高頻用尖晶石結(jié)構(gòu)Mn-Zn鐵氧體薄膜制備與性能研究.pdf

1、尋找和制備能有效吸收雷達(dá)波的新型隱身材料，是世界各國(guó)軍事研究領(lǐng)域的重點(diǎn)攻關(guān)課題之一。從實(shí)用性考慮，新型吸波隱身材料必須要具有：高頻性能優(yōu)越且阻抗匹配、質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。鐵氧體薄膜是重要的備選材料之一。另外，隨著電子設(shè)備向小型化、輕量化、薄形化、高頻化、低損耗和高可靠性的發(fā)展，對(duì)電子元件及材料的要求是朝著進(jìn)一步的小型化、集成化方向壓縮，部分器件將由三維的體材料向二維的薄膜材料方向過(guò)渡。而微波及毫米波器件、可調(diào)濾波器、高密度大容量

2、的薄膜磁記錄介質(zhì)、簿膜型磁頭、磁傳感器、溥膜電感器和生物醫(yī)學(xué)中用做藥物和探測(cè)試劑載體等，都需要膜厚均勻、無(wú)缺陷、具有合適電磁性能的鐵氧體薄膜。 鐵氧體薄膜以其優(yōu)異的高頻電磁特性、良好的機(jī)械耐磨性和穩(wěn)定的化學(xué)性能而成為頗具應(yīng)用價(jià)值的材料引起人們的極大關(guān)注。由于傳統(tǒng)的制備鐵氧體的工藝都要經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砉ば?，而高質(zhì)量Mn-Zn系列軟磁鐵氧體薄膜對(duì)熱處理環(huán)境敏感，不易獲得。因此，目前的研究熱點(diǎn)集中在塊體、納米顆粒鐵氧體材料的動(dòng)態(tài)磁化機(jī)理

3、等方面，而對(duì)于軟磁鐵氧體薄膜的制備和高頻性能的研究才剛剛起步，尚處于初期實(shí)驗(yàn)階段。 本文分別采用了低溫水溶液中的化學(xué)鍍工藝和分層交替濺射法制備了不同Zn含量、不同厚度的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>(0.1≤x≤0.9)鐵氧體納米晶薄膜。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(PNA8363B)和背散射穆斯堡爾譜儀(CEMS)，并結(jié)合其它的一些儀器設(shè)備，研究了

4、Mn-Zn軟磁鐵氧體薄膜樣品的結(jié)構(gòu)與磁性，探討了微結(jié)構(gòu)與磁性之間的關(guān)系，與塊體材料進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)不同方法制備得到的相同成分的樣品性能進(jìn)行了比較；特別是研究了不同方法制備薄膜樣品的高頻動(dòng)態(tài)磁特性。得到的主要結(jié)果如下： 1．成功地摸索和掌握了水溶液化學(xué)鍍制備納米顆粒與薄膜的工藝，自行設(shè)計(jì)加工了整套實(shí)驗(yàn)裝置。首次利用水溶液化學(xué)鍍工藝在玻璃基底上成功地制備了不同Zn含量、不同厚度的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>(0

5、.1≤x≤0.9)鐵氧體納米晶薄膜。由于整個(gè)反應(yīng)是在90℃的水浴環(huán)境中進(jìn)行，薄膜樣品不需經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砉ば?，從而很好地避免了Mn、Fe元素的氧化變價(jià)、析出和Zn元素的揮發(fā)問(wèn)題，制得了高質(zhì)量的Mn-Zn鐵氧體納米晶薄膜。 2．通過(guò)化學(xué)鍍工藝制備的不同Zn含量的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>薄膜樣品的飽和磁化強(qiáng)度M<,s>的變化趨勢(shì)和塊體類(lèi)似，都是先增大，在x=0.5左右達(dá)到最大，然后開(kāi)始減小。這種變化趨勢(shì)完全符

6、合含zn鐵氧體的超交換相互作用理論。而矯頑力H<,c>的變化則和塊體完全不同，它先減小，在x=0.5左右達(dá)到最小，然后開(kāi)始異常增大。這種變化趨勢(shì)上的差別是由于：矯頑力和薄膜樣品的表而平整度有強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)作用，表而起伏越大矯頑力也越大，這種矯頑力增大主要來(lái)源于缺陷的增多和由于晶界體積增大所產(chǎn)生的“釘扎”效應(yīng)對(duì)磁疇翻轉(zhuǎn)的阻礙作用。 3．通過(guò)化學(xué)鍍工藝制備的不同Zn含量的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>薄膜樣品，由于Z

7、n<'2+>對(duì)于A位有著強(qiáng)烈的化學(xué)親和性而優(yōu)先占據(jù)A位，隨著Zn含量的增加致使Fe<'3+>不斷的從A位向B位遷移。 4．多種測(cè)量結(jié)果均顯示，通過(guò)化學(xué)鍍和射頻濺射制備的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>鐵氧體薄膜的金屬陽(yáng)離子分布和塊體不同，其占據(jù)A位的Fe<'3+>離子數(shù)目遠(yuǎn)高于塊體材料，并由此導(dǎo)致反鐵磁結(jié)構(gòu)A，B位抵消后的有效磁矩減小，從而M<,s>明顯地小于相應(yīng)成份的塊體值。 5．通過(guò)單層交替濺射法制

8、得的薄膜樣品的矯頑力H<,c>大于相同成分通過(guò)化學(xué)鍍工藝制備的薄膜樣品值，更是遠(yuǎn)大于塊體Mn-Zn鐵氧體的數(shù)值。這主要是由于濺射法制備鐵氧體薄膜經(jīng)過(guò)了熱處理工序，品粒比低溫水溶液化學(xué)鍍工藝制備的薄膜樣品大的原因。 6．室溫背散射穆斯堡爾譜測(cè)量證明，通過(guò)化學(xué)鍍和射頻濺射制備的300 nm厚Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>鐵氧體薄膜在形狀各向異性作用下，磁矩近似的垂直于γ射線的入射方向，都在薄膜平面內(nèi)部排列，這種易

9、面各向異性的產(chǎn)生是突破Snoek極限、使薄膜樣品的共振頻率向高頻方向大幅提升的根本原因。而高頻磁譜的測(cè)量表明，兩種方法制備的Mn-Zn系列鐵氧體薄膜其自然共振頻率．f<,r>都集中在400-900 MHz(遠(yuǎn)高于根據(jù)μ'=44的Mn-Zn鐵氧體塊狀樣品的斯諾克極限所估算的．f<'r>=130 MHz)，在共振頻率附近，磁導(dǎo)率虛部μ'達(dá)到最大值(≥15)，磁導(dǎo)率實(shí)部μ'為15～35。 7．高頻磁譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的吻合表明：通