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Sm_xFe_(1-x)薄膜和(Fe)_x(Sm_2O_3)_(1-x)颗粒膜的结构和磁性

张峰  
【摘要】: 随着科技的进步,电子设备向小型化、高度集成化的发展,需要磁性器件小型化和高频化,因此,在高频下应用的软磁薄膜成为软磁材料发展的必然方向,对这类膜的要求是高电阻率ρ、高饱和磁化强度Ms、高磁导率μ和适当大的面内各向异性场Hk,以便有效地抑制高频下的涡流损耗和提高铁磁共振频率fr(f,(?)),后者决定了薄膜在高频上应用的频率上限。稀土-3d过渡金属间化合物由于具有较大的饱和磁化强度、大的磁晶各向异性和磁滞伸缩而有望在高频应用中发挥作用。另外,由金属-绝缘介质组成的纳米颗粒膜同时集中了磁性金属的高Ms、高μ和绝缘介质的高ρ的优点,从而成为软磁材料研究中的又一热点。 本论文采用射频磁控溅射技术成功地制备了SmxFe1-x系列薄膜和(Fe)x(Sm203)1-x系列颗粒膜。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、电子能量损失谱(EDS)、振动样品磁强计(VSM)、磁力显微镜(MFM)、短路微带传输线扰动法等手段,研究了SmxFe1-x薄膜和(Fe)x(Sm203)1-x纳米颗粒膜的晶体结构及微结构、畴结构、静态磁性和高频性质。主要结论如下: 1.利用射频磁控溅射方法成功制备了SmxFe1-x纳米磁性薄膜。样品主要由bcc结构的Fe和菱方结构的Sm2Fe17构成的。 2.溅射功率影响SmxFe1-x薄膜的成份和磁性。随着溅射功率的增大,SmxFe1-x薄膜中Sm的含量降低,SmxFe1-x薄膜的软磁性变好,在溅射功率的改变范围内,120 W功率制备的SmxFel_x薄膜,磁性最好。 3.对SmxFel-x薄膜样品,随着Sm含量的增加,样品的饱和磁化强度4pMs降低。SmxFe1-x薄膜样品中存在应力,不同Sm含量的SmxFe1-x薄膜样品的应力不同,SmxFe1-x薄膜的面内各向异性主要是由Sm2Fe17相晶格常数发生变化导致的应力引起的。Sm含量为26.2%(原子比)的样品,各向异性场最大,Hk=550 Oe。 4.对Sm26.2Fe73.8薄膜样品,随着薄膜厚度的增加,Sm26.2Fe73.8薄膜样品中Sm2Fel7相的结晶程度和晶粒大小不同,导致Sm26.2Fe73.8薄膜样品中的应力不同,样品矫顽力(Hce和Hch)和各向异性场Hk随之变化。 5.利用射频磁控共溅射方法成功制备了(Fe)x(Sm203)1-x系列颗粒膜。样品由纳米级Fe金属颗粒均匀地镶嵌在Sm2O3颗粒中组成。 6.对(Fe)0.73(Sm203)0.27颗粒膜存在一临界厚度,约为tc=65±15 nm。在临界厚度tc以下,薄膜样品具有单轴面内各向异性,对于厚度t=46 nm的样品,Hce=25.3 Oe,Hch=8.6 Oe,Hk=75 Oe,ρ=143μΩ·cm(比金属大一个量级),在小于1.5 GHz的频率范围内μ’大于140,铁磁共振频率fr=2.6GHz。 7.在临界厚度tc以上,薄膜样品中出现垂直各向异性,具有较大的矫顽力Hc,出现条纹畴结构,随着薄膜厚度的增大,样品剩磁MR/Ms减小,条纹畴周期增大。磁谱测量表明,所有样品的共振频率fr3 GHz,复数磁导率虚部μ”随薄膜厚度的增加而增大。结合对样品的静态磁性、微结构、各向异性以及高频特性研究,证明了SmxFe1-x薄膜和(Fe)x(Sm2O3)1-x颗粒膜有良好的应用前景。


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