CN102321863A - 一种制备Ni-Zn铁氧体薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备铁氧体薄膜的方法，特别是一种可得到具有更佳的软磁和微波性能的尖晶石型Ni-Zn铁氧体薄膜的方法。本发明的方法是首先在基底材料上沉积一层反铁磁材料Fe₅₀Mn₅₀，然后再在Fe₅₀Mn₅₀Fe₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜层。本发明的方法还可制备出多层Ni-Zn铁氧体薄膜。采用本发明的方法可以提高所制备的Ni-Zn铁氧体薄膜软磁性能和微波性能。

Description

一种制备Ni-Zn铁氧体薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种制备Ni-Zn铁氧体薄膜的方法，特别是一种可得到具有更佳的软磁和微波性能的尖晶石型Ni-Zn铁氧体薄膜的方法。

背景技术

近年来，随着通讯、计算机以及高密度磁记录材料的迅速发展，对磁性材料的性能要求越来越高。尤其是随着信息处理频率的不断提高(例如：手机、无线LAN***和蓝牙器件等常用的工作频率已经提高到了1-5GHz)，涉及信息存储和转换(例如：电感、变压器和电磁屏蔽***等)的微磁器件迫切要求工作在GHz范围内的高性能磁性材料。尖晶石型Ni-Zn铁氧体材料由于其具有高电阻率、高居里温度、低温度系数和优良的高频微波性能等优点，在变压器、高频电感磁芯和微波吸收等方面有着广泛的应用。因此制备具有优良电磁特性的Ni-Zn铁氧体薄膜材料在高频微磁器件方面有很大的市场需求。

目前，为使材料便于在电子集成微器件中应用，Ni-Zn铁氧体薄膜一般在低温下制备。然而，低温制备的Ni-Zn铁氧体薄膜软磁和微波性能较差，这严重影响了其在集成微磁器件中的应用。因此从薄膜制备的角度来看，找到一种有效提高Ni-Zn铁氧体薄膜的软磁和微波性能的方法是非常重要的。

就目前报道的文献来看，薄膜制备时使用衬底层(缓冲层)是一种提高铁氧体薄膜软磁性能常用且有效的办法。例如：使用ZnFe₂O₄作为衬底层来提高Ni-Zn铁氧体薄膜软磁性能：J.H.Gao，Y.T.Cui，and Z.Yang，“The magneticproperties of Ni_xZn_1-xFe₂O₄ films fabricated by alternative sputtering technology”，Materials Science and Engineering B 110，111-114(2004)；使用YSZ(Y_0.15Zr_0.85O₂)作为衬底层来制备和提高Ni-Zn铁氧体薄膜软磁性能：S.Y.Bae，C.S.Kim，and Y.J.Oh，“Magnetic properties of sol-gel derived Ni-Zn ferrite thin films on yttriastabilized zirconia buffered Si(100)”，Journal of Applied Physics 85，5226-5228(1999).这种使用非磁性氧化物作为衬底层的传统方法是利用减弱基底与铁氧体薄膜间的应力从而达到提高铁氧体薄膜软磁性能的目的，然而这种传统的方法仅仅实现了对铁氧体薄膜软磁性能的优化(例如：饱和磁化强度M_s得到了提高，矫顽力H_c得到了降低)，而对铁氧体薄膜微波磁性的提高却没有明显的效果。同时在现有报道的文献中，也没有见到同时有效提高铁氧体薄膜软磁性能和微波磁性的方法。

发明内容

本发明为一种可克服现有技术不足，能制备出其软磁性能和微波性能均优于现有技术制备的尖晶石型Ni-Zn铁氧体薄膜方法。

本发明的Ni-Zn铁氧体薄膜制备方法是首先在基底材料上沉积一层反铁磁材料Fe₅₀Mn₅₀，然后再在Fe₅₀Mn₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜层。本发明所这的薄膜沉积方法可以是溅射法(sputtering)、脉冲激光沉积法(PLD)和分子束外延法(MBE)等常用的制备方法。

本发明制备Ni-Zn铁氧体薄膜的方法优选的是先在基底材料上沉积厚度为15～35nm的Fe₅₀Mn₅₀层，然后再沉积制Ni-Zn铁氧体薄膜层。根据相关的实验，实施本发明的方法时，先沉积制得的层厚15～35nm Fe₅₀Mn₅₀层后，再沉积制得的Ni-Zn铁氧体薄膜层厚度为10～50nm，其成分为Ni_xZn_1-xFe₂O₄(0＜x＜1)。

利用本发明的方法还可在同一衬底上制备出多层Ni-Zn铁氧体薄膜，其具体做法是：首先在基底材料上沉积一层反铁磁材料Fe₅₀Mn₅₀，再在Fe₅₀Mn₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜，然后再在Ni-Zn铁氧体薄膜层上沉积一层Fe₅₀Mn₅₀，再在这一Fe₅₀Mn₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜层，依次重复这一过程，得到多层Ni-Zn铁氧体薄膜。按本发明的方法得到的多层[Fe₅₀Mn₅₀/Ni_xZn_1-xFe₂O₄]_n薄膜可有效提高不同厚度的Ni-Zn铁氧体薄膜软磁和微波性能。

本发明中利用反铁磁材料Fe₅₀Mn₅₀作为衬底层可以达到提高Ni-Zn铁氧体薄膜软磁性能和微波性能，其原因是：Fe₅₀Mn₅₀衬底层的使用，可以改变铁氧体薄膜的微结构，其组成晶粒得到了细化，降到了纳米量级，同时颗粒形貌也变得均匀化。由于在纳米晶材料中晶粒尺寸小于交换长度，通过晶粒之间的交换耦合作用可以大幅度降低每一个晶粒的磁晶各向异性，所以制备的Ni-Zn铁氧体薄膜软磁性能得到了很好的优化。同时Fe₅₀Mn₅₀材料是一种反铁磁材料，用它作为衬底层，对生长的Ni-Zn铁氧体薄膜具有钉扎作用，从而使铁氧体薄膜的磁化强度更趋于面内排列，因此制备的Ni-Zn铁氧体薄膜的微波性能得到了提高。

附图说明

图1是成份为x＝0.45的Ni-Zn铁氧体薄膜的掠角入射X射线衍射图。

图2是利用扫描电镜对未使用(a)和使用(b)衬底层制备的Ni-Zn铁氧体薄膜的微观形貌观测。

图3是利用原子力显微镜对样品的微观形貌观测图，其中：图a和图b和为现有技术制备的Ni-Zn铁氧体薄膜样品，而图c和图d为本发明实施例的Ni-Zn铁氧体薄膜样品。

图4是利用振动样品磁强计对样品的宏观直流磁性测量。其中标记有方格的曲线为现有技术所得到的Ni-Zn铁氧体薄膜样品，而标记有小圆圈的曲线为本发明实施例制备的Ni-Zn铁氧体薄膜样品。

图5是利用矢量网络分析仪并结合微带线法对样品进行微波磁性测量，其中：图a为现有技术制备的Ni-Zn铁氧体薄膜样品，图b为本发明实施例制备的Ni-Zn制备的铁氧体薄膜样品。

图6是对采用本发明的方法制备的多层Ni-Zn铁氧体薄膜样品的宏观直流磁性测量和高频磁性测量的结果，其样品为[Fe₅₀Mn₅₀/Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄]₆。

具体实施方式

本发明以下结合实施例的Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄薄膜的制备，及其软磁性能和微波磁性提高进行解说，在本实施例的制备过程中沉积薄膜所使用的设备为沈阳中科仪于2003年生产的FJI560-I型超高真空磁控与离子束溅射设备中的射频溅射部分。溅射设备需要两个射频磁控靶为：商用高纯度(99.99％)的Fe₅₀Mn₅₀层的靶材，制备Ni-Zn铁氧体薄膜的靶材采用传统的共沉淀法制备Ni-Zn铁氧体粉末，并经压制烧结制备而成。薄膜沉积过程是：先把真空腔的真空度抽至5.0×10^-5以下，在射频电源功率为50W，溅射气体为高纯度Ar气，溅射气压为0.2Pa的条件先在单晶Si(111)基底上面沉积一层25nm厚的Fe₅₀Mn₅₀衬底层薄膜。再在射频电源功率为200W，溅射气体为Ar和O₂混合气体，氧分压为20％，溅射气压为2.0Pa的制备条件下再沉积一层40nm厚的Ni-Zn铁氧体薄膜，得到Fe₅₀Mn₅₀(25nm)/Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄(40nm)的薄膜。其测试结果如附图1-5所示。

图1中，(a)表示的是单层Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄薄膜，(b)表示的是加入了衬底层的Fe₅₀Mn₅₀/Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄双层薄膜，从图中可以看出Ni-Zn铁氧体薄膜在加入FeMn衬底层后晶体结构没有明显的变化，均为单相的尖晶石结构。其中Fe₅₀Mn₅₀层厚度为25nm，Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄层厚度为40nm。

从图2中可以看出，使用了FeMn衬底层后，所得到的铁氧体薄膜的组成颗粒得到了细化和均匀化，形貌一致，颗粒减小约为15nm。

图3中，其中：图(a，c)为薄膜平面图，图(b，d)为薄膜三维图。从图中也可以明显的看出，使用了FeMn衬底层后，铁氧体薄膜的组成颗粒得到了细化和均匀化，形貌变得一致，这一点与图2所示结果是一致的。

从图4结果来看，加入FeMn衬底层后Ni-Zn铁氧体薄膜的软磁性能得到了明显的提高，矫顽力H_c从89Oe降低到39Oe，剩磁比M_r/M_s从0.22增加到0.60。

从图5结果显示出使用FeMn衬底层的Ni-Zn铁氧体薄膜的磁谱中出现了明显的自然共振峰，且在GHz范围，约为1.65GHz，同时具有较高的转动初始磁导率。

经多次实验研究结果发现：Fe₅₀Mn₅₀衬底层厚度在15～35nm之间时，都可以有效的提高Ni_xZn_1-xFe₂O₄(0＜x＜1)薄膜(10～50nm)的软磁和微波性能。

利用本发明的方法还可制备出[Fe₅₀Mn₅₀/Ni_xZn_1-xFe₂O₄]_n的多层薄膜，从而实现提高较厚的(大于50nm)Ni-Zn铁氧体薄膜磁性能的目的。

以n＝6的[Fe₅₀Mn₅₀/Ni_xZn_1-xFe₂O₄]₆为例，按照前面介绍Fe₅₀Mn₅₀(25nm)/Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄(40nm)薄膜的制备过程和条件，依次重复实验做6遍即可，在此过程中需要注意的是在沉积完每层薄膜后，都需要将真空腔的真空度重新抽至5.0×10^-5以下，然后再沉积新的薄膜层。当n＝6时，即复合薄膜为[Fe₅₀Mn₅₀(25nm)/Ni_0.45Zn_0.55Fe₂O₄(40nm)]₆，此时铁氧体厚度总的厚度为240nm，其宏观直流磁性和高频磁性如图6所示，结果表明铁氧体薄膜的软磁性能和微波磁性也得到了有效的提高。由此可见，按照本发明的方法同样可以提高较厚的铁氧体薄膜的磁性能。

Claims (3)

1.一种制备Ni-Zn铁氧体薄膜的方法，其特征在于首先在基底材料上沉积一层反铁磁材料Fe₅₀Mn₅₀，然后再在Fe₅₀Mn₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜。

2.权利要求1所述的制备Ni-Zn铁氧体薄膜的方法，其特征在于先在基底材料上沉积厚度为15～35nm的Fe₅₀Mn₅₀层，然后再沉积制备Ni-Zn铁氧体薄膜层，其厚度为10～50nm。

3.制备多层Ni-Zn铁氧体薄膜的方法，其特征在于首先在基底材料上沉积一层反铁磁材料Fe₅₀Mn₅₀，再在Fe₅₀Mn₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜，然后再在Ni-Zn铁氧体薄膜层上沉积一层Fe₅₀Mn₅₀，再在这一Fe₅₀Mn₅₀层上沉积Ni-Zn铁氧体薄膜层，依次重复这一过程，得到多层Ni-Zn铁氧体薄膜。

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