磁性薄膜研究应用进展与应用展望.doc

功能材料课程论文题 目：磁性薄膜研究进展与应用展望学 号：3808姓 名：陈俊奇班 级：功材1302联系方式：/ 年 5 月磁性薄膜研究进展与应用展望摘 要：磁性薄膜是一种十分活跃研究方向，广泛应用于电子学领域。本文对当前磁性薄膜研究进展进行综述，简朴地简介了磁性薄膜特点、磁性薄膜制备办法以及磁性薄膜表征手段。对磁性薄膜此后研究方向进行探讨并讨论其新应用也许。核心词：磁性薄膜，磁性能，制备办法，应用Abstract：Magnetic thin films is a very active research area，it is widely used in the electronics field. This paper reviews research progress of magnetic thin films，and describes the characteristics，method of preparation and characterization of magnetic thin film. We discuss the future exporting directions of magnetic thin film and possible application.Key words：Magnetic thin films，Magnetic properties，Preparation method，Application一 引言磁性薄膜是由铁、钴一类过渡族元素及其合金等直接或间接产生磁性物质来制备薄膜，薄膜厚度普通在几十纳米到几微米之间。磁性薄膜与普通薄膜相比，其具备许多特殊性能，例如巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。由于其特殊性能，磁性薄膜已经成为当前电子信息材料领域研究一大热点之一 1。磁性薄膜在电子学领域有广泛应用，如信息储存、隐身技术、磁传感器、微波通信、电子对抗、电磁兼容等领域 2。运用磁性薄膜可以做成各种器件，如薄膜磁记录介质、薄膜型磁头、薄膜变压器、薄膜电感器、薄膜噪声抑制器、平面薄膜电阻、电容等。磁性薄膜材料按照材料不同可分为金属磁性薄膜和氧化物磁性薄膜两大类。当前，金属类Fe、Co及Fe-Ni系等研究已较为成熟，氧化物类重要分为尖晶石、磁铅石及石榴石铁氧体三大类。本文重要简介氧化物磁性薄膜。制备薄膜办法大体可归为化学办法与物理办法两大类，薄膜制备办法诸多，如溶胶-凝胶法、L-B膜法、分子与原子束外延、电化学沉积法、化学气相沉积、溅射沉积、低能团簇束沉积、真空蒸发法、分子自组装等诸多办法。本文重要简介溅射镀膜。二 磁性薄膜分类磁性薄膜按照材料不同大体可以分为金属磁性薄膜和氧化物磁性薄膜。2.1 金属磁性薄膜2.1.1 单层金属合金膜单层金属薄膜应用相对较多，例如磁记录使用FeCrCo膜、磁光存储使用TbFeCo膜等等，以及FeNi膜传感器。Ni-Fe合金磁电阻是各向异性( AMR )，在某一平面上，当其所加电流和磁场互相平行时有：=(H)-(0)0， 但是当互相垂直时有： 0，因而它可用做磁电阻磁头。随着维度减少，材料当中原子磁矩将会升高。对于大块材料和单个原子成果相对来说容易验证，然而其她成果就必要要制备出高质量磁性超薄膜和线链，并且通过仔细地测量和分析后才干给出验证成果。这是由于薄膜必要在基片上生长，并且在表面上与否有覆盖物，磁性都会受到影响，体现出磁性会有很大不同3。2.1.2 金属多层膜与金属多层膜研究也是非常多，例如层间耦合及其随非磁层厚度振荡(长短周期)、巨磁电阻效应。金属多层膜类型有多层膜、人工超晶格、三明治膜、自旋阀型膜等等 4。从总体来看，层间耦合是由于导电电子极化和类RKKY作用产生，也可用量子阱模型来解释，然而巨磁电阻效应是源于自旋有关散射这个理论，没有有关完整研究来支撑 5。2.2 氧化物磁性薄膜2.2.1 铁氧体类尖晶石铁氧体薄膜与石榴石铁氧体薄膜在磁泡和磁记录技术有着广泛应用，在雷达技术之中也有着许许多多应用。微米量级厚薄膜可以用作汽车中小型雷达微波集成器件，还可以防碰撞，并且其使用可以使汽车智能化。可是要完毕这某些工作话，还必要与硬磁膜互相配合使用。2.2.2 简朴氧化物膜简朴氧化物膜有：NiO，CoO，Fe2O3。简朴氧化物膜可以在人工调制膜中耦合层和钉扎层、隧道结膜使用。CoNiO薄膜还可以用作偏置磁场介质层 6。 2.2.3 钙钛矿类钙钛矿类重要是R1-x AxMnO3氧化物薄膜。其中A为二价碱土金属，R为三价稀土金属。(1-x)LaMnO3 + xCaMnO3可以形成La1-xCaxMnO3。这两种氧化物有许多共同点：同样都具备反铁磁和绝缘体特性，抱负状况下为立方构造 7。三 溅射镀膜溅射镀膜原理8是稀薄气体在异常辉光放电中产生等离子体，其在电场作用下，对阴极靶材表面进行轰击，等离子体将靶材表面分子、原子、离子及电子等溅射出来，在这过程中被溅射出来粒子会带有一定动能，沿一定方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。磁控溅射与其他镀膜技术相比具备许多特点：可制备成靶材料诸多，几乎是所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在恰当条件下使用多元靶材共溅射方式，可沉积配比精准恒定合金；在溅射放电氛围过程中加入氧气、氮气或者其他活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子化合物薄膜；通过精准地控制溅射镀膜过程，咱们可以容易地获得均匀高精度膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度非常快，膜层是致密，附着性好等特点，合用于大批量、高效率工业生产。近年来磁控溅射技术发展不久，具备代表性办法有射频溅射反映磁控溅射非平衡磁控溅射脉冲磁控溅射高速溅射等 9。溅射镀膜办法已经被广泛地运用于各种薄膜制备之中。例如用于制备金属、合金、半导体、氧化物、绝缘介质薄膜以及化合物半导体薄膜、碳化物及氮化物薄膜，乃至超高Tc超导薄膜。磁控溅射原理图3.1 平衡磁控溅射平衡磁控溅射就是老式磁控溅射，是在阴极靶材背后放置芯部，与外环磁场强度相等或相近永磁体或者电磁线圈，在靶材表面形成与电场方向垂直磁场。沉积室充入一定量气体，普通是Ar。在高压作用下，Ar原子将会电离，成为Ar+离子和电子，并且会产生辉光放电，Ar+离子经电场加速之后，轰击靶材，溅射出靶材原子、离子和二次电子等电子，在互相垂直电磁场作用下，以摆线方式运动，之后被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中运动轨迹，增长了其参加气体分子碰撞和电离过程，因此会电离出更多离子，提高了气体离化率，在较低气体压力下也可以维持地放电，因而磁控溅射既减少溅射过程中气体压力，又同步提高了溅射效率以及沉积速率 10。3.2 非平衡磁控溅射非平衡磁溅射是1985浮现概念，在那之后，各种不同形式非平衡磁场设计相继浮现，磁场有边沿强，也有中部强，这会导致溅射靶表面磁场是非平衡。磁控溅射靶非平衡磁场不但仅可以通过变化内外磁体大小和强度永磁体获得，也可以由由两组电磁线圈产生，或者是采用电磁线圈与永磁体混合构造，尚有在阴极和基体之间增长附加螺线管，以此用来变化阴极和基体之间磁场，并以其来控制沉积过程中离子和原子比例。3.3 反映磁控溅射在沉积多元成分化合物薄膜过程中，可以使用化合物材料制作靶材来溅射沉积，也可以在溅射纯金属或合金靶材时，通入一定反映气体，例如氧气 氮气，反映沉积化合物薄膜，在溅射过程中有反映产生溅射被称反映溅射 普通纯金属靶和反映气体比较容易获得很高纯度，因此反映溅射被广泛应用沉积化合物薄膜。3.4 中频磁控溅射将直流磁控溅射电源改为交流中频电源就是中频磁控溅射。在中频反映溅射过程中，当靶上所加电压处在负半周期时候，靶材表面被正离子轰击溅射，在正半周期，等离子体中电子加速飞向靶材表面，中和了靶材表面沉积化合物层累积正电荷，从而抑制了打弧现象发生。在拟定工作场强下，如果频率越高，那么等离子体中正离子被加速时间就越短，正离子从外电场吸取能量就越少，轰击靶时能量就越低，溅射速率就会下降，所觉得了维持较高溅射速度，中频反映溅射电源频率普通会在1080 kHz。中频磁控溅射经常同步溅射两个靶，并且配备两个靶尺寸与外形是完全相似，咱们将之称为孪生靶。在整个溅射过程中，两个靶周期性轮流地作为阴极和阳极，既抑制了靶面打火，又消除普通直流反映溅射阳极消失现象，使溅射过程可以稳定进行下去。3.5 脉冲磁控溅射脉冲磁控溅射就是采用矩形波电压脉冲电源代替了老式直流电源进行磁控溅射沉积。脉冲磁控溅射技术是一项可以有效地抑制电弧产生并且进而消除由此产生薄膜缺陷溅射办法，同步还拥有可以提高溅射沉积速率，减少沉积温度等一系列长处。简朴可以划分为双向脉冲和单向脉冲。四 磁性薄膜各项性能测试4.1 振动样品磁强计（VSM）分析磁性能是材料一种重要物理特性，可以对材料磁特性精准测量，是对于磁性能材料研究有着重要意义。磁测试设备重要基于如下原理来进行材料磁性能测量：通过测量材料在非均匀磁场中所受到力来测量材料磁矩。例如磁称、交变梯度磁强计等等。这种办法敏捷度较高，但是，难以测量在不同结晶取向下磁矩。感应法，以感应定律为基本，将样品置于一种均匀磁场当中，让测量线圈和所测样品之间做相对运动，通过测量线圈中感应电压咱们可以推断出材料磁特性。4.2 X 射线衍射（XRD）分析X 射线衍射技术是一项研究材料物相构成、晶体构造类型和晶体学数据重要办法，被广泛地应用于物质构造分析之中。X射线波长和晶体内部原子面之间间距相近，晶体可以作为X射线空间衍射光栅，即当一束X射线照射到物体上面时候，因受到物体中原子散射，每个原子都会产生散射波，这些波将互相干涉，成果就产生了衍射。衍射波叠加成果使射线强度在某些方向上加强，在其她方向上削弱。依照 X 射线在试样上发生衍射后衍射线位置、数目及相对强度信息，咱们可以判断出试样物相、其相对含量，然后拟定晶体晶面间距和晶格常数，从而研究物体构造。4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析扫描电子显微镜（SEM）是1965年创造当代细胞生物学研究工具，其原理是运用二次电子信号成像来观测样品表面形态，即用极狭窄电子束去扫描样品，通过电子束与样品互相作用产生各种效应，其中重要是样品二次电子发射。用扫描电镜观测样品时，规定样品可以较大（1515mm2），制作以便，可以在很大范畴内调节放大倍数，同步景深较大，适于对各种样品观测分析。4.4 原子力显微镜（AFM）分析原子力显微镜是一种可以用来研究绝缘体等固体材料表面构造分析仪器。它通过检测待测样品表面和一种微型力敏感元件之间极薄弱原子间互相作用力来研究物质表面构造及性质。将一对薄弱力极端敏感微悬臂一端固定，另一端微小针尖接近样品，它将与待测样品互相作用，作用力会使得微悬臂发生微小形变或是运动状态发生变化。在扫描样品时，运用传感器检测这些变化，就可以获得作用力分布信息，从而以纳米级辨别率获得表面形貌构造信息及表面粗糙度信息。使用原子力显微镜可从分子或原子水平直接观测晶体或非晶体形貌、缺陷，测量空位能、汇集能及各种力互相作用，这对理解性能与构造之间关系是非常重要作用。通过检测探针-样品作用力可表征样品表面三维形貌，这是AFM 最基本功能。五 磁性薄膜应用磁性薄膜应用非常广泛，信息储存、隐身技术、磁传感器、微波通信、电子对抗、电磁兼容等等方面都可以看到其身影。磁性薄膜可以用做薄膜磁记录介质、薄膜型磁头、薄膜噪声抑制器、平面薄膜电阻、电容。本文着重简介磁性薄膜在薄膜变压器和薄膜电感器应用。5.1 薄膜变压器薄膜变压器分为基于普通变压器原理薄膜变压器、针孔型薄膜变压器以及一、二次绕组同轴排列薄膜变压器。基于普通变压器原理薄膜变压器是最常用薄膜变压器，重要由I型和E型两种重要磁心构造。磁心使用CoZrNb或者CoZrRe，运用真空蒸发和溅射工艺相复合办法制造型和E型磁性层。若磁性层厚度增长，电感量也会增长，而频率增长也会导致电感量增长。针孔型薄膜变压器磁性层为各向异性CoNbZr薄膜,，其绝缘层为聚酰亚氨薄膜，绕组则是铜材料带状导线,，玻璃基片和磁性薄膜上有三个孔,，左边孔和右边孔分别与带状导线及铜底板形成一次绕组和二次绕组回路,，中心孔施加控制电流，通过变化控制电流以及针孔附近外加磁场大小可以变化输出电压大小。一、二次绕组同轴排列薄膜变压器由薄膜导体叠层构成，每片薄膜通过化学办法刻蚀加工而成。此类变压器变压比取决于绕组长度，即变压比和一、二次绕组长度比一致。5.2 薄膜电感器薄膜电感器有栅极型薄膜电感器、螺旋型薄膜电感器和编织型薄膜电感器三种。栅极型薄膜电感器转角比较多，这样增大了薄膜有效面积，又节约了空间，因而单位面积电感量比较大。其缺陷是：由于导线比较长，因而增长了电感器阻抗，使得品质因数有所下降。 螺旋型薄膜电感器有矩形螺旋构造、圆形螺旋构造、双螺旋构造。螺旋型薄膜电感器电感由下至上各层排列普通为：基片底部磁性层绝缘层掩膜绕组绝缘层顶部磁性层保护层,，也有不用任何绝缘层。编织型薄膜电感器磁心为CoFeSiB材料,，用射频控溅射办法在光敏微晶玻璃基片上制成。编织型构造长处是：单位体积电感量更高；磁心闭合磁路使得漏磁大大减少；电感量有比较大提高；磁心独立性，涡流得到了有效抑制，因此品质因数有一定提高。缺陷是编织型薄膜电感器制作工艺较为复杂 11。六 展望如今咱们已经对磁性薄膜做了许多研究，薄膜制备技术诸多，也日益成熟。将来磁性薄膜研究将会倾向于纳米尺度磁性薄膜研究，以及多层膜研究上。磁性薄膜制备也会有新办法，如脉冲激光沉积技术在磁性薄膜制备上应用。咱们可以预见，不久之后，咱们对于薄膜，特别是磁性薄膜研究，将会更上一种台阶。参照文献：1 焦栋茂，张旭东，王姝等. 软磁性薄膜微波磁特性研究进展J. 材料导报，20（12）：104-108.2 冯则坤，邓联文，何华辉. 纳米磁性多层膜微波电磁特性研究J. 功能材料，,35（1）：86-88.3 戴道生. 磁性薄膜研究现状和将来J. 物理，,05:262-269.4 高振声，王士坡. 金属磁性薄膜J. 物理通报，1964,03:106-112.5 魏明真. 金属多层膜微观构造与力学性能尺度效应D. 南京大学，.6 阳昌海,文玉梅,李平,卞雷祥. 偏置磁场对磁致伸缩/弹性/压电层合材料磁电效应影响J. 物理学报,11:7292-7297.7 兰中文,孙科,陈盛明. 氧化物磁性薄膜研究现状及进展J. 磁性材料及器件,01:13-18+50.8 李德元，赵文珍，董晓强，等. 等离子体技术在材料加工中应用M. 机械工业出版社，北京，.1第一版：2379 余平,任雪勇,肖清泉,张晋敏. 磁控溅射真空制膜技术J. 贵州大学学报(自然科学版). 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