專利名稱：一種制備Ni-Zn鐵氧體薄膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備Ni-ai鐵氧體薄膜的方法，特別是一種可得到具有更佳的軟磁和微波性能的尖晶石型Ni-ai鐵氧體薄膜的方法。
背景技術：
近年來，隨著通訊、計算機以及高密度磁記錄材料的迅速發(fā)展，對磁性材料的性能要求越來越高。尤其是隨著信息處理頻率的不斷提高(例如手機、無線LAN系統(tǒng)和藍牙器件等常用的工作頻率已經提高到了 1-5GHZ)，涉及信息存儲和轉換(例如電感、變壓器和電磁屏蔽系統(tǒng)等)的微磁器件迫切要求工作在GHz范圍內的高性能磁性材料。尖晶石型 Ni-Si鐵氧體材料由于其具有高電阻率、高居里溫度、低溫度系數和優(yōu)良的高頻微波性能等優(yōu)點，在變壓器、高頻電感磁芯和微波吸收等方面有著廣泛的應用。因此制備具有優(yōu)良電磁特性的Ni-Si鐵氧體薄膜材料在高頻微磁器件方面有很大的市場需求。目前，為使材料便于在電子集成微器件中應用，Ni-Si鐵氧體薄膜一般在低溫下制備。然而，低溫制備的Ni-ai鐵氧體薄膜軟磁和微波性能較差，這嚴重影響了其在集成微磁器件中的應用。因此從薄膜制備的角度來看，找到一種有效提高Ni-ai鐵氧體薄膜的軟磁和微波性能的方法是非常重要的。就目前報道的文獻來看，薄膜制備時使用襯底層(緩沖層)是一種提高鐵氧體薄膜軟磁性能常用且有效的辦法。例如使用Sii^2O4作為襯底層來提高Ni-ai鐵氧體薄膜軟磁性能J. H. Gao, Y. T. Cui, and Ζ. Yang, "The magnetic properties of NixZn1^Fe2O4 films fabricated by alternative sputtering technology", Materials Science and Engineering B 110,111-114(2004)；使用 YSZ(YaiJra85O2)作為襯底層來制備和提高 Ni-Zn 鐵氧體薄膜軟磁性能S. Y. Bae，C. S. Kim, and Y. J. Oh, "Magnetic properties of sol-gel derived Ni-Zn ferrite thin films on yttria stabilized zirconia buffered Si(IOO) ”，Journal of Applied Physics 85,5226-5228(1999).這種使用非磁性氧化物作為襯底層的傳統(tǒng)方法是利用減弱基底與鐵氧體薄膜間的應力從而達到提高鐵氧體薄膜軟磁性能的目的，然而這種傳統(tǒng)的方法僅僅實現了對鐵氧體薄膜軟磁性能的優(yōu)化(例如飽和磁化強度Ms得到了提高，矯頑力H。得到了降低)，而對鐵氧體薄膜微波磁性的提高卻沒有明顯的效果。同時在現有報道的文獻中，也沒有見到同時有效提高鐵氧體薄膜軟磁性能和微波磁性的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明為一種可克服現有技術不足，能制備出其軟磁性能和微波性能均優(yōu)于現有技術制備的尖晶石型Ni-ai鐵氧體薄膜方法。本發(fā)明的Ni-ai鐵氧體薄膜制備方法是首先在基底材料上沉積一層反鐵磁材料 Fe50Mn50,然后再在!^e5ciMn5ci層上沉積Ni-Si鐵氧體薄膜層。本發(fā)明所這的薄膜沉積方法可以是濺射法(sputtering)、脈沖激光沉積法(PLD)和分子束外延法(MBE)等常用的制備方法。本發(fā)明制備Ni-ai鐵氧體薄膜的方法優(yōu)選的是先在基底材料上沉積厚度為15 35nm的!^5ciMn5tl層，然后再沉積制M-Si鐵氧體薄膜層。根據相關的實驗，實施本發(fā)明的方法時，先沉積制得的層厚15 35nm Fe50Mn50層后，再沉積制得的Ni-Si鐵氧體薄膜層厚度為 10 50nm，其成分為 NixZn1^xFe2O4 (0 < χ < 1)。利用本發(fā)明的方法還可在同一襯底上制備出多層Ni-ai鐵氧體薄膜，其具體做法是首先在基底材料上沉積一層反鐵磁材料I^5tlMn5tl，再在!^e5ciMn5ci層上沉積Ni-Si鐵氧體薄膜，然后再在Ni-Si鐵氧體薄膜層上沉積一層 ^5(1Μη5(1，再在這一 !^e5ciMn5ci層上沉積Ni-Si鐵氧體薄膜層，依次重復這一過程，得到多層M-Si鐵氧體薄膜。按本發(fā)明的方法得到的多層 [Fe5ciMn5cZNixZrvxFi52O4]n薄膜可有效提高不同厚度的Ni-Si鐵氧體薄膜軟磁和微波性能。本發(fā)明中利用反鐵磁材料!^e5ciMn5ci作為襯底層可以達到提高Ni-Si鐵氧體薄膜軟磁性能和微波性能，其原因是=Fe5tlMn5tl襯底層的使用，可以改變鐵氧體薄膜的微結構，其組成晶粒得到了細化，降到了納米量級，同時顆粒形貌也變得均勻化。由于在納米晶材料中晶粒尺寸小于交換長度，通過晶粒之間的交換耦合作用可以大幅度降低每一個晶粒的磁晶各向異性，所以制備的M-Si鐵氧體薄膜軟磁性能得到了很好的優(yōu)化。同時!^e5ciMn5ci材料是一種反鐵磁材料，用它作為襯底層，對生長的Ni-Si鐵氧體薄膜具有釘扎作用，從而使鐵氧體薄膜的磁化強度更趨于面內排列，因此制備的Ni-Si鐵氧體薄膜的微波性能得到了提高。


圖1是成份為χ = 0. 45的Ni-ai鐵氧體薄膜的掠角入射X射線衍射圖。圖2是利用掃描電鏡對未使用(a)和使用(b)襯底層制備的Ni-Si鐵氧體薄膜的微觀形貌觀測。圖3是利用原子力顯微鏡對樣品的微觀形貌觀測圖，其中圖a和圖b和為現有技術制備的Ni-ai鐵氧體薄膜樣品，而圖C和圖d為本發(fā)明實施例的Ni-ai鐵氧體薄膜樣品。圖4是利用振動樣品磁強計對樣品的宏觀直流磁性測量。其中標記有方格的曲線為現有技術所得到的Ni-Si鐵氧體薄膜樣品，而標記有小圓圈的曲線為本發(fā)明實施例制備的Ni-Si鐵氧體薄膜樣品。圖5是利用矢量網絡分析儀并結合微帶線法對樣品進行微波磁性測量，其中圖a 為現有技術制備的Ni-Si鐵氧體薄膜樣品，圖b為本發(fā)明實施例制備的Ni-Si制備的鐵氧體薄膜樣品。圖6是對采用本發(fā)明的方法制備的多層M-ai鐵氧體薄膜樣品的宏觀直流磁性測量和高頻磁性測量的結果，其樣品為[Fe55tlMn5tZNia45Ζ%55^04]6。
具體實施例方式本發(fā)明以下結合實施例的Nia45Sia55Fe2O4薄膜的制備，及其軟磁性能和微波磁性提高進行解說，在本實施例的制備過程中沉積薄膜所使用的設備為沈陽中科儀于2003年生產的FJI560-I型超高真空磁控與離子束濺射設備中的射頻濺射部分。濺射設備需要兩個射頻磁控靶為商用高純度(99.99% ) Wi^5ciMn5ci層的靶材，制備Ni-Si鐵氧體薄膜的靶材采用傳統(tǒng)的共沉淀法制備m-ai鐵氧體粉末，并經壓制燒結制備而成。薄膜沉積過程是先把真空腔的真空度抽至5. 0X10_5以下，在射頻電源功率為50W，濺射氣體為高純度 Ar氣，濺射氣壓為0. 2Pa的條件先在單晶Si (111)基底上面沉積一層25nm厚的!^e5ciMn5ci襯底層薄膜。再在射頻電源功率為200W，濺射氣體為Ar和&混合氣體，氧分壓為20%，濺射氣壓為2. OPa的制備條件下再沉積一層40nm厚的Ni-Si鐵氧體薄膜，得到!^5tlMn5tl (25nm) / Ni0.45Zn0.55Fe204(40nm)的薄膜。其測試結果如附圖1_5所示。圖1中，(a)表示的是單層Nia45Zna55Fe2O4薄膜，(b)表示的是加入了襯底層的!^e5ciMn5cZNia45Zna55Fe2O4雙層薄膜，從圖中可以看出Ni-^i鐵氧體薄膜在加入!^eMn襯底層后晶體結構沒有明顯的變化，均為單相的尖晶石結構。其中^5ciMn5ci層厚度為25nm， Ni0.45Zn0.55Fe204 層厚度為 40nm。從圖2中可以看出，使用了 !^Mn襯底層后，所得到的鐵氧體薄膜的組成顆粒得到了細化和均勻化，形貌一致，顆粒減小約為15nm。圖3中，其中圖(a，c)為薄膜平面圖，圖(b，d)為薄膜三維圖。從圖中也可以明顯的看出，使用了 ^Μη襯底層后，鐵氧體薄膜的組成顆粒得到了細化和均勻化，形貌變得一致，這一點與圖2所示結果是一致的。從圖4結果來看，加入!^Mn襯底層后Ni-Si鐵氧體薄膜的軟磁性能得到了明顯的提高，矯頑力Hc從890e降低到390e，剩磁比Mr/Ms從0. 22增加到0. 60。從圖5結果顯示出使用!^Mn襯底層的Ni-Si鐵氧體薄膜的磁譜中出現了明顯的自然共振峰，且在GHz范圍，約為1. 65GHz,同時具有較高的轉動初始磁導率。經多次實驗研究結果發(fā)現=Fe5tlMn5tl襯底層厚度在15 35nm之間時，都可以有效的提高NixSi1Je2O4 (0 < χ < 1)薄膜(10 50nm)的軟磁和微波性能。利用本發(fā)明的方法還可制備出[Fe5ciMn5cZNixZrvxFi52O4]n的多層薄膜，從而實現提高較厚的(大于50nm)Ni-Si鐵氧體薄膜磁性能的目的。以n = 6 的[Fe50Mn50/NixZni_xFe204]6 為例，按照前面介紹 Fe50Mn50(25nm)/ Ni0.45Zn0.55Fe204(40nm)薄膜的制備過程和條件，依次重復實驗做6遍即可，在此過程中需要注意的是在沉積完每層薄膜后，都需要將真空腔的真空度重新抽至5. 0 X ΙΟ"5以下，然后再沉積新的薄膜層。當 η = 6 時，即復合薄膜為[Fe50Mn50(25nm) /Ni0.45Zn0.55Fe204(40nm) ]6, 時鐵氧體厚度總的厚度為MOnm，其宏觀直流磁性和高頻磁性如圖6所示，結果表明鐵氧體薄膜的軟磁性能和微波磁性也得到了有效的提高。由此可見，按照本發(fā)明的方法同樣可以提高較厚的鐵氧體薄膜的磁性能。
權利要求
1. 一種制備Ni-ai鐵氧體薄膜的方法，其特征在于首先在基底材料上沉積一層反鐵磁材料!^e5ciMn5ci，然后再在!^5ciMn5ci層上沉積Ni-Si鐵氧體薄膜。
2.權利要求1所述的制備Ni-Si鐵氧體薄膜的方法，其特征在于先在基底材料上沉積厚度為15 35nm的^J5tlMn5tl層，然后再沉積制備Ni-Si鐵氧體薄膜層，其厚度為10 50nm。
3.制備多層Ni-ai鐵氧體薄膜的方法，其特征在于首先在基底材料上沉積一層反鐵磁材料!^5tlMn5tl,再在!^e5ciMn5ci層上沉積Ni-Si鐵氧體薄膜，然后再在Ni-Si鐵氧體薄膜層上沉積一層R5ciMn5ci,再在這一 !^e5ciMn5ci層上沉積Ni-Si鐵氧體薄膜層，依次重復這一過程，得到多層Ni-Si鐵氧體薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開一種制備鐵氧體薄膜的方法，特別是一種可得到具有更佳的軟磁和微波性能的尖晶石型Ni-Zn鐵氧體薄膜的方法。本發(fā)明的方法是首先在基底材料上沉積一層反鐵磁材料Fe50Mn50，然后再在Fe50Mn50Fe50層上沉積Ni-Zn鐵氧體薄膜層。本發(fā)明的方法還可制備出多層Ni-Zn鐵氧體薄膜。采用本發(fā)明的方法可以提高所制備的Ni-Zn鐵氧體薄膜軟磁性能和微波性能。
文檔編號C23C14/06GK102321863SQ20111011298
公開日2012年1月18日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2011年4月28日
發(fā)明者蔣長軍, 薛德勝, 郭黨委 申請人:蘭州大學