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共蒸发磁性纳米颗粒复合膜微观结构演化和磁性能的强磁场调控

马永会  
【摘要】:在高新材料研究中磁性薄膜是其中最为活跃的领域之一,在高密度存储、磁电阻传感器、微机电系统、微变压器和微波吸收等领域具有不可替代的作用。为了提高磁性薄膜的性能,要求颗粒尺寸越来越小。然而,小尺寸纳米颗粒的磁性容易受热扰动的影响,而使薄膜产生超顺磁效应,从而限制了磁性薄膜颗粒的进一步细化及磁性能的提高。纳米颗粒复合膜中的绝缘介质会影响纳米颗粒的耦合作用、磁晶各向异性和退磁效应等,为实现薄膜颗粒细化的同时而磁性能的提高,提供了有效途径。但是,复合膜的颗粒尺寸及分布均匀性很难控制,需要开发新的制备方法或者引入新的控制手段来实现纳米颗粒复合膜纳米尺度结构的控制及性能的提高。本文采用分子束气相沉积(物理气相沉积)的方法制备磁性纳米颗粒复合膜,通过强磁场、生长方式和生长温度等实现纳米尺度结构和性能的控制。研究强磁场下共生长Fe-SiO2、共生长FeNi-Si02和层生长FeNi-SiO纳米颗粒复合膜微观结构演化对磁性能的影响。阐明强磁场调控微观结构演化的机理,确定各种微观结构与磁性能的关系,最终提出通过纳米颗粒尺寸及分布等达到调控磁性能的目的。获得了如下主要结果:(1)强磁场下共生长Fe-Si02纳米颗粒复合膜时,复合膜表面的SiO2向膜内纳米颗粒边界的聚集降低了复合膜表层中Fe的含量,使复合膜沿垂直基底方向分为上下两层。低表面能的SiO2向Fe纳米颗粒边界聚集,使连续膜颗粒中的柱状晶变成等轴晶,形成了 Si02包覆Fe纳米颗粒的纳米颗粒复合膜。另外,采用共蒸发方法引入的SiO2使复合膜中单位体积内磁性相含量比Fe连续膜减少,导致了 Fe-SiO2复合膜的饱和磁化强度Ms比Fe连续薄膜降低73.2%,在特定Si02含量下,矫顽力Hc比Fe连续膜增大350%。结果表明束源温度、基片温度、SiO2含量和强磁场均可调控薄膜的颗粒尺寸和改善薄膜的磁性能。(2)强磁场下共生长FeNi-SiO2纳米颗粒复合膜时,可以在厚度为100 nm、颗粒尺寸为3~5 nm的范围内实现复合膜纳米颗粒的均匀分布。随着磁场强度的增大,磁场的塞曼能使SiO2快速聚集到FeNi颗粒边界抑制其合并长大。由于各纳米颗粒中Fe和Ni含量均有差别,所以FeNi-Si02复合膜中都存在bcc和fcc两相。随着复合膜厚度的增加,纳米颗粒的尺寸增大,饱和磁化强度增大。施加强磁场使薄膜中的纳米颗粒尺寸减小,使饱和磁化强度增加,但由于颗粒间的无序SiO2影响磁畴反转致使其矫顽力没有显著降低,表现出了纳米颗粒复合膜的优异性能。但是,共生长的复合膜中存在纳米颗粒合并的现象。(3)强磁场下层生长FeNi-SiO纳米颗粒复合膜时,通过层生长时磁性层厚度可以控制纳米颗粒的尺寸,通过控制绝缘层厚度及磁性层中绝缘介质的含量可以抑制纳米颗粒的合并,实现纳米颗粒的均匀分布。SiO含量和层厚会对磁性能产生显著影响。SiO和磁性层较厚时膜中的磁性相含量减少,致使磁性层6 nm时复合膜的Ms(397 emu/cm3)比3 nm时增大43.8%。在纳米颗粒尺寸较小的情况下,改变复合膜中SiO的体积分数,可以影响复合膜的矫顽力。


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