高頻用尖晶石結構Mn-Zn鐵氧體薄膜制備與性能研究.pdf

1、尋找和制備能有效吸收雷達波的新型隱身材料，是世界各國軍事研究領域的重點攻關課題之一。從實用性考慮，新型吸波隱身材料必須要具有：高頻性能優(yōu)越且阻抗匹配、質輕、耐高溫、耐腐蝕等特點。鐵氧體薄膜是重要的備選材料之一。另外，隨著電子設備向小型化、輕量化、薄形化、高頻化、低損耗和高可靠性的發(fā)展，對電子元件及材料的要求是朝著進一步的小型化、集成化方向壓縮，部分器件將由三維的體材料向二維的薄膜材料方向過渡。而微波及毫米波器件、可調濾波器、高密度大容量

2、的薄膜磁記錄介質、簿膜型磁頭、磁傳感器、溥膜電感器和生物醫(yī)學中用做藥物和探測試劑載體等，都需要膜厚均勻、無缺陷、具有合適電磁性能的鐵氧體薄膜。 鐵氧體薄膜以其優(yōu)異的高頻電磁特性、良好的機械耐磨性和穩(wěn)定的化學性能而成為頗具應用價值的材料引起人們的極大關注。由于傳統(tǒng)的制備鐵氧體的工藝都要經(jīng)過高溫熱處理工序，而高質量Mn-Zn系列軟磁鐵氧體薄膜對熱處理環(huán)境敏感，不易獲得。因此，目前的研究熱點集中在塊體、納米顆粒鐵氧體材料的動態(tài)磁化機理

3、等方面，而對于軟磁鐵氧體薄膜的制備和高頻性能的研究才剛剛起步，尚處于初期實驗階段。 本文分別采用了低溫水溶液中的化學鍍工藝和分層交替濺射法制備了不同Zn含量、不同厚度的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>(0.1≤x≤0.9)鐵氧體納米晶薄膜。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、振動樣品磁強計(VSM)、矢量網(wǎng)絡分析儀(PNA8363B)和背散射穆斯堡爾譜儀(CEMS)，并結合其它的一些儀器設備，研究了

4、Mn-Zn軟磁鐵氧體薄膜樣品的結構與磁性，探討了微結構與磁性之間的關系，與塊體材料進行了對比，并對不同方法制備得到的相同成分的樣品性能進行了比較；特別是研究了不同方法制備薄膜樣品的高頻動態(tài)磁特性。得到的主要結果如下： 1．成功地摸索和掌握了水溶液化學鍍制備納米顆粒與薄膜的工藝，自行設計加工了整套實驗裝置。首次利用水溶液化學鍍工藝在玻璃基底上成功地制備了不同Zn含量、不同厚度的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>(0

5、.1≤x≤0.9)鐵氧體納米晶薄膜。由于整個反應是在90℃的水浴環(huán)境中進行，薄膜樣品不需經(jīng)過高溫熱處理工序，從而很好地避免了Mn、Fe元素的氧化變價、析出和Zn元素的揮發(fā)問題，制得了高質量的Mn-Zn鐵氧體納米晶薄膜。 2．通過化學鍍工藝制備的不同Zn含量的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>薄膜樣品的飽和磁化強度M<,s>的變化趨勢和塊體類似，都是先增大，在x=0.5左右達到最大，然后開始減小。這種變化趨勢完全符

6、合含zn鐵氧體的超交換相互作用理論。而矯頑力H<,c>的變化則和塊體完全不同，它先減小，在x=0.5左右達到最小，然后開始異常增大。這種變化趨勢上的差別是由于：矯頑力和薄膜樣品的表而平整度有強烈的關聯(lián)作用，表而起伏越大矯頑力也越大，這種矯頑力增大主要來源于缺陷的增多和由于晶界體積增大所產(chǎn)生的“釘扎”效應對磁疇翻轉的阻礙作用。 3．通過化學鍍工藝制備的不同Zn含量的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>薄膜樣品，由于Z

7、n<'2+>對于A位有著強烈的化學親和性而優(yōu)先占據(jù)A位，隨著Zn含量的增加致使Fe<'3+>不斷的從A位向B位遷移。 4．多種測量結果均顯示，通過化學鍍和射頻濺射制備的Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>鐵氧體薄膜的金屬陽離子分布和塊體不同，其占據(jù)A位的Fe<'3+>離子數(shù)目遠高于塊體材料，并由此導致反鐵磁結構A，B位抵消后的有效磁矩減小，從而M<,s>明顯地小于相應成份的塊體值。 5．通過單層交替濺射法制

8、得的薄膜樣品的矯頑力H<,c>大于相同成分通過化學鍍工藝制備的薄膜樣品值，更是遠大于塊體Mn-Zn鐵氧體的數(shù)值。這主要是由于濺射法制備鐵氧體薄膜經(jīng)過了熱處理工序，品粒比低溫水溶液化學鍍工藝制備的薄膜樣品大的原因。 6．室溫背散射穆斯堡爾譜測量證明，通過化學鍍和射頻濺射制備的300 nm厚Mn<,1-x>Zn<,x>Fe<,2>O<,4>鐵氧體薄膜在形狀各向異性作用下，磁矩近似的垂直于γ射線的入射方向，都在薄膜平面內部排列，這種易

9、面各向異性的產(chǎn)生是突破Snoek極限、使薄膜樣品的共振頻率向高頻方向大幅提升的根本原因。而高頻磁譜的測量表明，兩種方法制備的Mn-Zn系列鐵氧體薄膜其自然共振頻率．f<,r>都集中在400-900 MHz(遠高于根據(jù)μ'=44的Mn-Zn鐵氧體塊狀樣品的斯諾克極限所估算的．f<'r>=130 MHz)，在共振頻率附近，磁導率虛部μ'達到最大值(≥15)，磁導率實部μ'為15～35。 7．高頻磁譜的實驗數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)的吻合表明：通