纳米晶软磁膜的磁性和结构

介绍新型纳米晶软磁膜Ｆｅ－Ｍ－Ｃ（Ｍ＝Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ）的磁性能和组织结构，说明纳米晶形成和软磁性的关系。由于形成高熔点碳化物，如ＴａＣ、ＦｅＴａＣ等，在高温下仍有良好软磁性能，这对于实际应用是十分有意义的．

电镀高饱和磁感应(B_s)CoNiFe软磁薄膜研究

研究了电沉积 CoNiFe 合金薄膜镀液中主盐离子浓度对膜层磁性能的影响。用振动样品磁强计(VSM)和四探针等方法测试分析了膜层的物理性能。结果表明膜层的物理性能与合金镀液中的主盐离子浓度密切相关,镀液中Ni2+、Fe2+、Co2+浓度分别为0.2、0.012和0.063mol/L时,电沉积的 CoNiFe合金膜层的电磁性能较佳。其饱和磁化强度 Bs 达 1.9T,矫顽力Hc 为91.5A/m,电阻率为45μΩ·cm,在 1MHz下磁导率μi 为602。

电镀工艺条件与高饱和磁感应CoNiFe软磁薄膜的性能

研究电沉积钴镍铁合金工艺条件如电流密度、pH和温度以及镀层厚度对膜层性能的影响。用振动样品磁强计测试膜层的矫顽力Hc、磁化强度Ms及磁滞回线,用高频电感法测试膜层的磁导率μi,用四探针法测试膜层的电阻率ρ。结果表明,膜层的电磁性能与镀覆工艺条件相关,在最佳镀覆工艺条件下(电流密度10mA/cm2,pH=2.8,施镀温度25℃,时间10min)所得合金镀层光亮、致密,有较好电磁特性,Bs达1.9T,矫顽力Hc为1.15Oe,电阻率为45μΩ.cm,在1MHz下磁导率μi为602。

FeCoB-Al_2O_3软磁颗粒膜磁特性研究

采用射频磁控倾斜共溅射制备了一系列的(Fe40Co40B20)1-x(Al2O3)x软磁颗粒膜。分别研究了基片转速及溅射气压对FeCoB–Al2O3薄膜微波磁特性影响。并通过改变FeCoB靶以及Al2O3靶的溅射功率进一步调控了软磁颗粒膜的磁特性和电阻率。研究结果表明在基片转速为60 r/min,溅射气压为0.2 Pa,FeCoB靶的溅射功率为250 W,Al2O3靶的溅射功率为100 W时,获得的FeCoB-Al2O3软磁颗粒膜具备了优良的软磁特性、微波磁特性和较高的电阻率。薄膜的饱和磁化强度为1.73 T,易轴难轴矫顽力均小于80 A/m,电阻率为126.75μΩ·cm,共振频率高达2.22 GHz,磁导率实部在2 GHz仍大于400。

硬磁-软磁双层膜中的磁化行为与磁能积

采用蒙特卡罗方法讨论了硬磁-软磁双层膜中的磁化行为与双层膜中磁参量之间的关系.结果表明:硬磁-软磁双层膜中剩余磁化强度随硬磁层或软磁层厚度的增加呈单调性减小或增大,相应的矫顽场随硬磁层或软磁层厚度的增加近似呈单调性增大或减小;而其磁能积的变化是非单调性的,存在磁能积极大值点,该极大值点依赖于硬磁-软磁层的厚度比、各自的饱和磁化强度和单轴各向异性等;硬磁-软磁双层膜的磁化总是从膜边界向膜中间推进,最终带动难轴方向的边界畴转变,且软磁层磁化先于硬磁层,但在软磁层厚度小于临界尺寸的情况下,软磁层与硬磁层的磁化反转趋于同步.

纳米晶化对CoNbZr薄膜结构及阻抗的影响

采用独特的快速循环纳米晶化技术,对直流磁控溅射制备的非晶CoNbZr软磁膜,进行纳米晶化。研究了在不同的纳米晶化工艺条件下,薄膜的微观结构和阻抗性能。CoNbZr软磁薄膜晶粒细化到30nm,阻抗值从20Ω增加到100Ω(1400MHz),阻抗共振峰向低频移动200MHz左右,极大改善了薄膜的软磁性能。

Co基磁性薄膜的快速循环纳米晶化

采用独特的快速循环纳米晶化技术(RRTA)对直流磁控溅射制备的非晶CoNbZr软磁膜进行纳米晶化。研究了不同的纳米晶化工艺条件下,薄膜的微观结构和软磁性能。结果表明,CoNbZr软磁薄膜晶粒细化到30 nm,RRTA晶化方法可有效地控制CoNbZr薄膜的软磁性能。

热处理对化学沉积某些多元非晶态合金薄膜结构和磁性能的影响

材料的结构决定其性能。多元镍基或钴基合金在镀态时通常呈非晶态结构,在热处理条件下将发生结构的变化,进而引起性能的变化。主要研究了以下两方面的内容:(1)以柠檬酸钠为络合剂、硼酸为缓冲剂在弱碱性介质中化学沉积Ni_(68.0)Fe_(10.5)P_(21.5)。采用差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)研究了Ni_(68)Fe_(10.5)P_(21.5)镀层的晶化行为,结果表明,非晶态的镀态镀层在370.0℃下热处理时出现Ni_3P相(I-4),495.0℃下晶化生成FeNi_3相(P_(m3m))。该镀层在镀态时呈圆形颗粒紧密堆积的结构。经过400℃热处理后,镀层晶化生成了许多排列均匀、粒径小于10nm的纳米颗粒;而经过500℃热处理的镀层生成了粒径为20～40 nm的纳米颗粒;经过600℃热处理后晶粒进一步变大,粒径达0.1～0.3μm。在500℃下热处理镀层,随着热处理时间增加,镀层的晶化越完全。据此,通过控制在500℃下热处理时间制备了纳米复合的NiFeP合金。Ni_(68.0)Fe_(10.5)P_(21.5)合金的磁参数(饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽力)均随着热处理温度的升高而提高;经500℃处理后合金的磁参数达到最大;热处理温度太高,磁参数反而有所降低。发现Ni_(68.0)Fe_(10.5)P_(21.5)合金在500℃下热处理40min时磁参数达到最大;若继续延长热处理时间,则合金的磁参数反而逐渐降低。实验证实,纳米复合的NiFeP合金磁性能最优。(2)以硼氢化钾为还原剂(KBH_4)、乙二胺为稳定剂化学沉积Co-Fe-B。采用差示扫描量热(DSC)和X射线衍射(XRD)研究了Co-Fe-B镀层的晶化行为,结果显示,非晶态的镀态镀层在464.9℃下热处理时晶化为Co_3B and CoFe相。分别采用高分辨扫描电镜和振动样品磁强计研究了热处理温度对镀层微观结构和磁性能的影响,结果表明,随着热处理温度增加到450℃,镀层的饱和磁化强度和矫顽力都增加,并在450℃达到最大值,进一步增加热处理温度,则饱和磁化强度和矫顽力都下降。在500℃下热处理镀层晶化生成大量直径约20 nm的颗粒,该合金具有理想的磁性能可作软磁膜材料。

硬磁/软磁多层膜的成核场、磁滞回线、磁相图和临界厚度

本文通过微磁学方法,较为系统地研究了同组合的硬磁/软磁多层膜的磁矩分和磁滞回,并出了成核场以及成核场和钉扎场分离的软磁厚度(临界厚度)的解析公.研究发现,当软磁厚度Ls较小时,钉扎场与成核场一致,磁滞回为矩形,对应的磁为刚性磁体;随着Ls增大,钉扎场与成核场发生分离,磁滞回在第二开发生倾斜,磁由刚性磁体变为交换弹簧磁体;随着软磁厚度进一增大,硬磁和软磁的磁矩反转对独立,磁由交换弹簧磁体变为退耦合磁体.解析推导表明,临界厚度和硬磁的磁晶异性的平方成反比,这一点与Kneller的估算公一致.据临界厚度的解析公,我们计算了同材料的临界厚度,并与实验值和Kneller等人的估算值进行了比较,探讨了差别产生的原因.

易轴取向对硬磁/软磁多层膜磁性能的影响

通过微磁学方法,系统计算了硬磁/软磁多层膜(Nd2Fe14B/-Fe多层膜)在晶轴和外场存在夹角情况下的磁矩空间分布、磁滞回线和磁能积.计算表明,在膜面内易轴的偏角对磁性多层膜的磁化反转过程以及剩磁和钉扎场的影响较大.与=0°的情况相比,偏角不为0°时,体系没有明显的成核点.只有在剩磁状态(H=0)时,磁性多层膜内部的磁矩才会出现一致的取向(≡),随着外场的减小,软磁相内部磁矩快速偏转,并且通过界面处的交换耦合作用带动硬磁相内部磁矩的偏转.当软磁相厚度较小时,钉扎场随着的增大先减小后增大,在等于30o附近出现一个低谷;当软磁相厚度较大时,钉扎场随着的增大而单调增大.体系的剩磁和矫顽力随着的增加都呈现出减小的趋势,导致磁能积随的增加而急剧减小,这在一定程度上解释了材料最大磁能积的实验值和理论值之间的巨大差距.

纳米CoPt/Co双层膜和三层膜中长程磁极子相互作用引起的skyrmion与vortex现象

本文通过三维微磁学数值模拟,系统地计算了CoPt/Co磁性双层膜与CoPt/Co/CoPt三层膜结构中的自旋分布.计算结果表明,当三层膜的硬磁相和软磁相厚度分别为8nm和16nm左右时,在三层膜的每一层均会出现斯格明子(Skyrmion)结构.特别是,我们首次发现,当双层膜的硬软磁层厚度均在8nm左右时,在硬磁相和软磁相中均会出现斯格明子结构,即双斯格明子态.双层膜软磁相出现斯格明子的厚度要比三层膜小很多,其对应的斯格明子数只比三层膜小约8%.斯格明子数对硬磁相和软磁相的磁晶各向异性常数K和交换作用常数A都比较敏感,随着K和A的变化,体系硬磁相和软磁相的自旋分布会在涡旋(Vortex)态和斯格明子态之间相互转化,而界面耦合常数对斯格明子数影响不大.