射频磁控溅射法制备NiZnCo铁氧体磁性薄膜的微观组织与性能研究

摘要

软磁铁氧体薄膜材料不仅具有小的矫顽力和大的饱和磁化强度，而且能适应电子产品向微型化和小型化方向发展的要求，已成为当前磁性材料领域研究和开发的重点，能广泛应用在电子、信息、机械等工业领域中。本课题研究溶胶—凝胶法制备纳米晶镍锌钴铁氧体/二氧化硅复合粉体，并将该粉体制成靶材，采用射频磁控溅射法成功制备了镍锌钴铁氧体复合薄膜，利用XRD、EPMA、AFM、TEM、DTA等现代分析手段研究了薄膜的化学成份、相组成和微观形貌，研究了复合薄膜的磁性能和力学性能，对成膜机理进行了讨论。 实验结果表明，溶胶—凝胶法制备镍锌钴铁氧体/二氧化硅复合粉体的最佳工艺流程和参数为：将纯镍锌钴硝酸盐溶于乙醇溶液中，并按一定摩尔比滴加正硅酸乙酯，以硝酸调节PH值为1～2之间，在60℃水浴中搅拌0.5h，经5h胶化，得到紫红色透明凝胶，然后凝胶在85℃下干燥12h，并经800℃热处理保温2h后取出研磨。经检测，粉体成分符合要求，微观形貌大致为球形，晶粒粒径为纳米级，所制备得到的粉体为纳米晶镍锌钴铁氧体/二氧化硅复合粉体。 溅射靶材和溅射薄膜制备研究表明：以纯度为99.5％的自制镍锌钴铁氧体/二氧化硅复合粉体为原料，以PVA溶液作为粘结剂进行造粒、烘干，并冷等静压成靶胚，在高温炉中充分烧结，并通过优化靶材制备工艺参数成功制成了具有14％以上的收缩率，能满足磁控溅射制备薄膜要求的镍锌钴铁氧体/二氧化硅复合靶材，并设计了基体的表面处理工艺、射频磁控溅射的制备工艺和薄膜后退火处理工艺的参数。 利用电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)等分析手段对不同基片上所沉积的薄膜成分、相组成及形貌研究表明：磁控溅射法沉积在硅晶基体上的NiZnCoFe2O4/SiO2复合薄膜不仅成份更接近粉体成份，而且经后退火处理后，硅晶基片上的薄膜晶态转化彻底，晶粒尺寸更细小，且排列均匀致密，比玻璃基片更适合沉积薄膜。 考察了溅射功率和基体—靶材间距对溅射薄膜的溅射(沉积)速率和微观形貌的影响规律：随着溅射功率由80W增大到150W，薄膜的沉积速率增大，薄膜却由一开始的整齐均匀分布的小颗粒状向片状的结构变化，分布也不均匀，晶粒明显长大；溅射功率为120W时，靶材—基体间距为65mm时，薄膜的微观形貌最理想，溅射(沉积)速率最大。因此最佳的工艺条件为：真空气压为6×10-5Pa，溅射气压为1.0×10-1Pa，溅射功率为120W，基片—靶材的间距为65mm。 由于溅射过程中得到的薄膜都是非晶态，必须经后退火处理进行晶化处理。经后退火处理后，薄膜中的氧成份明显变多，主要是由于溅射过程中部分氧元素缺失，后退火处理正好使薄膜的成份趋于正分，薄膜的晶粒更为细化和致密，薄膜表面质量得到明显的改善。 磁滞回线测试和分析结果表明：NiZnCoFe2O4/SiO2复合薄膜的矫顽力很小，约为5.17kA/m左右，饱和磁化强度为378.4kA/m左右，具有较好的软磁性能。由于Co元素掺杂和非铁磁性相二氧化硅的存在等因素的影响，饱和磁化强度在退磁场中下降缓慢。相同溅射工艺条件下，硅基片上的薄膜和玻璃基片上的薄膜矫顽力都很小，但前者的饱和磁化强度比较大；经后退火处理，薄膜的矫顽力变小，饱和磁化强度增大，软磁性能得到改善。 划痕法测试薄膜—基体界面结合强度(附着力)结果表明：NiZnCoFe2O4/SiO2复合薄膜与基体的结合力较好。特别是硅晶基片复合薄膜与基体的附着力比玻璃基片上复合薄膜与基体的附着力更大，这是由于硅晶片表面质量更好，所以沉积的薄膜晶粒细小，排列整齐。此外，薄膜厚度增大，复合薄膜与基体的附着力也增大，这可能由于薄膜与基片之间的附着效果受界面黏附能影响所致。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1选题意义

1.2软磁铁氧体材料的研究现状和发展趋势

1.2.1研究现状

1.2.2发展趋势

1.3软磁铁氧体粉体的制备和表征

1.3.1铁氧体粉体的制备技术

1.3.2铁氧体粉体的表征

1.4软磁铁氧体薄膜的制备和表征

1.4.1软磁铁氧体薄膜的制备技术

1.4.2软磁铁氧体薄膜的表征

1.5软磁铁氧体薄膜的应用

1.5.1军事器件领域

1.5.2电子产品领域

1.5.3通信器件领域

1.6本课题研究的主要内容

第二章NiZnCo铁氧体/SiO2复合粉体的制备

2.1溶胶-凝胶法粉体制备技术

2.1.1溶胶-凝胶制备方法

2.1.2溶胶-凝胶法制备过程的影响因素

2.2 NiZnCo铁氧体/SiO2复合粉体的制备

2.2.1实验原材料与设备

2.2.2制备工艺流程

2.2.3反应温度的影响

2.2.4镍锌钴铁氧体复合粉体的DTA和TGA分析

2.3粉体的表征

2.3.1铁氧体粉体的物相分析

2.3.2铁氧体粉体的化学组成

2.3.3铁氧体粉体的SEM和TEM形貌分析

2.3.4铁氧体粉体的晶粒粒径

2.4本章小结

第三章磁控溅射法制备NiZnCo铁氧体磁性薄膜

3.1磁控溅射法原理及特点

3.1.1超高真空多功能磁控溅射简介

3.1.2磁控溅射基本原理

3.1.3射频磁控溅射的成膜特点

3.2磁控溅射靶材的制备

3.2.1靶材的质量要求

3.2.2靶材的制备工艺

3.2.3靶材的分析与测试

3.3磁控溅射制备磁性薄膜复合材料

3.3.1基体准备

3.3.2溅射制备工艺的要求

3.3.3磁控溅射制备铁氧体薄膜

3.4薄膜后退火处理

3.4.1实验材料及设备

3.4.2薄膜后处理工艺

3.5本章小结

第四章磁性薄膜的化学组成及其微结构

4.1基片材料对磁性薄膜的影响

4.1.1不同基片材料对薄膜化学组成的影响

4.1.2不同基体材料上薄膜的物相分析

4.1.3不同基体材料对薄膜微观形貌的影响

4.2溅射工艺的优化

4.2.1溅射功率对溅射(沉积)速率和薄膜形貌的影响

4.2.2基体-靶材间距对溅射(沉积)速率和薄膜形貌的影响

4.3后退火处理对薄膜的影响

4.3.1后退火处理对薄膜化学组成的影响

4.3.2后退火处理前后薄膜的物相分析

4.3.3后退火处理对薄膜的微观形貌的影响

4.4薄膜的晶体结构和成膜机理

4.4.1薄膜的晶体结构

4.4.2薄膜的成膜机理

4.5本章小结

第五章铁氧体复合薄膜的磁性能与力学性能

5.1薄膜的磁性能

5.1.1铁氧体薄膜的磁滞回线

5.1.2饱和磁化强度和矫顽力

5.2薄膜的力学性能

5.2.1薄膜与基体的界面结合强度(附着力)的测定方法

5.2.2不同基体上薄膜-基体间的界面结合强度

5.2.3不同膜厚的薄膜-基体间的界面结合强度

5.3本章小结

第六章主要结论

第七章展望

7.1 NiZnCoFe2O4/SiO2铁氧体复合薄膜的应用前景

7.2本课题的后续工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或录用的论文