六角钡铁氧体薄膜的制备及其结构和磁性能的研究

摘要

M型六角钡铁氧体材料BaFe12O19(BaM)由于具有高的电阻率、大的高频磁导率、强的单轴磁晶各向异性和稳定的物理、化学性质等特点倍受关注，它在单片微波集成电路(MMIC)、高密度垂直磁记录介质等方面都有着广泛的应用。这些应用的实现都要求获得结晶性良好、高度c轴取向、剩磁比大(Ms/Mr＞0.9)的钡铁氧体厚膜(＞10μm)。然而制备这样的厚膜在实际工艺中和理论研究中均有一定的困难。 本论文首先从研究BaM薄膜在蓝宝石衬底上的c轴生长过程出发，运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、振动样品磁强计(VSM)表征其结构、形貌、磁性能，得出了微观生长过程中的工艺参数与宏观磁性能的规律。然后研究出了一组优化的热处理条件，以结晶的BaM为种子层，“逐层生长”出微米级钡铁氧体厚膜。同时，采用了TiN、MgO薄层替代结晶BaM种子层，并系统地研究了运用“逐层生长”模式制备具有高度c取向性、磁性优良的厚膜钡铁氧体。最后，借鉴“逐层生长”模式下获得的相关实验结论，初步研究了钡铁氧体材料与宽禁带半导体GaN的集成生长。因此，本论文获得了以下几点结论： (1)在750℃以下，原位沉积钡铁氧体薄膜均呈现非晶状态，且只有微弱的M-H磁滞回线；通过后位退火工艺条件的研究，得到了一组优化的退火条件：1个大气氧压下1000℃退火1小时，制备出了结晶良好、高度c取向、具有一定磁性能(饱和磁化强度为3000G，剩磁比为0.6)的钡铁氧体种子层。 (2)以结晶BaM为种子层，通过“逐层生长”的模式制备厚膜钡铁氧体，获得了在种子层上生长厚度为2μm的c取向、饱和磁化强度为3500G、剩磁比为0.65左右的钡铁氧体厚膜。当薄膜厚度进一步增加到3.4μm时，样品表面出现了微孔、裂痕，阻碍了厚膜钡铁氧体的磁性改善。 (3)选取了TiN、MgO薄层替代结晶种子层，得到了在MgO薄层缓冲的钡铁氧体厚膜具有最高饱和磁化强度为4006G，剩磁比为0.7。 (4)成功地在GaN外延片上通过MgO薄层制备了钡铁氧体薄膜，最高饱和磁化强度为3208G，剩磁比为0.7。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2微波铁氧体材料发展历史

1.3六角钡铁氧体薄膜的结构与性质

1.3.1钡铁氧体的结构

1.3.2钡铁氧体的性质

1.4钡铁氧体薄膜的研究现状

1.4.1溶胶-凝胶(sol-gel)法

1.4.2对向靶溅射法与射频溅射法

1.4.3脉冲激光沉积(PLD)法

1.5论文选题及研究方案

1.5.1论文选题依据

1.5.2论文技术路线及方案

第二章 钡铁氧体薄膜的制备方法与表征原理

2.1钡铁氧体薄膜的制备方法

2.2脉冲激光沉积(PLD)以及系统简介

2.2.1 PLD制膜原理

2.2.2 PLD设备系统简介

2.2.3 PLD用陶瓷靶材的制备

2.3薄膜的微结构分析方法

2.3.1 XRD原理

2.3.2 AFM原理

2.3.3 SEM原理

2.3.4磁滞回线的测试

第三章 钡铁氧体薄膜的PLD工艺研究

3.1实验靶材的制备

3.2钡铁氧体薄膜的沉积参数研究

3.2.1温度系列

3.2.2气氛气压系列

3.2.3激光功率系列

3.3 退火工艺对钡铁氧体薄膜结构和性能的影响

3.3.1退火温度

3.3.2退火时间

3.4种子层诱导的厚膜钡铁氧体的工艺研究

3.4.1原位温度对厚膜钡铁氧体的结构和磁性的影响

3.4.2原位氧气压对厚膜钡铁氧体的结构和磁性的影响

3.5膜厚对钡铁氧体形貌的影响

3.6本章小结

第四章 缓冲层对钡铁氧体薄膜特性的影响研究

4.1引言

4.2 TiN缓冲层对钡铁氧体结构和磁性的作用

4.2.1 TiN缓冲层的制备

4.2.2 TiN缓冲的蓝宝石上薄膜钡铁氧体的制备

4.2.3 TiN缓冲的蓝宝石上厚膜钡铁氧体的制备

4.3 MgO缓冲层对钡铁氧体结构和磁性的作用

4.3.1 MgO缓冲层的制备

4.3.2 MgO缓冲的蓝宝石上薄膜钡铁氧体的制备

4.3.3 MgO缓冲的蓝宝石上厚膜钡铁氧体的制备

4.4本章小结

第五章 钡铁氧体薄膜与GaN的集成生长初探

5.1引言

5.2钡铁氧体直接沉积在GaN外延片上

5.3钡铁氧体沉积在MgO缓冲的GaN外延片上

5.3.1在MgO缓冲的GaN上制备薄膜钡铁氧体

5.3.2在MgO缓冲的GaN上制备厚膜钡铁氧体

5.4本章小结

第六章主要结论及展望

6.1主要结论

6.2展望

6.2.1存在的问题及可能的解决方案

6.2.2钡铁氧体薄膜的结构、界面及磁性能的表征手段

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果