电化学方法制备纳米晶磁性薄膜及其相关性能研究

摘要

制备兼具较低高频损耗值P、较大饱和磁感应强度Bs及耐磨、耐蚀等优良综合性能的磁性材料,成为未来集高频化、微型化和节能化等特征于一体的微电子工业的重要组成部分。迄今为止,在诸多的材料制备方法中,电化学技术由于其能够较好的通过控制电化学工艺参数及电解液成分调节薄膜材料的组成、织构及性能,业已成为磁性材料制备、结构分析及性能研究等方面最具发展前景的技术之一。
　　本论文可分为三部分,第一部分(第二章、第三章)在通过电化学循环伏安技术(CV)制备了CoNiFe软磁薄膜的基础上,进一步以经化学修饰处理的Si3N4纳米颗粒为前驱体,获得了整体纳米结构的CoNiFe-Si3N4复合薄膜。随后,采用循环伏安法(CV)、电化学阻抗(EIS)等电化学方法结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及磁滞回线(VSM)等测试手段,较为系统的研究了CoNiFe与CoNiFe-Si3N4薄膜电沉积的主要参数(如:电解液中金属离子浓度、外加电位区间、pH值等)、材料结构及性能的变化规律,得到如下结论:
　　(1)通过CV技术制备的CoNiFe软磁薄膜呈整体纳米结构,且具有较好的软磁性能(饱和磁感强度高达2.03 T,矫顽力为851.2A/m)。
　　(2)经化学修饰处理的Si3N4纳米颗粒对CoNiFe-Si3N4复合薄膜具有较好的诱导作用,该粒子的掺杂使得CoNiFe-Si3N4复合薄膜的综合磁性能保持较高水平的同时(Bs=1.82T,Hc=716.2A/m),整体硬度及耐蚀性能均有较大幅度的提高。
　　论文的第二部分(第四章及第五章)通过CV、EIS、电化学噪声(EN)等电化学技术结合 SEM、XRD等测试方法研究了CoNiFe与CoNiFe-Si3N4薄膜在电沉积反应机理及其在中性3.5wt.％NaCl中的腐蚀机理并得出如下结论:
　　(1)在CoNiFe及CoNiFe-Si3N4薄膜的电沉积体系中,两者的EIS特征在开路电位时均由一高频容抗弧和一低频感抗弧组成;外加负偏压的施加导致低频感抗弧消失并由一低频容抗弧取代。在此过程中,后者的反应电阻Rt及双电层电容相较前者均呈增大趋势。
　　(2)在CoNiF薄膜中掺杂纳米 Si3N4颗粒前驱体后,其沉积电位发生明显正移且纳米 Si3N4颗粒在阴极表面的竞争吸附使得 CoNiFe与Si3N4共沉积阴极还原反应的电荷转移电阻 Rt增大。说明还原反应的阴极极化提高了晶体成核速度以及空间位阻阻碍铁系金属晶粒长大的协同作用有利于整体薄膜材料的晶粒细化。同时,CoNiFe与CoNiFe-Si3N4薄膜在异质金属上的电沉积过程均遵循3D瞬时形核/长大机制。
　　(3)CoNiFe-Si3N4复合薄膜较CoNiFe薄膜的耐蚀能力大大提高。同时,在对后者的EN研究结果表明,因次分析法获得的两个分别对应腐蚀过程中快速信息(电化学控制下的点蚀等)及慢速信息(扩散控制下的腐蚀产物膜生成、聚集及脱落)的参数SE和SG与CoNiFe-Si3N4薄膜在腐蚀过程中的反应机理及规律有较好的对应关系。
　　论文的第三部分(第六章)对 NdFeB稀土永磁薄膜的电沉积工艺及机理进行了探索。研究结果表明:甘氨酸(C2H5NO2)可以作为Fe2+的良好配体以及Nd3+的还原诱导基参与NdFeB薄膜的共沉积反应。同时,Nd3+在水溶液体系中表现出极高的活性且还原反应过程极其剧烈,而沉积液中过高的Nd3+浓度可能是NdFeB薄膜的晶体生长速度过快而导致晶粒难以细化的原因之一。

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第一章 绪论

1.1 磁性材料

1.2 软磁材料

1.3 硬磁材料

1.4复合电沉积技术的应用

1.5电化学阻抗谱研究方法

1.6电化学噪声技术

1.7课题的提出及其主要研究内容

第二章 纳米晶CoNiFe软磁薄膜的电沉积工艺研究

2.1概述

2.2实验方法

2.3 CoNiFe电沉积过程中工艺参数影响研究

2.4优化的CoNiFe软磁薄膜的相关性能

2.5本章小结

第三章 CoNiFe-Si3N4纳米复合软磁薄膜的循环伏安法制备及其结构、性能分析

3.1 引 言

3.2 实验方法

3.2 纳米Si3N4粒子表面零电荷电位的测定

3.3 CoNiFe-Si3N4纳米复合薄膜的电沉积中工艺参数的影响

3.4 优化后的CoNiFe-Si3N4纳米复合薄膜的结构、性能表征

3.5 本章小结

第四章 CoNiFe-Si3N4纳米复合薄膜的电沉积机理研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 CoNiFe及CoNiFe-Si3N4薄膜电沉积的EIS的动力学分析

4.5 CoNiFe-Si3N4复合薄膜的分子轨道理论分析

4.6 CoNiFe及CoNiFe-Si3N4薄膜的电沉积模型

4.7 本章小结

第五章 CoNiFe-Si3N4复合薄膜的腐蚀性能及机理研究

5.1 概述

5.2 实验方法

5.3 CoNiFe-Si3N4在中性NaCl溶液中的Tafel极化行为

5.4 CoNiFe及CoNiFe-Si3N4复合薄膜的电化学阻抗行为

5.5 CoNiFe-Si3N4在中性3.5wt.%NaCl溶液中的电化学噪声行为研究

5.6本章小结

第六章 NdFeB硬磁薄膜的电沉积工艺初探

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 NdFeB永磁薄膜电沉积中主要参数的影响规律

6.4 本章小结

第七章 全文总结

7.1总结

7.2展望

参考文献

符号与标记

致谢

博士期间发表的论文及申请专利