一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法
【專利摘要】一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，涉及納米復(fù)合薄膜。將兩片F(xiàn)e65Co35靶安裝在對向靶裝置上；將Ni0.5Zn0.5Fe2O4靶安裝在單靶上，將硅基片固定在沉積室內(nèi)樣品架上并抽真空；產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽，氣相Fe、Co原子在濺射室中形成Fe65Co35合金納米顆粒，經(jīng)過過濾區(qū)噴嘴的篩選后得納米粒子束流，進(jìn)入沉積室并沉積到基片上；制備Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜；在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用下使基片交替沉積Fe65Co35合金納米顆粒和Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜，使Fe65Co35合金納米顆粒在真空中直接原位組裝到Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜中形成雙磁性相納米復(fù)合薄膜。
【專利說明】一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米復(fù)合薄膜，尤其是涉及磁性金屬/合金納米粒子與常規(guī)鐵氧體復(fù)合薄膜材料的一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為了滿足人們對電子器件輕便、小巧、高頻(GHz頻段)應(yīng)用等的使用需求，致使其電磁元器件向著高頻化、微型化、薄膜化、集成化等方向發(fā)展。雖然現(xiàn)有的集成電路制造工藝可以顯著縮小處理器尺寸，但是仍有一部分核心部件比如集成電感、噪音抑制器等射頻磁性器件在高頻化、微型化和集成化等方面面臨諸多困難。為了解決以上難題，具有高飽和磁化強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、高共振頻率以及高電阻率(以便能有效抑制渦流損耗)的軟磁薄膜材料引起了人們越來越多的關(guān)注。
[0003]金屬軟磁薄膜材料盡管具有比較高的飽和磁化強(qiáng)度，但其較低的電阻率限制了在高頻器件上的應(yīng)用。鐵氧體作為傳統(tǒng)的高頻用軟磁材料，雖然具有很高的電阻率，但由于其飽和磁化強(qiáng)度低，根據(jù) Snoek 理論((μ s_l) fr = (2/3) Y 4 n Ms) (J.L.SNOEK, GyromagneticResonance in Ferrites, Nature, 1947, 160, 90),在 GHz 使用頻率下無法保持高的磁導(dǎo)率。因此鐵氧體為作為單一相高頻磁性材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代射頻集成電路向高頻化、微型化等的發(fā)展的要求。目前，提高磁性薄膜材料高頻性能的一個重要途徑是將具有高飽和磁化強(qiáng)度的鐵磁性顆粒(如Fe65Co35合金納米顆粒)復(fù)合封裝到軟磁鐵氧體薄膜(如Nia5Zna5Fe2O4薄膜)中形成新型的(Fe65Co35)i(Ni0.5Zn0.5Fe204)雙磁性相納米復(fù)合薄膜，這種復(fù)合薄膜不僅具有鐵磁性顆粒的特性(高的飽和磁化強(qiáng)度)，而且可以保持常規(guī)鐵氧體薄膜的重要性質(zhì)(高的電阻率)。
[0004]然而，傳統(tǒng)的共濺射的方法不能用來制備這種新型復(fù)合薄膜，這是因?yàn)閺母唢柡痛呕瘡?qiáng)度的磁性金屬(Fe、Fe-Co、Fe-Ni等)靶上濺射出來的Fe、Co、Ni等磁性原子會與從鐵氧體靶上濺射出來的各種原子一起，形成另一種成分比例的鐵氧體薄膜或者一種復(fù)雜的混合結(jié)構(gòu)，而不能得到所期望的雙磁性相納米復(fù)合薄膜，進(jìn)而影響其高頻性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有共濺射方法制備納米復(fù)合薄膜的技術(shù)難題，提供一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法。
[0006]本發(fā)明包括以下步驟:
[0007]I)將兩片F(xiàn)e65Co35靶安裝在對向靶裝置上，接直流電源；將Nia5Zna5Fe2O4靶安裝在單靶上，接射頻電源，將硅基片固定在沉積室內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的樣品架上并抽真空；
[0008]2)產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽，氣相Fe、Co原子在濺射室中通過與惰性氣體的碰撞損失能量而形成Fe65Co35合金納米顆粒,形成的Fe65Co35合金納米顆粒在壓力梯度的影響下經(jīng)過過濾區(qū)噴嘴的篩選后得到納米粒子束流，最終進(jìn)入沉積室并沉積到硅基片上；
[0009]3)制備 Nia5Zna5Fe2O4 薄膜；
[0010]4)在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用下，使娃基片交替沉積Fe65Co35合金納米顆粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜,使Fe65Co35合金納米顆粒在真空中直接原位組裝到Nia5Zna5Fe2O4薄膜中以形成(Fe65C035)O(Nia5Zna5Fe2O4)雙磁性相納米復(fù)合薄膜。
[0011]在步驟2)中，所述產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽可采用對向靶等離子體濺射的方法產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽；所述形成Fe65Co35合金納米顆粒的方法可采用等離子體派射惰性氣體冷凝法；所述Fe65Co35合金納米顆粒的尺寸可以通過Ar、He的氣體流量和比例來調(diào)節(jié)所述Fe65Co35合金納米顆粒的尺寸可為4?18nm。
[0012]在步驟3)中，所述制備Ni。.5Zn0.5Fe204薄膜可通過傳統(tǒng)磁控濺射的方法制備Ni0.5Zn0.5Fe204 薄膜。
[0013]Fe65Co35合金納米顆粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜的沉積速率可分別通過石英晶體膜厚計(jì)和臺階膜厚儀來測量，通過改變可調(diào)節(jié)擋板的間距從而控制Nia5Zna5Fe2O4基體的比例，復(fù)合薄膜的厚度通過臺階膜厚儀來測量，復(fù)合薄膜中Fe65Co35合金納米顆粒的含量通過電子探針最終測得。
[0014]本發(fā)明將由等離子體濺射惰性氣體冷凝法制備的磁性金屬或合金納米顆粒在真空中直接原位組裝到鐵氧體基體中，并可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)控制和成分可調(diào)。本發(fā)明克服了由傳統(tǒng)共濺射方法造成的復(fù)合薄膜中鐵氧體組分會被改變的技術(shù)難題。本發(fā)明制備的復(fù)合薄膜既利用了磁性金屬或合金納米顆粒高飽和磁化強(qiáng)度的特點(diǎn)，又由于低電阻率的磁性金屬或合金納米粒子被高電阻率的軟磁性鐵氧體薄膜隔離開，從而使得復(fù)合薄膜在相比單一軟磁性鐵氧體薄膜飽和磁化強(qiáng)度大幅提高的前提下，仍然具有高電阻率的特點(diǎn)；并且制備工藝簡單，結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控方便，適合科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所提供的納米顆粒復(fù)合薄膜沉積系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)分為三個腔室，分別為濺射室A、過濾區(qū)B和沉積室C ;圖1中，標(biāo)記I為對向靶裝置；2為濺射室噴嘴；3為一級噴嘴；4為二級噴嘴；5為插板閥；6為納米顆粒束流；7為單靶裝置；8為石英晶體膜厚計(jì)；9為可調(diào)節(jié)擋板；10為娃基片；11為樣品架；12為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；13為沉積室插板閥；14為濺射室插板閥。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中所制備的Fe65Co35合金納米顆粒的透射電鏡照片。在圖2中，標(biāo)尺為20nm。
[0017]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中所制備的Fe65Co35合金納米顆粒含量為24.5%的復(fù)合薄膜的Fe2P3/2區(qū)域的XPS譜圖。在圖3中，橫坐標(biāo)為結(jié)合能(eV)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度(arb.units)，曲線a為原始圖譜，曲線b為擬合曲線，曲線c為金屬Fe的擬合峰，曲線d為Fe2+的擬合峰，曲線e為Fe3+的擬合峰。
[0018]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中所制備的Fe65Co35合金納米顆粒含量為24.5%的復(fù)合薄膜的Co2P3/2區(qū)域的XPS譜圖。在圖4中，橫坐標(biāo)為結(jié)合能(eV)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度(arb.units)，曲線a為原始圖譜，曲線b為擬合曲線，曲線c為金屬Co的擬合峰。
[0019]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中所制備的Fe65Co35合金納米顆粒含量為24.5%的復(fù)合薄膜的Ni2P3/2區(qū)域的XPS譜圖。在圖5中，橫坐標(biāo)為結(jié)合能(eV)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度(arb.units)，曲線a為原始圖譜，曲線b為擬合曲線，曲線c為Ni2+的擬合峰。
[0020]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中所制備的Fe65Co35合金納米顆粒含量為24.5%的復(fù)合薄膜的Zn2P3/2區(qū)域的XPS譜圖。在圖6中，橫坐標(biāo)為結(jié)合能(eV)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度(arb.units)，曲線a為原始圖譜，曲線b為Zn2+的擬合峰。
[0021]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中不同F(xiàn)e65Co35合金納米顆粒含量a為51%，b為35.4%，c為24.5%，d為18.5%，e為3.1%，f為O的復(fù)合薄膜的磁化曲線。在圖7中，橫坐標(biāo)為磁場強(qiáng)度(Oe)，縱坐標(biāo)為磁化強(qiáng)度(emu/cm3)。
[0022]圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中復(fù)合薄膜的電阻率、飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力與？％5&)35合金納米顆粒含量的關(guān)系。在圖8中，橫坐標(biāo)為Fe65Co35合金納米顆粒含量)，縱坐標(biāo)為電阻率(19 μ Ω cm)、飽和磁化強(qiáng)度(emu/cm3)和矯頑力(Oe)。

【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1:參見圖1?8，新型(Fe65Co35) @ (Ni0.5Zn0.5Fe204)雙磁性相納米復(fù)合薄膜的氣相合成方法，其合成步驟如下:
[0024](a)將兩片F(xiàn)e65Co35靶安裝在對向靶裝置I上，對向靶裝置I接維持電路中形成穩(wěn)恒電流的直流電源D ^Nia5Zna5Fe2O4靶安裝在單靶7上，單靶7接等離子體配套的射頻電源G ;預(yù)先調(diào)節(jié)好可調(diào)擋板9的間距，將清洗好的硅基片10固定在沉積室C內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的樣品架11上，打開機(jī)械泵抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到20Pa左右時，打開沉積室插板閥13和濺射室插板閥14，開啟沉積室和濺射室的分子泵E繼續(xù)抽真空，使各室本底真空達(dá)到5 X KT4Pa ；
[0025](b)調(diào)節(jié)流量計(jì)使通入濺射室A的Ar氣的流量為300sCCm，關(guān)閉插板閥5和濺射室插板閥14，打開羅茨泵F，這時濺射室壓強(qiáng)為98Pa，調(diào)節(jié)樣品架11位置，使未安裝基片位置對準(zhǔn)噴嘴，打開直流電源開始預(yù)濺射，濺射功率為400W，預(yù)濺射時間為Ih ；
[0026](c)調(diào)節(jié)流量計(jì)使通入沉積室C的Ar氣的流量為28.3sccm,調(diào)節(jié)沉積室插板閥13的開口大小使沉積室壓強(qiáng)為0.4Pa,調(diào)節(jié)樣品架11位置，使未安裝基片位置對準(zhǔn)單靶7，打開射頻電源開始預(yù)濺射，濺射功率為100W，預(yù)濺射時間為20min ；
[0027](d)打開室間插板閥5，F(xiàn)e、Co原子在濺射室A中形核長大，經(jīng)過濺射室噴嘴2后進(jìn)入過濾區(qū)B，再經(jīng)過一級噴嘴3和二級噴嘴4的過濾后，F(xiàn)e65Co35合金納米顆粒的尺寸將變得更均一，最后形成納米顆粒束流6進(jìn)入沉積室C。將石英晶體膜厚計(jì)8傳感器降至納米顆粒束流的軸心位置，利用分子振動膜厚計(jì)測量Fe65Co35合金納米顆粒沉積速率。打開旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)12，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速率，使樣品架有節(jié)奏的旋轉(zhuǎn)，此時，有基片的位置將會交替出現(xiàn)在納米顆粒束流軸心與單靶軸心位置方向上，交替沉積Fe65Co35合金納米顆粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜，通過控制可調(diào)擋板9的間距來控制Nia 5Zn0.5Fe204基體在復(fù)合薄膜中的比例，通過控制沉積時間來控制復(fù)合薄膜的厚度。
[0028]實(shí)施例2:新型FeO(Nia5Zna5Fe2O4)雙磁性相納米復(fù)合薄膜的氣相合成方法，采用與實(shí)施例1相同的步驟，兩片靶材換為Fe靶。
[0029]實(shí)施例3:新型(Fe-Ni)O(Nia5Zna5Fe2O4)雙磁性相納米復(fù)合薄膜的氣相合成方法，采用與實(shí)施例1相同的步驟，兩片靶材換為Fe-Ni合金靶。
[0030]本發(fā)明的工作原理是:將由等離子體濺射惰性氣體冷凝法制備的鐵磁性金屬或合金納米顆粒在真空中直接原位組裝到鐵氧體基體中，通過改變可調(diào)擋板的間距來調(diào)節(jié)納米顆粒和基體的比例。
[0031]本發(fā)明利用等離子體濺射惰性氣體冷凝法制備出磁性金屬/合金納米顆粒，同時利用傳統(tǒng)磁控濺射的方法沉積鐵氧體薄膜，在電控旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用下，使磁性納米顆粒與鐵氧體基體在真空中通過原位組裝來制備新型雙磁性相納米復(fù)合薄膜，克服了由傳統(tǒng)共濺射方法造成的復(fù)合薄膜中鐵氧體組分會被改變的技術(shù)難題。這種新型的復(fù)合薄膜既保持了鐵磁性金屬/合金納米顆粒高飽和磁化強(qiáng)度的特點(diǎn)又具有鐵氧體薄膜高電阻率的特點(diǎn)，并且復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)與成分可控，制備工藝簡單，適合科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將兩片F(xiàn)e65Co3^E安裝在對向靶裝置上，接直流電源^Nia5Zna5Fe2O4靶安裝在單靶上，接射頻電源，將硅基片固定在沉積室內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的樣品架上并抽真空； 2)產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽，氣相Fe、Co原子在濺射室中通過與惰性氣體的碰撞損失能量而形成Fe65Co35合金納米顆粒,形成的Fe65Co35合金納米顆粒在壓力梯度的影響下經(jīng)過過濾區(qū)噴嘴的篩選后得到納米粒子束流，最終進(jìn)入沉積室并沉積到硅基片上； 3)制備Nia5Zna5Fe2O4 薄膜； 4)在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用下，使硅基片交替沉積Fe65Co35合金納米顆粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜，使Fe65Co35合金納米顆粒在真空中直接原位組裝到Nia5Zna5Fe2O4薄膜中以形成(Fe65Co35) § (Ni0.5Zn0 5Fe204)雙磁性相納米復(fù)合薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽采用對向靶等離子體濺射的方法產(chǎn)生Fe、Co原子蒸汽。
3.如權(quán)利要求1所述一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述形成Fe65Co35合金納米顆粒的方法采用等離子體濺射惰性氣體冷凝法。
4.如權(quán)利要求1所述一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述Fe65Co35合金納米顆粒的尺寸通過Ar、He的氣體流量和比例來調(diào)節(jié)。
5.如權(quán)利要求1所述一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述Fe65Co35合金納米顆粒的尺寸為4?18nm。
6.如權(quán)利要求1所述一種雙磁性相納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述制備Nia5Zna5Fe2O4薄膜通過傳統(tǒng)磁控濺射的方法制備Nia5Zna5Fe2O4薄膜。
【文檔編號】C23C14/14GK104451568SQ201510006670
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2015年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月7日
【發(fā)明者】彭?xiàng)澚? 王俊寶, 王來森 申請人:廈門大學(xué)