磁性薄膜研究进展与应用展望

.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：20133808姓 名：陈俊奇班 级：功材1302联系方式：810308904qq.com/15281150891 2016 年 5 月磁性薄膜研究进展与应用展望摘 要：磁性薄膜是一个十分活跃的研究方向，广泛应用于电子学领域。本文对目前磁性薄膜的研究进展进行综述，简单地介绍了磁性薄膜的特点、磁性薄膜的制备方法以及磁性薄膜的表征手段。对磁性薄膜今后的研究方向进行探讨并讨论其新的应用可能。关键词：磁性薄膜，磁性能，制备方法，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、钴一类的过渡族元素及其合金等直接或间接产生磁性的物质来制备的薄膜，薄膜的厚度一般在几十纳米到几微米之间。磁性薄膜与普通薄膜相比, 其具有许多特殊的性能, 比如巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。因为其特殊的性能，磁性薄膜已经成为当前电子信息材料领域的研究的一大热点之一 1。磁性薄膜在电子学领域有广泛的应用，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的各种器件，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。目前，金属类Fe、Co及Fe-Ni系等的研究已较为成熟，氧化物类主要分为尖晶石、磁铅石及石榴石铁氧体三大类。本文主要介绍氧化物磁性薄膜。制备薄膜的方法大致可归为化学方法与物理方法两大类，薄膜制备的方法很多，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、分子自组装等诸多方法。本文主要介绍溅射镀膜。二 磁性薄膜的分类磁性薄膜按照材料的不同大致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的应用相对较多，比如磁记录使用的FeCrCo膜、磁光存储使用的TbFeCo膜等等，以及FeNi膜传感器。Ni-Fe合金的磁电阻是各向异性( AMR )的，在某一平面上，当其所加的电流和磁场互相平行时有：=(H)-(0)0， 但是当相互垂直时有： 0，因此它可用做磁电阻磁头。随着维度的降低，材料当中的原子磁矩将会升高。对于大块材料和单个原子的结果相对来说容易验证，然而其他的结果就必须要制备出高质量的磁性超薄膜和线链，并且经过仔细地测量和分析后才能给出验证结果。这是因为薄膜必须在基片上生长，而且在表面上是否有覆盖物，磁性都会受到影响，表现出的磁性会有很大的不同3。2.1.2 金属多层膜与金属多层膜的研究也是非常多，比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。金属多层膜的类型有多层膜、人工超晶格、三明治膜、自旋阀型膜等等 4。从总体的来看，层间耦合是由于导电电子的极化和类RKKY作用产生的，也可用量子阱模型来解释，然而巨磁电阻效应是源于自旋相关散射这个理论，没有相关完整的研究来支撑 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的应用。微米量级的厚薄膜可以用作汽车中小型雷达的微波集成器件，还可以防碰撞，并且其使用可以使汽车智能化。可是要完成这部分工作的话，还必须与硬磁膜相互配合使用。2.2.2 简单氧化物膜简单的氧化物膜有：NiO，CoO，Fe2O3。简单氧化物膜能够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的介质层 6。 2.2.3 钙钛矿类钙钛矿类主要是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：同样都具有反铁磁和绝缘体特性，理想情况下为立方结构 7。三 溅射镀膜溅射镀膜的原理8是稀薄气体在异常辉光放电中产生等离子体，其在电场的作用下，对阴极靶材的表面进行轰击，等离子体将靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，在这过程中被溅射出来的粒子会带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有许多特点：可制备成靶的材料很多，几乎是所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下使用多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确的恒定的合金；在溅射的放电气氛过程中加入氧气、氮气或者其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，我们可以容易地获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度非常快，膜层是致密的，附着性好等特点，适用于大批量、高效率的工业生产。近年来磁控溅射技术发展很快，具有代表性的方法有射频溅射反应磁控溅射非平衡磁控溅射脉冲磁控溅射高速溅射等 9。溅射镀膜的方法已经被广泛地运用于各种薄膜的制备之中。比如用于制备金属、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传统的磁控溅射，是在阴极靶材的背后放置芯部，与外环磁场强度相等或相近的永磁体或者电磁线圈，在靶材的表面形成与电场方向垂直的磁场。沉积室充入一定量的气体，一般是Ar。在高压的作用下，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，在相互垂直的电磁场的作用下，以摆线的方式运动，之后被束缚在靶材表面，延长了其在等离子体中的运动轨迹，增加了其参与气体分子碰撞和电离的过程，所以会电离出更多的离子，提高了气体的离化率，在较低的气体压力下也可以维持地放电，因而磁控溅射既降低溅射过程中的气体压力，又同时提高了溅射的效率以及沉积速率 10。3.2 非平衡磁控溅射非平衡磁溅射是1985出现的概念，在那之后，各种不同形式的非平衡磁场设计相继出现，磁场有的边缘强，也有的中部强，这会导致溅射靶表面磁场是非平衡的。磁控溅射靶的非平衡磁场不仅仅可以通过改变内外磁体的大小和强度的永磁体获得，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结构，还有的在阴极和基体之间增加附加螺线管，以此用来改变阴极和基体之间的磁场，并以其来控制沉积的过程中离子和原子的比例。3.3 反应磁控溅射在沉积多元成分的化合物薄膜过程中，可以使用化合物材料制作的靶材来溅射沉积，也可以在溅射纯金属或合金靶材时，通入一定的反应气体，比如氧气 氮气，反应沉积化合物薄膜，在溅射过程中有反应产生的溅射被称反应溅射 通常纯金属靶和反应气体比较容易获得很高的纯度，所以反应溅射被广泛的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。在中频反应溅射过程中，当靶上所加的电压处在负半周期的时候，靶材表面被正离子轰击溅射，在正半周期，等离子体中的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的正电荷，从而抑制了打弧现象的发生。在确定的工作场强下，如果频率越高，那么等离子体中正离子被加速的时间就越短，正离子从外电场吸收的能量就越少，轰击靶时的能量就越低，溅射速率就会下降，所以为了维持较高的溅射速度，中频反应溅射电源的频率一般会在1080 kHz。中频磁控溅射常常同时溅射两个靶，并且配置的两个靶的尺寸与外形是完全相同的，我们将之称为孪生靶。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，又消除普通直流反应溅射的阳极消失现象，使溅射过程能够稳定进行下去。3.5 脉冲磁控溅射脉冲磁控溅射就是采用矩形波电压的脉冲电源代替了传统直流电源进行的磁控溅射沉积。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的薄膜缺陷的溅射方法，同时还拥有可以提高溅射沉积速率，降低沉积温度等一系列的优点。简单可以划分为双向脉冲和单向脉冲。四 磁性薄膜的各项性能测试4.1 振动样品磁强计（VSM）分析磁性能是材料的一个重要物理特性，能够对材料的磁特性精确测量，是对于磁性能材料的研究有着重要意义。磁测试设备主要基于以下原理来进行材料的磁性能的测量：通过测量材料在非均匀磁场中所受到的力来测量材料磁矩。比如磁称、交变梯度磁强计等等。这种方法的灵敏度较高，不过，难以测量在不同结晶取向下的磁矩。感应法，以感应定律为基础，将样品置于一个均匀的磁场当中，让测量线圈和所测样品之间做相对运动，通过测量线圈中的感应电压我们可以推断出材料的磁特性。4.2 X 射线衍射（XRD）分析X 射线衍射技术是一项研究材料的物相组成、晶体的结构类型和晶体学数据的重要方法，被广泛地应用于物质的结构分析之中。X射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即当一束X射线照射到物体上面的时候，因受到物体中原子的散射，每个原子都会产生散射波，这些波将互相干涉，结果就产生了衍射。衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。根据 X 射线在试样上发生衍射后的衍射线位置、数目及相对强度信息，我们可以判断出试样的物相、其相对含量，然后确定晶体的晶面间距和晶格常数，从而研究物体的结构。4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的现代的细胞生物学研究工具，其原理是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。用扫描电镜观察样品时，要求的样品可以较大（1515mm2），制作方便，可以在很大的范围内调节放大倍数，同时景深较大，适于对各种样品的观察分析。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结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，它将与待测样品相互作用，作用力会使得微悬臂发生微小的形变或是运动状态发生改变。在扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可以获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构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察晶体或非晶体的形貌、缺陷，测量空位能、聚集能及各种力的相互作用，这对了解性能与结构之间的关系是非常重要的作用。通过检测探针-样品作用力可表征样品表面的三维形貌，这是AFM 最基本的功能。五 磁性薄膜的应用磁性薄膜的应用非常广泛，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。本文着重介绍磁性薄膜在薄膜变压器和薄膜电感器的应用。5.1 薄膜变压器薄膜变压器分为基于普通变压器原理的薄膜变压器、针孔型薄膜变压器以及一、二次绕组同轴排列的薄膜变压器。基于普通变压器原理的薄膜变压器是最常见的薄膜变压器，主要由I型和E型两种主要的磁心结构。磁心使用CoZrNb或者CoZrRe，利用真空蒸发和溅射工艺相复合的方法制造型和E型磁性层。若磁性层厚度的增加，电感量也会增加，而频率的增加也会导致电感量的增加。针孔型薄膜变压器的磁性层为各向异性的CoNbZr薄膜,，其绝缘层为聚酰亚氨薄膜，绕组则是铜材料的带状导线,，玻璃基片和磁性薄膜上有三个孔,，左边的孔和右边的孔分别与带状导线及铜底板形成一次绕组和二次绕组的回路,，中心孔施加控制电流，通过改变控制电流以及针孔附近外加磁场的大小可以改变输出电压的大小。一、二次绕组同轴排列的薄膜变压器由薄膜导体叠层组成, 每片薄膜通过化学方法刻蚀加工而成。这类变压器的变压比取决于绕组的长度, 即变压比和一、二次绕组的长度比一致。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。栅极型薄膜电感器的转角比较多，这样增大了薄膜的有效面积，又节省了空间，因此单位面积的电感量比较大。其缺点是：由于导线比较长，因而增加了电感器的阻抗，使得品质因数有所下降。 螺旋型薄膜电感器有矩形螺旋结构、圆形螺旋结构、双螺旋结构。螺旋型薄膜电感器的电感由下至上各层的排列一般为：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的。编织型薄膜电感器的磁心为CoFeSiB材料,，用射频控溅射的方法在光敏微晶玻璃基片上制成。编织型结构的优点是：单位体积的电感量更高；磁心闭合磁路使得漏磁大大减少；电感量有比较大的提高；磁心的独立性，涡流得到了有效的抑制, 所以品质因数有一定的提高。缺点是编织型薄膜电感器的制作工艺较为复杂 11。六 展望如今我们已经对磁性薄膜做了许多研究，薄膜的制备技术很多，也日益成熟。未来的磁性薄膜研究将会倾向于纳米尺度磁性薄膜的研究，以及多层膜的研究上。磁性薄膜的制备也会有新的方法，如脉冲激光沉积技术在磁性薄膜制备上的应用。我们可以预见，不久之后，我们对于薄膜，特别是磁性薄膜的研究，将会更上一个台阶。参考文献：1 焦栋茂, 张旭东，王姝等. 软磁性薄膜微波磁特性的研究进展J. 材料导报, 2006，20（12）：104-108.2 冯则坤, 邓联文，何华辉. 纳米磁性多层膜的微波电磁特性研究J. 功能材料, 2004,35（1）：86-88.3 戴道生. 磁性薄膜研究的现状和未来J. 物理, 2000,05:262-269.4 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. 金属多层膜微观结构与力学性能的尺度效应D. 南京大学, 2015.6 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的影响J. 物理学报,2008,11:7292-7297.7 兰中文,孙科,陈盛明. 氧化物磁性薄膜的研究现状及进展J. 磁性材料及器件,2007,01:13-18+50.8 李德元, 赵文珍, 董晓强, 等. 等离子体技术在材料加工中的应用M. 机械工业出版社, 北京, 2005.1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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