，这就需要对磁性薄膜的软磁性和高频特性进行研究和改善。迄今为止，FeCo合金则因为具有最高的饱和磁化强度而被广泛研究，不过FeCo合金磁晶各向异性常数和饱和磁致伸缩系数均比较大，导致无法获得良好的软磁特性，因此在保持其高饱和磁化强度的基础上通过各种手段来软化磁性就成了一个重要的课题，常用的手段有添加衬底层和第三元素的掺杂。本文中，我们利用磁控射频溅射制备了三个体系的FeCo基合金薄膜，分别研究了Al-O、C、N等元素添加对薄膜软磁特性和高频特性的改善机理。主要得到了如下结果：
　　 Ⅰ.FeCoAlO薄膜：
　　 1)FeCoAlO薄膜具有良好的软磁特性：矫顽力(Hce=5.2Oe，Hch=3.6Oe)，软磁性主要来源是由于Al-O以非晶基质沉积在晶粒边界上，有效地限制了薄膜晶粒的生长，使得晶粒尺寸大幅减小，晶粒间的交换耦合作用增强，从而与磁晶各向异性作用平均形成较小的有效各向异性。
　　 2)溅射条件对薄膜的磁性能有影响，最佳溅射条件为：溅射功率P=400W；溅射气压PAr=4mTorr；膜厚t=500nm.
　　 3)FeCoAlO薄膜的动态磁性普遍表现为传统的阻尼模式，随Al％含量从6％增加到14.6％，截止频率从0.6提高到1.0GHz，同时磁导率略有下降。
　　 Ⅱ.FeCoAlOC薄膜：
　　 1)利用无机物(石墨)为薄膜添加C元素，形成的薄膜应力较大，软磁性很差。
　　 2)利用有机化合物环氧树脂添加C元素，在适量添加的情况下(SC％≦0.42％)可获得纳米晶FeCoAlOC薄膜，具有较高的饱和磁化强度、良好的软磁性能和高频特性，在SC％=0.28％时，获得了综合性能最佳的FeCoAlOC纳米晶薄膜：Hce=1.7Oe，Hch=2.1Oe；4πMs=20kG;fr=2.8GHz，μ'=300。
　　 3)FeCoAlOC纳米晶薄膜的高频响应曲线表现出共振型的特征。我们用LLG方程对薄膜的高频响应做出拟合，结果与实验结果符合良好。
　　 4)当C含量添加进一步增加，可生成FeCoAlOC非晶薄膜，此时由于不存在晶界等对磁矩的阻碍，矫顽力也很低，但Fe、Co原子非晶态下的磁矩低于晶态时的磁矩，饱和磁化强度大幅下降。虽然非晶态FeCoAlOC薄膜的电阻率有明显的提升，但是面内单轴各向异性消失且自然共振损耗增大，最终导致磁导率和截止频率的下降。
　　 5)对非晶态FeCoAlOC薄膜分别进行低速和快速升温热处理，希望能够使之晶化，从而获得晶粒尺寸更小的纳米晶薄膜，但发现低速升温的晶化晶粒长大不可避免，快速升温晶化会造成新的化合物相生成，这都导致了软磁性能的恶化。
　　 Ⅲ.FeCoAlON薄膜：
　　 1)在氮分压较低的条件下制备的FeCoAlON薄膜(N2％≦0.2％)，饱和磁化强度保持在较高水平(约20kG)，矫顽力较低(3～4Oe)。从微结构上看出N的添加有利于薄膜晶粒的细化从而导致软磁性能提高。
　　 2)随着氮分压的增大(N2％≧0.4％)，FeCoAlON薄膜开始形成条形畴，磁矩沿膜面法线方向有分量，薄膜具有高的磁弹性各向异性能，这导致了软磁性能的恶化，面内单轴各向异性消失。
　　 3)N含量较低的FeCoAlON薄膜动态磁化过程表现出典型的驰豫型模式，低频磁导率较高(约600)而截止频率较低(仅0.5GHz)。
　　 4)N含量较高的FeCoAlON薄膜动态磁化过程较为复杂，表现出了共振模式的特点，并且无论是沿难轴还是易轴的微波场驱动都产生了多个共振峰。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1磁学发展概述

1.2磁性材料宏观现象及能量表述

1.2.1居里温度及自发磁化的交换能量表述

1.2.2磁各向异性的能量表述

1.2.3磁畴及畴壁

1.2.4磁滞现象

1.3静态磁性参数——矫顽力

1.4动态磁性特征参数

1.4.1复数磁导率

1.4.2动态磁化过程中的损耗

参考文献

第二章 纳米软磁薄膜

2.1磁性纳米材料概述

2.1.1纳米材料的基本概念

2.1.2磁性纳米材料及其特性

2.2软磁纳米薄膜的特性及其应用

2.2.1衡量软磁材料性能的指标

2.2.2软磁材料的应用范畴

2.2.3软磁薄膜的交流应用特点

2.3高频软磁性薄膜的应用

2.3.1在磁记录技术中的应用

2.3.2在薄膜电感中的应用

2.3.3在微波吸收器中的应用

参考文献

第三章 样品的制备及其性能表征

3.1样品的制备

3.1.1磁控射频溅射

3.1.2薄膜沉积装置

3.1.3基片

3.1.4溅射用靶

3.2样品性能的表征

3.2.1厚度的测定

3.2.2成分的测定

3.2.3磁性的测量

3.2.4晶体结构分析

3.2.5表面形貌观测技术

3.2.6畴结构观察

3.2.7透射电子显微镜(TEM)

3.2.8电阻率的测量

3.2.9动态磁性测量

参考文献

第四章 FeCoAlO薄膜的结构和性能

4.1 FeCo软磁性薄膜

4.2样品的制备

4.3 FeCoAlO薄膜的静磁特性

4.3.1 FeCoAlO薄膜的成分

4.3.2 Al2O3添加对薄膜静态磁性的影响

4.3.3 Al2O3添加对薄膜微结构的影响

4.3.4软磁特性的改善——随机各向异性模型

4.4制备条件对薄膜静磁特性和微结构的影响

4.4.1溅射功率

4.4.2溅射气压

4.4.3溅射时间

4.5 FeCoAlO薄膜的频率特性

小结

参考文献

第五章 FeCoAlOC薄膜的结构与性能

5.1利用高纯度石墨引入C元素

5.2利用有机物引入C元素

5.2.1 C元素添加对薄膜微结构和静磁特性的影响

5.2.2 C元素添加对FeCoAlOC薄膜高频响应特性的影响

5.3对非晶FeCoAlOC薄膜的晶化处理

5.3.1低速升温热处理对薄膜微结构和磁性能的影响

5.3.2快速升温热处理对薄膜微结构和磁性能的影响

小结

参考文献

第六章 FeCoAlON薄膜

6.1样品的制备

6.2 N添加对薄膜磁性的影响

6.3条形畴对高频特性的影响

小结

参考文献

第七章 结论

发表论文情况

致谢