Fe3N納米晶薄膜退火過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變及其磁性

王麗麗,閆 巖,安 濤,盧 歆,譚 芳,王立杰,鄒 林

(長(zhǎng)春大學(xué) 理學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

磁性薄膜在高密度磁記錄、磁流體、磁傳感器和微波材料以及催化和環(huán)境治理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.由于Fe-N具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐蝕、耐磨和良好的磁性,已引起人們廣泛關(guān)注[1-7].文獻(xiàn)[4]采用對(duì)靶磁控濺射研究了退火對(duì)不同氮含量Fe-N薄膜磁學(xué)性能的影響;文獻(xiàn)[5-6]研究了γ′-Fe4N薄膜的外延生長(zhǎng)和晶格失配與飽和磁化強(qiáng)度的關(guān)系;文獻(xiàn)[7]研究了晶粒尺寸為40 nm的ε-Fe3N單位質(zhì)量飽和磁矩.但關(guān)于具有六方晶系結(jié)構(gòu)的納米晶ε-Fe3N薄膜在退火過(guò)程中的晶格畸變過(guò)程與磁學(xué)性能的關(guān)系研究目前未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道.因此,本文采用磁控濺射方法制備ε-Fe3N納米晶薄膜,并考察ε-Fe3N納米晶薄膜在退火過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變及磁性.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 薄膜的制備 在沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制有限公司生產(chǎn)的JGP-560B型高真空磁控濺射設(shè)備上制備納米晶Fe-N薄膜,濺射靶采用Fe靶(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%),襯底采用Si(100)單晶片,并在丙酮、乙醇和去離子水中分別超聲清洗10 min,吹干,將其置于真空室內(nèi)的樣品架上.在濺射過(guò)程中,襯底溫度為350 ℃,濺射壓強(qiáng)為0.8 Pa,濺射功率為96 W,以純N2氣(體積分?jǐn)?shù)為99.99%)作為反應(yīng)氣體,純Ar氣(體積分?jǐn)?shù)為99.99%)作為濺射氣體,通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)和閘板閥控制N2氣流量為6.7 mL/min,Ar氣流量為60.3 mL/min,N2氣在Ar氣與N2氣混合氣體中的流量比為10%,濺射2 h即可得到薄膜樣品.

1.2 退火實(shí)驗(yàn) 利用真空磁控濺射設(shè)備對(duì)薄膜樣品進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn),退火溫度為500～800 ℃,壓強(qiáng)為2×10-4Pa,保溫2 h后,隨爐降溫得到一系列樣品.

1.3 薄膜的表征 采用德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的D8tools型X射線衍射儀表征納米晶Fe-N薄膜的相結(jié)構(gòu),用Cu靶Kα射線源,管電流200 mA,管電壓40 kV;采用美國(guó)LakeShore公司生產(chǎn)的7407型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)量薄膜室溫條件下的磁滯回線;采用梅特勒/托利多儀器(上海)有限公司生產(chǎn)的AB135-S型電子天平測(cè)量薄膜質(zhì)量,天平精確度為0.01 mg.

2 結(jié)果與討論

圖1 N2氣分壓為10%所得薄膜樣品及其在真空中不同溫度退火后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of Fe-N samples deposited at N2 pressure 10% and annealed at different temperatures

2.1 退火過(guò)程的結(jié)構(gòu)演變 氮?dú)夥謮簽?0%所得薄膜樣品及其在真空中不同溫度退火后所得樣品的XRD譜如圖1所示.由圖1中曲線a可見(jiàn),樣品為單相ε-Fe3N,但樣品的衍射峰較寬、強(qiáng)度較弱,即樣品的晶化度較低,晶粒尺寸較小.利用Scherrer公式計(jì)算ε-Fe3N樣品(111)衍射峰可得樣品的晶粒尺寸約為10 nm.由圖1中曲線b和c可見(jiàn):退火后的樣品均保持單相的ε-Fe3N結(jié)構(gòu)特征,其衍射峰變窄、強(qiáng)度增加,其中ε-Fe3N(111)衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度明顯增大;隨著退火溫度的增加,樣品晶化程度提高,晶粒尺寸變大,并沿(111)方向擇優(yōu)生長(zhǎng);經(jīng)500 ℃退火樣品的(111)衍射峰位置較退火前向低角度方向有微小移動(dòng),600 ℃退火樣品的(111)衍射峰較500 ℃退火樣品有向高角度移動(dòng)的趨勢(shì),表明本文制備的ε-Fe3N薄膜樣品在經(jīng)過(guò)500 ℃和600℃退火后,其晶格分別經(jīng)歷了膨脹和收縮兩個(gè)過(guò)程,這是由于初始樣品的晶粒尺寸較小,比表面能和內(nèi)壓力較大,經(jīng)過(guò)500 ℃退火后晶粒尺寸增大,比表面能和內(nèi)壓力減小,使得晶格發(fā)生膨脹[8],經(jīng)過(guò)600 ℃退火后的晶格收縮,這是由于真空中高溫退火使得ε-Fe3N結(jié)構(gòu)中的少量N原子脫出,形成結(jié)構(gòu)上N空位的結(jié)構(gòu)缺陷[9]所致.由圖1中曲線d可見(jiàn),大部分ε-Fe3N相變?yōu)棣谩?Fe4N.由圖1中曲線e可見(jiàn),樣品除有少量的γ′-Fe4N外,大部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe.

2.2 退火過(guò)程的磁性分析 氮?dú)夥謮簽?0%所得薄膜樣品及其在不同溫度退火后樣品的室溫磁滯回線如圖2所示.薄膜樣品的比飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力列于表1.

由表1可見(jiàn),未退火ε-Fe3N薄膜樣品的比飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力分別為145 A·m2/kg和20.5 kA/m,各樣品在磁場(chǎng)的作用下均很快達(dá)到飽和,經(jīng)過(guò)500 ℃退火的薄膜樣品矯頑力遠(yuǎn)小于未經(jīng)過(guò)退火的樣品矯頑力,比飽和磁化強(qiáng)度變化較小,與文獻(xiàn)[3,10]的結(jié)果相符.當(dāng)退火溫度為600 ℃時(shí),矯頑力明顯增大,這是由于高溫退火使得ε-Fe3N結(jié)構(gòu)中的少量N原子脫出,形成N的空位結(jié)構(gòu)缺陷所致.樣品在700 ℃和800 ℃退火時(shí)的磁性能變化是由于結(jié)構(gòu)上的相轉(zhuǎn)變所致.

圖2 N2氣分壓為10%所得薄膜樣品及其在不同溫度退火后樣品的室溫磁滯回線Fig.2 Hysteresis loops for as-deposited ε-Fe3N film and the Fe-N films annealed at different annealing temperatures

綜上可見(jiàn),氮?dú)夥謮簽?0%所得ε-Fe3N單相薄膜樣品在退火溫度小于600 ℃時(shí)可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,隨著退火溫度的增加,晶格先膨脹后收縮.比飽和磁化強(qiáng)度變化較小,矯頑力先減小后增大,經(jīng)過(guò)500 ℃退火的ε-Fe3N樣品軟磁性能最佳.

[1] Eitel L P B,Judith D,Niels E C,et al.The Magnetization ofγ′-Fe4N:Theory vs Experiment [J].Phys Status Solidi B,2009,246(5):909-928.

[2] Jacobs H,Rechenbach D,Zachwieja U.Structure Determination ofγ′-Fe4N andε-Fe3N [J].J Alloys Comp,1995,227(1):10-17.

[3] Kano M,Nakagawa T,Yamamaoto T A,et al.Magnetism,Crystal Structure and Nitrogen Content near theε-ζPhase Boundary of Iron Nitrides [J].J Alloy Comp,2001,327(1/2):43-46.

[4] Feng X P,Mi W B,Bai H L.Investigation of Structure and Magnetic Properties of the As-Deposited and Post-Annealed Iron Nitride Films by Reactive Facing-Target Sputtering [J].Applied Surface Science,2011,257(16):7320-7325.

[5] Ito K,Lee G,Akinaga H,et al.Molecular Beam Epitaxy Offerro Magnetic γ′-Fe4N Thin Films on LaAlO3(100),SrTiO3(100) and MgO(100) Substrates [J].J Crystal Growth,2011,322:63-68.

[6] Atiq S,Ko H S,Siddiqi S A,et al.Effect of Epitaxy and Lattice Mismatch on Saturation Magnetization of γ′-Fe4N Thin Films [J].Appl Phys Lett,2008,92(22):222507.

[7] Ma X G,Jiang J J,Liang P,et al.Structural Stability and Magnetism of γ′-Fe4N and CoFe3N Compounds [J].J Alloy Comp,2009,480(2):475-480.

[8] LIU Yu,SHEN Wei-xia,LIU Mei,et al.Effect of Annealing Time on the Structure and Magnetic Properties of CoFe2O4/SiO2Nanocomposite Films [J].Journal of Jilin Normal University:Natural Science Edition,2011,32(1):40-42.(劉宇,沈偉霞,劉梅,等.退火時(shí)間對(duì)納米CoFe2O4/SiO2復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)和磁性的影響 [J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,32(1):40-42.)

[9] WANG Jun,WU Zhi-guo,YAN Peng-xun,et al.Lattice Expansion of Ni Nanopowders [J].Acta Physica Sinica,2007,56(2)：1004-1008.(王君,吳志國(guó),閆鵬勛,等.納米鎳粉體的晶格膨脹 [J].物理學(xué)報(bào),2007,56(2)：1004-1008.)

[10] ZHANG Wan-li,JIANG Hong-chuan,YANG Guo-ning,et al.Influence of Annealing Temperature on Stress Impedance Effect of FeCoSiB Films and FeCoSiB/Cu/FeCoSiB Sandwich Layers [J].Func Mater,2005,36(4):516-518.(張萬(wàn)里,蔣洪川,楊國(guó)寧,等.熱處理溫度對(duì)FeCoSiB薄膜及FeCoSiB/Cu/FeCoSiB三明治膜應(yīng)力阻抗效應(yīng)的影響 [J].功能材料,2005,36(4):516-518.)

(責(zé)任編輯：王 健)

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