Sm2Co17稀土永磁薄膜磁性和交换偏置现象研究

摘要

SmCo稀土永磁材料具有高的磁晶各向异性、低的温度系数和良好的温度特性，在很多领域，包括手机、电脑、汽车、航空航天、武器装备等地方都发挥着重要的作用，是一类重要的功能材料。针对SmCo稀土永磁薄膜材料的研究具有重要的应用价值和丰富的科学意义。
　　本文利用脉冲激光沉积(PLD)技术，在SiO2基片上制备了SmCoCr/Cu/Cr系列薄膜，制备出的SmCo薄膜样品主要是以SmCo的2∶17合金相形式存在，在室温下具有稳定的晶体结构。通过改变不同元素的含量以及退火温度，我们系统地研究了薄膜的结构、磁性、磁光性能以及温度特性。同时，深入地研究了Sm2Co17/Cr薄膜的磁交换偏置效应，并且对其机理进行了深入的讨论。为优化Sm2Co17薄膜的结构与磁性能，寻找能够应用于薄膜器件的工艺方案，提供了有参考价值的理论和实验结论。
　　取得了以下的主要研究成果:
　　1、采用脉冲激光沉积(PLD)技术在SiO2衬底上制备出掺Cr元素Sm2Co17晶体薄膜，晶体在室温下具有稳定的钐钴2∶17合金相结构。系统研究了制备工艺对薄膜生长和结晶质量的影响，探索和优化了2∶17合金相结构的成膜工艺条件。实验发现，在背景真空度为4×10-5Pa，生长温度为400℃条件下，保持激光脉冲能量为190mJ/plus和频率8Hz时，通过控制Sm、Co的沉积时间，可以获得钐钴2∶17合金相晶体结构，为制备掺杂Sm2Co17合金薄膜奠定了实验基础。
　　2、系统研究了Sm2Co17Cr(x)/Cu/Cr(x=0 nm、1nm、2nm、3nm)薄膜磁性层中Sm、Co、Cr和Cu含量对织构与磁性的影响。实验发现，控制Sm含量是制备Sm2Co17磁性薄膜的关键因素之一，过量的Sm不仅不利于2∶17合金相结构的形成，而且还会降低薄膜的磁化强度和矫顽力。因此，保证适量的Sm含量，才可以得到稳定的Sm2Co17磁性能。同时发现，在严格控制Sm、Co沉积时间的条件下，少量Cr掺杂可以提高Sm2Co17薄膜的结晶质量，并且具有比较高的矫顽力。此外，在镀SmCo磁性薄膜之前，蒸镀一层Cu种子层，形成Cu<200>结晶取向，有利于促进Sm2Co17磁性相的生长。我们还发现，在Cu种子层和衬底之间加镀Cr层，可以获得更好结晶质量的Sm2Co17磁性薄膜。这是因为Cr层在种子层Cu生长过程中起到了缓冲层的作用，提高了Cu种子层的结晶质量，从而保证了Sm2Co17取向更加稳定。另外，通过调节退火温度研究了Sm2Co17薄膜结构和磁特性。实验发现，较高的退火温度，可以提高Sm2Co17薄膜的结晶质量，而且薄膜的矫顽力也有较明显的提升。
　　3、系统研究了SmCo/Cr薄膜交换偏置现象和交换机理。我们发现，在SmCo薄膜中出现了正的交换偏置现象，并且反铁磁层Cr厚度、磁性层SmCo厚度以及温度都对交换偏置有影响。这是由于铁磁层(FM)与反铁磁层(AFM)之间存在相互竞争作用的结果。掺杂Cr以后，Sm2Co17薄膜的交换偏置场越来越大，说明一定量的Cr可以增强对铁磁层的钉扎，使得铁磁相与反铁磁相交换偏置效应增大;随着磁性层厚度的增加，交换偏置现象减弱，这也符合HE∝1/t FM理论;温度变化会影响Sm2Co17薄膜交换偏置场，通过零场冷却和场冷却(ZFC/FC)曲线分析可知，在变温过程中，低温区主要表现为铁磁性，随着温度的提高，反铁磁性逐渐增大，最后在接近室温时转变成顺磁性;适当降低退火温度后，饱和磁化强度的变化不是很大，而偏置场出现递增，因此，获得高的矫顽力和结晶度的SmCo薄膜，选取适当的退火温度是十分重要的。

目录

声明

摘要

引言

第一章 综述

1．1 SmCo永磁材料

1．1．1 Sm-Co合金的晶体结构

1．1．2 磁性特征

1．1．3 磁性交换偏置

1．2 SmCo薄膜研究现状与未来

1．2．1 SmCo薄膜的研究现状

1．2．2 稀土永磁材料的未来展望

第二章 SmCo薄膜的制备与表征

2．1 SmCo薄膜的制备方法

2．1．1 脉冲激光沉积(PLD)

2．1．2 分子束外延(MBE)

2．1．3 磁控溅射

2．2 SmCo薄膜的表征方法

2．2．1 原子力显微镜(AFM)

2．2．2 X射线衍射(XRD)

2．2．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．4 综合物性测量系统(PPMS)

2．2．5 振动样品磁强计(VSM)

2．2．6 磁光克尔效应(MOKE)分析

第三章 薄膜的制备和实验过程

3．1 脉冲激光沉积系统

3．2 实验过程

3．3 表征手段

第四章 SmCo／Cr薄膜制备工艺及对结构和性能的影响

4．1 Cu层对SmCo／Cr薄膜的影响

4．2 不同Cr含量对SmCo／Cr薄膜结构和性能的影响

4．3 不同Sm含量对SmCo／Cr薄膜结构和性能的影响

4．4 退火温度对SmCo／Cr薄膜结构和性能的影响

4．5 本章小结

第五章 SmCo／Cr薄膜交换偏置效应研究

5．1 交换偏置原理、影响因素和研究现状

5．1．1 交换偏置效应的原理

5．1．2 当前研究现状

5．1．3 影响磁性交换偏置效应的主要因素

5．2 反铁磁层厚度对交换偏置效应的影响

5．3 SmCo磁性层厚度对交换偏置效应的影响

5．4 温度对交换偏置的影响

5．5 退火温度对交换偏置的影响

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文