薄膜材料

磁学和磁性材料学科领域，在50年来有非常巨大的发展。40年代末50年代初发展起来的铁氧体软、硬磁材料，磁记录材料和技术，微波材料和雷达技术：50年代后期的石榴石材料和微波磁性材料；从60年代中期出现的SmC05第一代稀土永磁到90年代初的快淬、吸氮及纳米晶复合稀土永磁：从60年代末和70 年代初发展起来的非晶态合金到90年代初的纳米晶软磁材料。薄膜磁性的研究始于40年代，到现在，各种大块材料都以其薄膜形态存在，并表现出优异和独特的磁性，如各向同性磁电阻；同时还出现人工设计的超晶格(常称之为多层膜1、三层膜、隧道结膜，和基于磁电阻效应的磁电子学。磁性薄膜在磁记录磁光存储技术方面已有广泛的应用，已形成了巨大的产业。

提高磁记录密度，需用高密度的磁记录介质材料，这种材料的关键在于具有高饱和磁化强度、低矫顽力，以及良好的抗腐蚀能力。fe-N 材料具有丰富的结构、优良的磁性、耐蚀性及耐磨性能，是很有发展前途的高密度磁记录介质和磁头材料。经过多年的研究，科学工作者已经制备了各种磁性fe-N 化合物相，如O"-fe16N2、Y'-fe4N 和E-fe3N 等，并取得了可喜的研究成果［1 ~ 3］。

21世纪是信息技术高度发展的时代，信息的记录，处理，存储传递越来越受到重视，磁性薄膜主要是用作磁记录材料。磁记录材料发展至今，虽然已有近百年的历史，它仍然被广泛地用于录音、录像技术、计算机中的数据存储、处理，科学研究的各个领域，军事及日常生活中。随着科学技术的发展，对磁记录密度的要求越来越高。作为磁记录材料一般有以下性能要求：①剩余磁感应强度Br高；②矫顽力HeLL较高；⑨磁滞回线接近矩形，Hc附近的磁导率尽量高；④磁层均匀；⑤磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态；⑥磁致伸小，不产生明显的加压退磁效应：⑦基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应。

磁记录材料分颗粒(磁粉)涂布型介质和连续薄膜型磁记录介质两种。由于连续薄膜型介质容易做到薄，均匀，不易氧化，同时又无须采用粘结剂等非磁性物质，所以剩余磁感应强度及矫顽力比颗粒涂布型介质商得多，是磁记录介质发展的方向。制备连续薄膜型磁记录介质的方法有两种：湿法和干法。湿法也称化学法，主要包括电镀和化学镀；干法也称为物理法，溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法等。

磁记录密度的不断提高，一方面需要磁性颗粒的密度增大，另一方面要求磁性颗粒之间的磁化强度的翻转十分清晰，也就是要求很高的磁记录介质饱和磁化强度，这使得磁记录介质的退磁化场的影响加大，因此必须同时提高介质的矫顽力。磁记录介质矫顽力的增加要求磁记录磁头材料具有极高的饱和磁化强度，这样才能产生高于介质矫顽力的磁场，完成信息的记录功能。铁因为其资源丰富，在单体中具有最大的饱和磁化强度(胁Ms=2。14 D和高的磁导率，受到人们的青睐。

从20世纪70年代初Kin和Takahashi等报道Fel6N2的巨饱和磁化强度，到80年代未这一结果被Sugita等人所验证，在长达20年多年的时间里，许多研究者致力于Fe-N系统研究，期望获得具有高饱和磁化强度的软磁材料，从而用于高密度磁记录介质和磁头材料。20多年的发展概况如下：

1951年口”一Feldq2晶体结构的判明(Jack)。

1972年巨磁化强度材料Fel6N2的发现(Kim和高桥)：

I采用溅射法制膜(1982年)

I采用氨氮化法制膜(1984年)

l真空蒸镀法(1986年)

cvD法(1986年)等种种方法研究，但都未能确认巨磁矩强度的存在。

1990年采用离子注入法形成了部分的Fel6N2。

1990～巨磁化强度Fet#N2外延膜研制成功(日立研究所的Sugim等)

1991年MBE(分子束外延发),证实F。16N2的巨磁化强度为2．8～3．0 T。

1994年采用溅射法制备出单晶Fel6N2(Ortiz)，但饱和磁化强度不高。

1995年采用对向靶溅射，通过连续增加氮分压，依次生成口’．Fel6N2、

，’一Fe4N、s—FexN(2q蔓3)和宇一Fe2N(孙多春，姜恩永等)：发现

了口”-Fel6N2的三种不同的生长模式。证实了Fel61'42巨磁化强度的存在。

新一代磁记录磁头材料不仅要具有高频下的高磁导率、低矫顽力、低饱和磁致伸缩系数、高电阻率以及良好的磨擦特性、抗腐蚀能力、热稳定性；而且要有超高饱和磁化强度，以满足高密度信息记录的需要。Fe-N材料有着良好的应用前景，因此被广泛地研究。在制备Fe—薄膜过程中，实验参数的不同将影响到薄膜的成分以及磁性质等。因此，要得到优良磁性能的Fe-N薄膜就要详细研究各个实验参数对薄膜的影响。在Fe-N各相中，a。．Fel6N2具有大磁矩而备受关注，但无论是从实验上还是从理论上得出的磁矩都相差较大，至今还没有谁能统一各方观点得出信服的口”一Fel6N2的磁矩。除此之外，口”一Fel6N2的热稳定性也是研究的重点，口”一Fel6N2的相转变将直接影响到材料的磁特性。尽管Fe-N化合物具有高饱和磁化强度与较好的软磁特性，但它的热稳定性较差，所以人们希望能通过掺杂少量第三种元素来获得比较完美的新型材料。

射频(RF)溅射系统

薄膜的制备方法一般分为两类：物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。物理气相沉积技术中最为基本的两种方法就是蒸发法和溅射法。与蒸发法相比，溅射法具有在沉积多元合金薄膜时，化学成分容易控制，沉积层对衬底的附着力较好等优点。同时，现代技术对于合金薄膜材料的需求也促进了各种高速溅射方法以及高纯靶材，高纯气体制备技术的发展，这些都使得溅射法制备的薄膜质量得到了很大的改善。在溅射法制膜中多采用直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。直流溅射法要求靶材应具有良好的导电性，而射频溅射法对靶材的导电性没有特别的要求。

本文采用如图2．1．1所示的RF磁控溅射仪制备FeN薄膜。其型号为JS．450，

它应用的是高频高压电源，在真空惰性气氛中制造难熔的介质薄膜、半导体薄膜

第二章Fe-N薄膜和Fe-Ni-N粉末的制备及其表征手段

和高熔点的金属薄膜，化合物薄膜以及合金膜等，所制造的薄膜质纯、组织致密牢固性和重复性好，因此适用于电子工业、半导体器件单位，为研究和制造薄膜集成电路、微型器件薄膜、磁性膜等用，也适用于光学工业作红外干涉膜等用。这台设备的主机由机架、真空系统、充气机构、给水排水装置、钟罩升降机构和电控操作组成。它的一些主要技术性能如下：1．极限真空(真空室内清洁、干燥)：3×10‘6乇。

2．连续工作是抽气时间：到l×10巧乇(真空室内清洁、干燥抽气口不加网)

不大于30分钟。

3．机械泵：抽速8升，秒，极限真空度5×104乇。

油扩散泵：抽速1500升／秒，极限真空度5X 10’7乇。

4．射频电源

功率：～3千瓦(5000伏)。

频率：10～13．56兆赫。