掺杂对FeZrB合金薄膜巨磁阻抗效应的影响

摘要

本论文首次系统研究了掺杂Nb、Ni、Cu对Fe<,88>Zr<,7>8<,5>基软磁合金薄膜材料的巨磁阻抗效应和磁特性的影响；分析研究了不同工艺制各的FeZrB系合金薄膜的微观结构、磁特性和GMI效应：同时还研究了单层膜和Ag夹层三明治膜的 巨磁阻抗效应。所有样品均采用射频溅射法制备，得出了一系列重要结论： 1、FeZrBNb单层膜的巨磁阻抗效应 常规方法制各的3.5μm厚的FeZrBNb单层膜在制备态巨磁阻抗效应并不理想，通过退火处理可以使薄膜的软磁性能得到明显改善，200℃退火30min使薄膜样品的矫顽力由0.5kA.m<-1>降到了0.09kA．m<-1>，在13MHz的交流频率下，得到了1.8％的纵向阻抗比，加磁场退火要优于自然退火的情况，纵向阻抗比达到了2.6％。 在制备过程中加一横向静磁场可以提高溅射速率，由不加磁场时的0.04nm／s 提高到了O.17nm／s。薄膜的阻抗比也有所提高，并且纵向阻抗比在±1.2kA．m<-1> 的外加磁场下出现了双峰现象。 同时薄膜的厚度也是影响FeZrBNb GMI效应的一个重要因素，我们制备了厚度为10.8μm的厚膜，外加交变电流频率为13MHz时，该薄膜在制备态纵向阻抗比达到了2.5％，与厚度为3.51ma的薄膜加磁场退火后的结果相当。 2、FeZrBNi单层膜的磁特性和巨磁阻抗效应 VSM测量表明掺Ni使FeZrB合金薄膜的软磁特性得到了改善，这是因为掺适量的Ni有利于晶粒的细化，提高了FeZrB合金的非晶形成能力，其阻抗效应明显提高。不同的Ni含量对FeZrBNi薄膜的GMI效应也有显著影响，在13MHz，掺Ni量为4％(原子分数)的FeZrBNi薄膜在制各态就得到了10％的纵向阻抗比，而掺Ni量2％的FeZrBNi薄膜经过150℃退火后纵向阻抗比只达到了 2.2％。 不同溅射功率对薄膜的阻抗比有较大的影响，我们制备了溅射功率分别为150w、240W、350W的掺4％(原子分数)Ni的FeZrBNi薄膜样品，发现当溅射功率为150W时薄膜的巨磁阻抗效应最佳，获得了10％的最大纵向阻抗比：240W次之，最大纵向阻抗比为4％；350W最差，最大纵向阻抗比仅为2％。 这可能是因为在较低速率的情况下，薄膜有足够的时间散热，这样有利于减小热应力，同时原子也有足够的时间扩散，有利于形成均匀、致密的薄膜。在制备过程中加磁场可以明显改善薄膜的软磁性能，提高阻抗比。我们在溅射功率为150W，溅射过程中加80kA-m<-1>。的纵向磁场制备的FeZrBNi4样品中测得其阻抗比纵向为10％，横向为8％，溅态样品在13MHz的频率下得到如此高的阻抗比也说明了FeZrBNi具有优异的软磁性能。 3、FeZrBNi/Ag/FeZrBNi三明治膜的巨磁阻抗效应制备了掺Ni量为4％(原子分数)的FeZrBNi/Ag/FeZrBNi三明治膜，与单层膜相比，其最大的特点就是在较低的频率下就能得到较大的巨磁阻抗效应，纵向阻抗比在7MHz下达到了最大值18％，横向阻抗比在8MHz下达到最大值3l％。这一性能对薄膜巨磁阻抗效应在低场传感器的应用方面有重要价值。与单层膜的情况不同，多层膜的横向阻抗比大于纵向，并且饱和场低，灵敏度高。通过分析该三明治膜的电阻分量和电感分量随频率的变化关系我们发现，在一定的频率范围内电感分量是线性变化的，由此我们得到，在一定的频率范围内磁性层的横向磁导率相对于频率变化而言是个常量。 4、FeZrBCu软磁合金薄膜的磁特性和巨磁阻抗效应掺杂适量的Cu使FeZrB的软磁性能得到明显的改善，矫顽力胁明显减小。FezrB薄膜的Hc为0.4kA·m<-1>，掺3％的Cu(原子分数)后Hc降为0.1KA·m<-1>如果Cu的掺杂量继续增加，薄膜的矫顽力将增加两倍以上，GMI效应几乎消失。 研究了150、240、360W不同溅射功率对掺cu量为3％(原子分数)的FezrBcu合金薄膜巨磁阻抗效应的影响，用电子探针显微镜测量发现，当溅射功率为240w时，薄膜样品中Fe的原子含量为87.32％，Cu原子的含量为2.9％。相比于其它溅射功率下的薄膜样品，这种样品的矫顽力最小，饱和磁化强度最大，为111kA·m<-1>，软磁性能最佳。在240w的溅射功率下，制备的掺Cu量为3％的FezrBCu薄膜样品，在临界频率为600kHz时开始出现磁阻抗效应，在13MHz的交流频率下，获得了17％的纵向GMI效应和11％的横向GMI效应。 总之，我们制备了不同掺杂(Nb、Ni、Cu)的FeZrB合金薄膜，得到掺Ni、Cu的FeZrB合金薄膜的阻抗效应要明显优于掺Nb的。掺杂不同量的Cu、Ni对薄膜的GMI效应也有很大的影响。制备Ag夹层的FeZrBNi三明治膜，制各态下得到了31％的最大横向阻抗比和18％的最大纵向阻抗比，这一性能在制备态薄膜中是相当优异的。同时，我们对不同的制备工艺也进行了研究，发现不同溅射功率对薄膜的成膜质量和巨磁阻抗效应有较大的影响，并且通过在制备过程中加磁场、对样品进行不同方式的退火处理等都可以改善薄膜的软磁性能，提高其GMI效应。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第二章FeZrBNb单层膜的磁特性与巨磁阻抗效应

第三章FeZrBNi单层膜的磁特性和巨磁阻抗效应

第四章制备态FeZrBNi三明治膜的巨磁阻抗效应

第五章制备态FeZrBCu软磁合金薄膜的磁性和巨磁阻抗效应

第六章结论

致谢

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