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摘要
1 实验▲
2 结果与讨论▲
3 结论▲
参考文献
图▲

图1 制备态TbDyFe薄膜横截面的扫描电镜像

图2 TbDyFe薄膜的磁滞回线

图3 真空退火前后TbDyFe薄膜的磁致伸缩性能

图4 TbDyFe/Fe复合薄膜的磁致伸缩性能

图5 薄膜厚度对磁致伸缩性能的影响

中国有色金属学报

中国有色金属学报 2004,(01),37-41 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.01.008

TbDyFe超磁致伸缩薄膜的低场磁敏特性

万红李再轲邱轶斯永敏

国防科技大学材料工程与应用化学系,国防科技大学材料工程与应用化学系,国防科技大学材料工程与应用化学系,国防科技大学材料工程与应用化学系长沙410073 ,长沙410073 ,长沙410073 ,长沙410073

摘要：

采用磁控溅射法制备了TbDyFe超磁致伸缩非晶薄膜,研究了真空热处理退火及软磁性Fe薄膜的交换耦合作用对TbDyFe超磁致伸缩的低场磁致伸缩性能的影响。研究结果表明:真空退火处理通过改善薄膜的微结构及应力状态,有效地提高薄膜了的低场磁敏性能;易磁化方向平行于膜面的软磁Fe膜的复合,使薄膜平行于膜面的易磁化性能大大提高,复合薄膜的强制磁致伸缩系数(dλ/dH)提高3倍以上。单层薄膜厚度越小,交换作用越强,低场磁致伸缩性能越好;当薄膜厚度大于交互作用距离、薄膜的总厚度不变时,单层薄膜的厚度变化对复合薄膜的磁致伸缩性能没有影响。

关键词：

TbDyFe薄膜;超磁致伸缩;磁控溅射;磁性复合;

中图分类号： TB381

作者简介：万红(1966),女,副教授,硕士.,副教授;电话:07314574772;E mail:wannhong@hotmail.com;

收稿日期：2003-02-08

基金：国家自然科学基金资助项目(59971064);

Magnetostrictive sensitivity of TbDyFe giant magnetostriction film at low magnetic field

Abstract：

Amorphous TbDyFe giant magnetostriction film was prepared by magneto sputtering. The effects of vacuum annealing and coupling of Fe layer between the TbDyFe films on their magnetostrictive characteristics were investigated, respectively. The results show that the annealing treatment can promote the magnetostrictive sensibility of the amorphous single-layer film. For the TbDyFe/Fe multi-layer film, especially, the value of dλ/dH is three times of that of the single-layer film. The smaller the thickness of each layer is, the better its magnetostrictive properties are.

Keyword：

TbDyFe film; giant magnetostriction; magneto sputtering; magnetic coupling;

Received： 2003-02-08

超磁致伸缩材料由于其具有非常强的磁致伸缩效应、很高的机电耦合系数、较高的响应速度及非接触式驱动等优点而倍受关注, 其典型代表为Terfonal-D合金, 其被广泛地应用于航海声纳、大功率超声、精密机械以及功能/结构材料等领域 ^[1,2,3] 。超磁致伸缩材料的薄膜化研究, 促使其实际应用尤其是在微型化器件上的应用成为可能。 20世纪90年代以来, 已有许多研究者对Tb-Fe、 Dy-Fe、 Sm-Fe、 Tb-Dy-Fe(Terfonal-D)等超磁致伸缩薄膜的制备及磁致伸缩性能的应用进行了研究, 取得了较大的进展 ^[4,5,6,7] 。

超磁致伸缩薄膜在微型器件中得到实际应用, 除了取决于超磁致伸缩薄膜本身应具有较大的磁致伸缩常数λ_s外, 更为关键的是薄膜具有高的磁场灵敏度, 即磁致伸缩常数随磁场的变化dλ/dH值(称为强制磁致伸缩系数)大。相关的研究包括: 稀土元素的加入量、薄膜的非晶化及磁性薄膜的耦合。其中磁致伸缩/磁性薄膜复合来提高薄膜的低磁场磁致伸缩特性的方法取得了较好的效果 ^[8,9,10,11] 。

由于磁致伸缩效应是铁磁性材料在磁化过程为了降低系统总能量而产生形变所导致的效应, 薄膜材料的磁化性能决定了薄膜的磁敏性能。由于实际应用中, 外加磁场往往平行于薄膜的表面, 薄膜的磁各向异性对薄膜的平行于膜面的磁化性能及磁致伸缩性能有很大的影响。本文作者通过分析影响磁控溅射TBDyFe薄膜的磁各向异性的因素, 探讨提高薄膜磁致伸缩性能的途径, 并研究了真空热处理退火以及多层Fe磁性薄膜的交换耦合作用对TbDyFe薄膜的低场磁致伸缩性能的影响。

1 实验

1.1 薄膜的制备

采用直流磁控溅射的方法在洗净的单晶硅片(0.2mm×10mm×25mm)上制备TbDyFe单层膜和TbDyFe/Fe多层复合薄膜。所有样品均在水冷基盘(50mm×50mm)上溅射沉积, 溅射气体为高纯氩气(99.99%)。靶材采用Fe单质靶(99.9%)和Tb_0.3Dy_0.7Fe₂复合靶(99.9%), 溅射室本底真空度为2×10^-5Pa, 励磁电流2.0A, Ar气压0.8Pa, 溅射功率80W, 靶面与衬底的距离为60mm, 复合薄膜的制备采用双靶交替溅射的方式, 薄膜厚度取决于溅射时间, 由计算机控制。

1.2 薄膜的热处理及性能检测

样品真空热处理温度为450℃, 升温速度为1℃/s, 保温60min, 降温速度1℃/s, 本底真空度为5×10^-4Pa。

通过悬臂梁方法 ^[12] 测量样品的磁致伸缩系数, 利用X射线衍射(D8ADVANCE)对热处理前后的样品结晶状态进行分析, 利用振动样品磁强计(TM-VSM2050HGC)测试样品的磁性能。

2 结果与讨论

2.1 薄膜的磁各向异性能

X射线衍射结果表明: 对于磁控溅射的TbDyFe薄膜, 采用水冷基盘所制备的薄膜在制备态和450℃真空退火后, 均显现为非晶态结构。从理论上讲, 对于非晶磁性材料, 由于其原子的排列长程无序, 因而没有宏观各向异性, 而原子排列的短程有序, 则使其在结构短程尺度(微区)中存在磁各向异性。在RT非晶合金中, 由于R(稀土)元素的4f电子被屏蔽, 其局域晶场产生局域磁各向异性。当稀土原子对方向序形成时, 可以导致很强的单轴各向异性 ^[13] 。对于结构和成分均匀, 且无内、外应力作用的理想非晶态薄膜, 微区的易磁化轴的方向是无规分布的, 因而没有宏观的磁各向异性。

但非晶态薄膜在沉积过程中, 会产生结构涨落和不均匀性, 它包括密度的涨落、形貌的不平整和应变场的分布, 它们将通过静磁形状效应和磁弹性耦合效应, 使非晶体薄膜具有宏观磁各向异性。

图1所示为制备态TbDyFe薄膜的横截面SEM像, 由图1可以清楚地看到, 薄膜在沉积过程中形成了各向异性的微柱状结构。

图1 制备态TbDyFe薄膜横截面的扫描电镜像

Fig.1 SEM image of as-deposited TbDyFe film

在没有外磁场和外应力的作用下, 非晶体薄膜中的总磁各向异性能量为 ^[14] :

E=E_s+E_d+E_σ (1)

式中 E_s=K_ssin²θ, 是由于柱状微结构导致的磁各向异性能; $E_{d} = - \frac{1}{2} Ν μ_{0} Μ_{s}^{2} \sin^{2} θ$ , 是与退磁场能相关的形状各向异性能, 沿薄膜厚度方向N=1; $E_{σ} = - \frac{3}{2} λ σ \sin^{2} θ$ , 是由薄膜的层间应力引起的磁各向异性能; θ为M_s与膜面法线的夹角; μ₀为真空磁导率; M_s为饱和磁化强度; λ为磁致伸缩系数; σ为薄膜的层间应力。

由此,

$E = (Κ_{s} - \frac{1}{2} Ν μ_{0} Μ_{s}^{2} - \frac{3}{2} λ σ) \sin^{2} θ ? ? ? (2)$

令 $Κ_{e} = Κ_{s} - \frac{1}{2} Ν μ_{0} Μ_{s}^{2} - \frac{3}{2} λ σ ? ? ? (3)$

则K_e称为薄膜的有效磁各向异性常数。

根据能量最低原理, 可以知道, 若K_e>0, 易磁化方向垂直于膜面; 反之, 易磁化方向平行于膜面。

2.2 提高薄膜的磁致伸缩特性的途径

对于超磁致伸缩薄膜材料应用, 研究的重点在于获得高的强制磁致伸缩系数dλ/dH, 因此要求薄膜具有高的低场磁导率和低的饱和磁场强度, 而易磁化轴相对于外磁场的方向是获得所需低饱和磁场强度的关键。由于在实际的应用情况中, 外磁场平行于薄膜的长度方向, 因此, 薄膜的面内易磁化轴有利于获得高的低场磁致伸缩性能。

由公式(3)可以看出, 要使薄膜的易磁化方向平行于膜面, 即K_e<0, 途径有两个: 一是增大λσ值; 二是提高薄膜的饱和磁化强度M_s。对于TbDyFe薄膜而言, 由于其磁致伸缩系数λ>0, 薄膜内的拉应力有利于易磁化轴向平行于膜面方向偏转; 提高薄膜的饱和磁化强度M_s可以通过将超磁致伸缩薄膜与具有高磁化强度且磁致伸缩系数符号相同的软磁薄膜复合来实现, 通过交换耦合作用而使复合薄膜具有高磁导率、低饱和磁场强度。

磁致伸缩是磁性材料在外磁场作用下, 磁畴的磁化状态发生改变, 进而引起材料的宏观形变的物理现象。对于单轴各向异性的磁性薄膜, 其磁畴结构主要是由180°畴壁构成, 而磁化过程中, 180°畴壁位移对磁致伸缩没有贡献。因此, 薄膜的磁致伸缩主要由饱和磁化矢量的转动所决定。假定材料的磁化过程主要是磁畴转动过程, 则磁化强度可表示为 ^[14]

$Μ = \frac{μ_{0} Μ_{s}^{2}}{2 | Κ_{e} |} Η_{e} ? ? ? (4)$

式中 H_e为作用于材料中的有效磁场; M_s为饱和磁化强度。当H_e=2|K_e|/μ₀M_s时, 磁体达到饱和。

当磁化过程由磁畴转动过程所决定时, 沿外磁场方向所产生的磁致伸缩大小为 ^[15]

$λ = \frac{3}{2} λ_{s} (Μ / Μ_{s})^{2} ? ? ? (5)$

将(5)代入(4)中, 有

$λ = \frac{3}{2} λ_{s} (μ_{0} Μ_{s} Η_{e} / | Κ_{e} |)^{2} ? ? ? (6)$

可以看出, 提高薄膜的饱和磁化强度, 降低薄膜的有效磁各向异性常数(应保持K_e<0), 使有效磁场强度增加, 有利于薄膜畴转磁化的进行, 而使薄膜的磁敏性能提高。

2.3 TbDyFe薄膜的低场磁致伸缩性能

制备态薄膜的磁滞回线如图2所示, 由于柱状微结构的影响, 薄膜表现出垂直于膜面的各向异性。薄膜沉积过程中, 由于采用水冷基盘, 溅射温度低于100℃, 因此, 由于Si基片与薄膜的热膨胀系数差异所导致的热应力值很小, 热应力对薄膜的易磁化方向影响较小。

图2 TbDyFe薄膜的磁滞回线

Fig.2 Hypersister loops of TbDyFe film

为了改善超磁致伸缩薄膜的低磁场下的磁致伸缩性能, 分别研究了450℃真空退火和软磁性Fe薄膜复合工艺对薄膜的磁化性能和磁致伸缩系数的影响。

2.3.1 真空退火对薄膜的磁致伸缩性能的影响

XRD结果发现, 450℃真空热处理没有使非晶态的薄膜产生晶化, 但真空热处理一方面减少了薄膜内部的微观结构缺陷, 使结构及成分涨落减少, 微结构趋于均匀; 另一方面也对薄膜内应力状态产生影响。由于薄膜与单晶硅衬底的热膨胀系数不同(TbDyFe线热胀系数为12×10^-6/K,硅线热胀系数为4.1×10^-6/K), 温度及冷却速度的变化, 将使薄膜的内应力发生改变。真空退火过程中, 通过保温阶段, 薄膜内原有的应力产生松弛, 但从高温冷却时, 因薄膜的膨胀系数远大于衬底的膨胀系数, 薄膜产生较大的张应力, 使易磁化方向由原来的垂直膜面向平行膜面方向偏转。薄膜的磁化性能测试显示, 真空退火后, 薄膜的易磁化轴平行于膜面, 面内磁导率有大幅提高。

薄膜磁性能的改变也使薄膜的磁致伸缩性能得到了很大的提高,如图3所示, 在低于250kA/m的磁场强度下, 热处理使TbDyFe单层薄膜的磁致伸缩系数提高了一倍以上, 且薄膜的强制磁制伸缩系数dλ/dΗ得到显著提高。制备态薄膜在300kA/m的磁场强度下, 磁致伸缩系数呈线性增长的方式, 热处理后, 则趋于饱和。

2.3.2 TbDyFe/Fe多层薄膜的磁致伸缩性能

图3 真空退火前后TbDyFe薄膜的磁致伸缩性能

Fig.3 Magnetostrictive curves of TbDyFe films

研究发现, 磁控溅射的单一Fe薄膜为晶态结构, 其易磁化方向平行于膜面。采用计算机控制的交替溅射的方法, 将Fe薄膜与TbDyFe薄膜交替沉积, 得到TbDyFe/Fe多层薄膜,复合薄膜的交替层数为80, 数字表示每层厚度, 如TbDyFe5/Fe5表示TbDyFe和Fe单层厚度分别为5nm。图4表明: 软磁Fe层的交替复合显著地改善了低场磁致伸缩性能。在低于150kA/m的磁场下, 复合薄膜的dλ/dH提高了3倍以上。薄膜的层厚对复合薄膜的磁致伸缩性能也有影响。

Fe的加入, 使TbDyFe和Fe层薄膜的界面处稀土原子与Fe原子的相互作用加强。为了描述这种相互作用的强弱, Parados等 ^[15] 引入了交换磁场的概念, 表示为:

H_ex=(1/μ₀)JM_sd_s (6)

式中 μ₀为真空磁导率; J为软磁和硬磁之间的交换常数, 与两种薄膜的材料本性、厚度比等有关; M_s、 d_s分别为软磁添加层的磁化强度和厚度。由交换磁场出发, 可以推导出复合薄膜的饱和磁场为:

$Η_{s} = \frac{1}{μ_{0} Μ_{Η}} [2 Κ + (\frac{9}{2} E_{Η} - 3 B) λ_{s}] - Η_{e x} ? ? ? (7)$

式中 M_H、 E_H为超磁致伸缩材料的磁化强度和弹性模量; λ_s为多层膜的饱和磁致伸缩系数; B为磁弹性耦合系数; K为磁各向异性常数。

由式(6), (7)可以看出, 所添加的软磁层的饱和磁化强度越高, 复合膜所产生的交换磁场越大, 饱和磁场越小。此外, Fe软磁性层的交替复合也能减小TbDyFe薄膜生长过程中所形成的形状各向异性, 使平行于膜面的磁化性能提高。

薄膜的层厚对饱和磁场的影响则比较复杂, 薄膜的厚度影响复合膜的磁交换作用的强弱。薄膜层厚越小, 交换作用越强。软磁层厚度d_s越小, 磁交换常数J变大。当Fe层厚度小于铁磁交换距离时, 厚度主要通过影响交换常数J影响交换磁场, 软磁层厚度的减小对提高低场下的磁致伸缩性能更为有利。图4(a)的结果显示, 随Fe软磁层厚度d_s的减小, 薄膜的磁致伸缩系数增大。磁致伸缩性薄膜的厚度对磁致伸缩性能的影响规律与Fe层的影响规律相似,随着TbDyFe层厚度的增加, 交换作用减弱, 复合薄膜的饱和磁致伸缩系数和低场dλ/dH均有降低(图4(b))。

图4 TbDyFe/Fe复合薄膜的磁致伸缩性能

Fig.4 Magnetostrictive profiles for TbDyFe/Fe multilayers (a)—Variation of Fe thickness; (b)—Variation of TbDyFe thickness

若单层膜的厚度超过铁磁交换作用距离, 即薄膜厚度大于单层磁性薄膜的畴壁厚度时, 层与层之间形成各自的畴壁, 此时交换磁场为零。图5显示, 当TbDyFe层的厚度超过60nm时, 复合薄膜的低场下的磁致伸缩值和饱和磁致伸缩值都急剧下降, 且磁性层总厚度相同时, 复合膜的磁致伸缩性能与单层薄膜的厚度无关, 复合薄膜的磁化性能为两种薄膜磁化性能的线性叠加。