MgO过渡层诱导Ba/Sr铁氧体薄膜的制备及磁性能研究

【摘要】：近年来,随着电子器件和信息系统的小型化和多功能化的不断发展,各种军用的、商用的微波电子器件(如环行器、隔离器、移相器等)都在向着高功率、高效能、低功耗、低成本的方向发展。为了满足社会对微波磁性电子器件提出的新要求,制备出一种高质量并且具有自偏置特性的铁氧体薄膜材料对于减小现有的微波器件尺寸,促进微波器件向着平面化和集成化的方向发展是至关重要的。 M型六角钡铁氧体(BaM)具有稳定的物理、化学性质,良好的抗腐蚀性,强的单轴各向异性,且易磁化轴为C轴,垂直磁各向异性常数大、高频时具有高的电阻率和介电常数等特性,使它们成为制作微波器件的重要材料。但是,不管是以微波磁性集成器件哪一发展方向作为研究目标,往往都会对所制备的薄膜的饱和磁化强度(Ms)、剩磁比(SQ=Mr/Ms)、C轴取向度、表面平整度和薄膜的厚度等提出要求,所以制备这样的薄膜在实际工艺中有一定的难度。 为了制备出符合使用要求的BaM薄膜,本论文首先采用脉冲激光沉积技术(PLD)对BaM薄膜的生长工艺条件进行研究,探索出缓冲层厚度、结晶温度、薄膜厚度、退火温度等主要工艺参数对薄膜的取向、结晶质量、磁性能的影响规律,得出了制备BaM薄膜的最优生长工艺条件。同时也发现,采用连续生长的方式制备得到的BaM厚膜,薄膜的剩磁比会随着膜厚的增加以近似线性速度下降。为了降低BaM薄膜的剩磁比随膜厚的下降速度,本论文采用了逐层交替生长模式,并成功制备出了厚度达到微米量级、性能优良的BaM双层和三层复合薄膜。相比较于连续生长的相同厚度BaM薄膜,逐层生长得到的复合薄膜大大降低了BaM薄膜的剩磁比的下降速度,改善了薄膜的磁性能。 为了进一步提高BaM复合薄膜随剩磁比,我们在BaM复合薄膜中引入了一层锶铁氧体(SrM)层来代替BaM层,这样就在MgO缓冲层上得到了SrM/BaM双层复合薄膜。X射线衍射(XRD)分析结果表明:此种复合薄膜C轴取向良好,其(0008)面的ω摇摆曲线半高宽(FWHM)仅为0.7°。扫描电子显微镜(SEM)结果显示此时薄膜厚度已达到微米量级。VSM测试分析表明,薄膜的面外饱和磁化强度和剩磁比分别为182 emu/cm~3和0.85,与BaM双层复合薄膜相比较,SrM/BaM双层复合薄膜的剩磁比提高了10%。相对于单层SrM薄膜,SrM/BaM复合薄膜的饱和磁化强度提高了12 emu/cm~3。相对于单层BaM薄膜,SrM/BaM复合薄膜的剩磁比提高了3%。通过以上结果可以看出,SrM/BaM复合薄膜拥有了BaM和SrM单层薄膜各自的优点。这一研究结果为后续SrM/BaM复合厚膜和相关微波器件的研究奠定了基础。