永磁性功能薄膜材料的研究现状.

用磁性功能薄膜材料的研究现状　

09材料物理 贾天吉

厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。简称磁膜材料。使用时需附于弱磁性材料的基片上。磁膜材料的磁特性取决于其制备方法和工艺条件。其制备方法主要有：①真空蒸发法。即在真空状态下将加热蒸发的磁性材料沉积在基片上。②电沉积法。即将磁性材料和基片做成阳极和阴极，在电解液中通过电化学作用，磁性阳极材料沉积到阴极基片上。③溅射法。即将磁性阳极材料和基片分别作为阴极和阳极，在抽真空后又充入惰性气体电离成离子并高速轰击阴极，使阴极表面溅射出的原子附着于阳极基片上。此外，还有外延生长法、化学镀膜法等。

各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料；按材料组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。磁膜材料广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等；也用作磁记录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等。

集成电路技术的高速发展为电子器件的微型化提供了条件，但集成电路中电感和变压器等磁性器件的微型化一直是难以克服的难题，因而磁性薄膜成为人们研究的热点。电子材料的发展要求磁性器件有更优良的高频性能。涡流损耗的大小和铁磁共振频率（FMR）的高低对磁导率()高频响应特性的好坏有直接影响。前者可通过提高材料的电阻率()来降低，后者可通过提高磁晶各向异性场（H k）来提高。高的饱和磁化强度是高磁导率的基础。因此，高的饱和磁化强度（M s）、各向异性场（H k）、电阻率（）和低的矫顽力（H c）是改善磁性材料高频特性的至关重要的参数，但这些参量之间有时是矛盾的，所以要根据实际需要综合分析。

磁性薄膜材料是微电子与信息技术中重要的一类功能材料, 对磁性薄膜广泛而深入的研究, 促进了磁电子学的发展。随着人类社会高新技术的发展,要求研制越来越多的新型磁性薄膜材料和器件, 永磁薄膜材料可以用来制备微型电机, 在信息、微型机械、微型机器人等方面有广阔的应用前景[ 3] 。稀土永磁薄膜材料有利于相关器件微型化、功能兼容一

体化, 在计算机、信息、机电等行业有迫切需求, 稀土永磁薄膜材料是磁性薄膜未来发展的方向之一。目前研制第四代永磁体已成为当前国际性的永磁体研究前沿课题[ 4~ 7] 。但是, 目前第四代永磁体的研制尚未取

得重大突破[ 8] , 在探索综合性能高于Nd2Fe14B 的新型稀土过渡金属化合物方面进展缓慢。所以, 进一步发展和提高块体稀土永磁材料的磁能积的空间有限。在Coehoorn 等人报导由软磁相和永磁相组成的纳米复合磁体具有剩磁增强效应后, 理论预言多层膜型纳米复合永磁体的磁能积可超过800kJ/m3。自20 世纪90 年代起, 国际上陆续有稀土永磁薄膜材料制备、表征和性能的报导。有关稀土永磁薄膜材料的报导大都集中于单相薄膜材料。在稀土永磁薄膜材料的制备与研究方面, 美国内布拉斯加大学林肯分校、美国阿贡国家实验室等单位做了大量的工作。国外科学家研究了用磁控溅射法制备的非晶CaCu5、Th2Zn17和TbCu7 型SmCo

基薄膜的结构、织构和磁性等, 研究了制备过程中的工

艺参数、晶粒取向变化、相转变等。由于制备过程中存在的问题, 如氧化、织构、相组成、相分布等的影响, 通常薄膜材料的磁性各向异性很大, 饱和磁化强度和剩磁较低。在双相复合稀土永磁薄膜材料研究工作方面,国内相关科学家制备了SmCox- Co 和PrCo: Co 多层

薄膜和纳米复合薄膜, 获得很高的矫顽力。钢铁研究总院在SmCo/ Fe/ SmCo 等三层薄膜中获得剩磁增强效应。中科院金属所对纳米复合稀土永磁材料的磁性耦合机理开展了实验和理论的研究工作。研究了纳米复合磁性材料中逾渗效应对磁体矫顽力机制

和剩磁增强效应的影响[ 9] , 从实验上证明磁各向异性对交换耦合常数的影响[ 10] 等。中科院金属所与美国内布拉斯加大学林肯分校开展国际合作, 制备出具有纳米复合磁性增强效应、较高磁能积的稀土永磁纳米复合薄膜材料[ 11~ 13] , 利用磁性交换耦合机理来综合利用永磁相的高磁性各向异性和软磁相的高饱和磁化强度达到提高饱和磁化强度的目的[ 11~ 15] , 最佳磁性能达到矫顽力08T、磁能积203kJ/ m3。中科院金属所制备成功高磁能积的各向异性稀土永磁薄膜材料, 磁能积达到270 kJ/ m3,并进一步研究了各工艺参数对各向异性NdFeB 薄膜磁体的显微结构与磁性的影响[目前, 主要使用的永磁薄膜技术包括离子束溅射、磁控溅射(包括直流和射频溅射) 、激光脉冲沉积等[ 17] , 而且这些技术已经取得了巨大进展。当然,进一步提高稀土永磁薄膜材料的磁性能仍然面临着相当大的困难。如何制备成功高性能的各向异性纳米复合稀土永磁薄膜材料将是制备新一代稀土永磁材料的关键。困难主要源于在稀土永磁薄膜材料的结构与磁性能的关系、界面结构与磁性交换耦合机制等方面仍缺乏深入的研究, 对磁性交换耦合机制缺乏深入的了解。国内对磁性薄膜特别是稀土磁性薄膜及其存在的各向异性磁阻现象、巨磁阻效应等仅限于基础研究, 应用开发和工程技术研究则几乎空白, 而且, 我国还没有

掌握磁性薄膜大量生产的技术。今后, 通过系统地研究稀土永磁薄膜材料的磁性交换耦合机制, 将会进一步发展纳米复合磁性交换耦合理论及模型。通过系统地研究稀土永磁薄膜材料的结构与磁性能, 及其相组成、相结构、相转变

与磁性的关系, 以及纳米复合机制和矫顽力机制等,将会促进人们深入理解物质在薄膜尺度的结构特点和基本磁性, 可望同时实现稀土永磁薄膜材料更好的各向异性生长和磁性交换耦合, 这对发展新一代稀土永磁材料有重要的指导意义。