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Co/ZnO纳米颗粒薄膜的磁特性研究

崔福良  
【摘要】: 纳米磁性颗粒膜是将磁性微颗粒嵌在互不固溶的基质材料 中而形成的复合薄膜。金属颗粒悬浮于不固溶的基质中,其结 构和特性比较稳定。膜中的颗粒是介于宏观和微观之间的物质 的一种新凝聚态,其尺寸范围一般在1个纳米~100个纳米之间。 同大块材料相比,由于颗粒尺寸的减小,颗粒具有明显的小尺 寸效应与表面效应。在一定的组成和微结构条件下,颗粒膜常 呈现出独特的磁性行为。 本文第一章主要介绍了颗粒膜的磁特性。颗粒膜的磁性与 磁性金属在膜中所占的体积百分比有密切关系。颗粒所占体积 比很小时,颗粒嵌在介质中,互相绝缘。随着体积比的增大, 颗粒膜的矫顽力也随之增大。当体积比达到逾渗值时,膜中的 颗粒开始互相交错,形成网络状,导致矫顽力的急剧下降。颗 粒膜中的磁性主要是受颗粒大小的影响,当颗粒很小时,以至 于颗粒的磁能小于热能,在热扰动的作用下,整个颗粒可视为 一个顺磁原子,其磁特性可用Langevin函数来描述。颗粒尺寸 变小,比表面积相应增大,此时,表面效应成为影响颗粒磁性 的一个重要机制。由于颗粒表面处原子排列的不完整以及不对 称造成表面原子的自旋结构不同与体内,是混乱分布的,存在 表面各向异性。表面原子与颗粒内部原子形成了一种core/shell 结构。颗粒内部的铁磁性物质为core,外层包围的原子为shell。 门圳内’o仰凹 *en比en亡入颗粒的农厂备向 异性自后,推导出 了卜*-Sin。颗 粒腆的矫顽力 jL与颗粒直径 d之间的关系。合理地解释了 H col松的规律。颗粒尺寸的变小,意味着颗粒内自由电于数 减少。根据KUbO理论,这将使颗粒中的电子能级由连续变为分 立,呈现量于尺寸效应。微观粒于还有宏观量子隧道效应,一些 宏观龄,如磁化强度,磁通量,l七荷等可以通过隧道效应,穿 越宏观系统的势垒而产牛变化。木章的最后还介绍了制备磁性 颗粒吸的方法。最广泛攸用的就是肘频(RF)磁控溅射技术。 采川这种技术可以摆脱溅射时靶材导电性的限制,井且可以提 高溅射诬率,改善)吠的质旦。这种技术最适宜制备金属/纶缘体 颗粒腆。另一种常用的方法就是采用蒸发法。这种技术制备的 顺粒尺寸与真空室中充入的惰性气体的气压有关。 第二章介绍我们制备Co/Zno 4W粒膜所用的溅射系统、制备 过稚以及颗粒膜特性的测量。我们采用配有SY型500w射频电 源的JCK-500W型磁控溅射仪来制备Co/Zno #粒膜。靶材分别 .采用分立的h靶和b心靶。溅射时,载有衬底的基片架转动。 结构特性采川X射线衍射仪(川m)测量,磁特性和电特性分别 采用振动样,宛磁强计(VSM)和四探针方法测量。颗粒大小利用 CO衍射峪的半 if宽址行计算得到。 第三章给出了我们的实验结果及其分析情况。溅射时采用 *气作为工作人(体,在低气压1~3Pa范围内,冰气压对腆的淀 .4. W刎山芥摘业 积浊率没有明显的影lllN。固定靴的溅射功率在100w,C。靶的 溅射I’D压在350V,改变C。靶的溅射电流,膜中*。的体积百分 比近似与其溅射电流成正比。X射线衍射谱表明:ZnO的c-轴 垂直膜面择优生长明显,而Co在Co/ZnO颗粒膜中以伙结构 存在,在我们制备的所有样品中没有出现 hCp结构。在 TS习7℃~ 150‘〔范田 内退火萝7>350’C时JI二夕出现明 显的COO的行射峰沪 在整个退火温度范围内,没有发现C。的其他氧化物。C。的体 积百分比为扣%左右时,在C刀℃~的0℃范围内退火,可明 显改变 Co/ZnO颗粒膜的磁性。在乙<200℃时,#s随C的升 高而增大,这是对o的体积百分比为49%的样品而言,当体积 百分比增大为52%时,这一退火温度有下降的趋势。随后C升 高,人s又随之降低。而矫顽力凤在入<200”C时,随C的升高 而减小,之后,又随入的升坏而抑大至引3A。在继个退火范 围内,剩磁比小于或近似等于0.5。CO的含量较少时(约为36%人 颗粒腆呈现超顺磁性。尽管在7:l=27℃~800℃之间的大范围内 退火,颗粒腆仍保持超顺磁性。用 Langevin函数对实验结果进 行拟和,符合的很好。常温下,Co/ZnO颗粒膜的颗粒直径在 17urn~46urn 之问 变化时,Hccol/d。Co/ZnO颗粒膜经 TS=450”C 谁火处划的样品在T= 278K时,磁滞M线发生了较大的偏移。


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