Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x的永磁薄膜性能的研究

王 永，陳 吉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x的永磁薄膜性能的研究

王 永，陳 吉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

稀土永磁合金薄膜在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、磁記錄介質(zhì)、自旋電子元件和醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。SmCo基永磁薄膜，其內(nèi)稟居里溫度高于其他永磁薄膜，高溫條件下有更高的穩(wěn)定性,因而在MEMS 中具有潛在的應(yīng)用前景。采用復(fù)合靶和純釤靶共濺射制備出SmCo基永磁薄膜樣品，研究了薄膜合金中Sm含量以及退火溫度等對Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x相結(jié)構(gòu)、微觀形貌以及磁性能的影響，得出以下結(jié)論：退火溫度對薄膜織構(gòu)也有明顯影響。隨著退火溫度提高，薄膜織構(gòu)增強(qiáng)，矯頑力提高。隨著Sm含量的提高，薄膜中SmCo相析出增多，組織更加均勻，矯頑力明顯提高。

稀土；薄膜；矯頑力；微觀形貌

隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們開始利用微加工技術(shù)制造出各種微小尺寸的機(jī)械零件，MEMS技術(shù)也成為機(jī)械等領(lǐng)域的熱門研究。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electromechanical System-MEMS）基本上是指尺寸在厘米級以下乃至更小的小型裝置，廣泛應(yīng)用于交通、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等高新產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域[1]。永磁薄膜是實(shí)現(xiàn) MEMS系統(tǒng)中電磁效應(yīng)的主要功能材料之一，因此研究制備高性能的永磁薄膜材料對提高M(jìn)EMS系統(tǒng)的性能以及集成化有著非常重要的意義[2]。

隨著近年來，MEMS工作環(huán)境溫度的提高和微細(xì)加工技術(shù)中不可避免的高溫( ～400 ℃) ,永磁薄膜( 1～ 500 μm)的高溫磁學(xué)行為日益受到重視[3-7]。由于Sm-Co永磁薄膜的內(nèi)稟居里溫度高于NdFeB等永磁薄膜，從而在高溫條件下有更高的穩(wěn)定性,因而在MEMS 中具有潛在的應(yīng)用前景。

因此，制備高溫用Sm-Co永磁薄膜具有非常重要的應(yīng)用價值。

我們利用磁控濺射制備SmCo基永磁薄膜，通過純釤靶和合金靶 Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x共濺射來制備薄膜樣品,選取不同 Sm的濺射功率分別為10～35 W，研究 Sm含量以及退火溫度對薄膜相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及磁性能的影響。

1 Sm含量對薄膜相結(jié)構(gòu)、斷面形貌以及磁性能的影響

對于SmCo基合金薄膜，釤元素的含量對薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性能有著非常重要的影響。我們利用磁控濺射設(shè)備制備永磁薄膜，通過純釤靶和合金靶Sm共濺射來制備薄膜樣品,選取不同Sm的濺射功率分別為10～35 W，研究Sm含量薄膜相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及磁性能的影響。

1.1 Sm含量對薄膜相結(jié)構(gòu)的影響

圖 1是室溫沉積的不同 Sm 含量的Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x合金薄膜在 700 ℃條件下退火30 min的XRD結(jié)果。從圖中可以看到的時候，當(dāng)Sm的濺射功率為10 W時，由于Sm含量太少的緣故，Sm2Co17的衍射峰強(qiáng)度很弱，而且有Fe3Co7相析出，說明此時薄膜合金中的Sm2Co17的相含量比較少，而薄膜合金中的Fe元素與剩余的Co元素反應(yīng)生成了Fe3Co7的相。隨著Sm含量的提高，Sm2Co17的衍射峰也隨著增強(qiáng)，說明增多的Sm元素與Co發(fā)生反應(yīng)，形成了更多的Sm2Co17的相，F(xiàn)e3Co7的衍射峰也消失，這主要是由于Fe元素進(jìn)入到2:17主相中去了。另外我們發(fā)現(xiàn)，隨著Sm含量增大，Sm2Co17的衍射峰向低角度發(fā)生小角度的偏移，說明Sm2Co17的晶格間距增大，發(fā)生Sm2Co17相→SmCo7相→SmCo5相的轉(zhuǎn)變。同時，衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

圖1 不同Sm含量的合金薄膜的X射線衍射譜Fig.1 XRD of films with different Sm content

1.2 Sm含量對薄膜斷面形貌的影響

圖2 不同Sm含量的合金薄膜的斷面貌Fig. 2 The section morphology of films with different Sm content

圖2是室溫沉積的不同Sm含量的合金薄膜在900 ℃條件下退火10 min的斷面形貌。薄膜在900℃退火條件下，隨著Sm含量提高，晶粒析出明顯增多。而從XRD的分析中我們也看到隨著Sm含量的提高，薄膜的結(jié)晶度也明顯提高。這是由于增多的Sm與薄膜中富余的Co元素發(fā)生反應(yīng)，生成了更多的SmCo相。但是隨著Sm含量的提高，薄膜致密度變差，出現(xiàn)了很多空洞。

另外，在900 ℃退火條件下薄膜隨著Sm含量的提高，晶粒尺寸也隨著變小。這是由于Sm含量增多，薄膜中晶粒表面的Sm2Co17相與Sm原子發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化成SmCo5相，1∶5相增多，會抑制主相2∶17相晶粒尺寸的變大，從而降低了薄膜中的平均晶粒尺寸。

1.3 Sm含量對薄膜磁性能的影響

圖3是室溫沉積的不同Sm含量的合金薄膜在700 ℃條件下退火30 min的平行面內(nèi)的磁滯回線。由于薄膜樣品磁性較強(qiáng)，VSM測量磁場有限，樣品磁化后無法完全退磁，造成磁滯回線不對稱現(xiàn)象，我們只能從樣品的退磁曲線進(jìn)行分析。從圖中我們可以直觀看到，當(dāng)Sm的濺射功率為25 W時，薄膜獲得最大矯頑力1.8 T; 當(dāng)Sm的濺射功率為30 W時，薄膜獲得最大矯頑力1.6 T。與XRD結(jié)果對比，雖然Sm含量升高時，薄膜衍射峰增強(qiáng)，但其磁性能并沒有隨Sm含量增大而變好，分析可能是由于隨Sm含量升高薄膜質(zhì)量變差的原因。

圖3 合金薄膜的平行于膜面的磁滯回線Fig.3 In-plane hysteresis loop of films with different Sm content

2 退火溫度對薄膜相結(jié)構(gòu)和磁性能的影響

由于沉積態(tài)的薄膜是非晶態(tài)的，薄膜的磁性能很差，對沉積的Sm-Co薄膜在高溫條件下進(jìn)行退火處理，可以使非晶態(tài)的Sm-Co薄膜晶化。而薄膜的晶化會對薄膜的矯頑力等磁性能有很大的影響，因此研究SmCo基薄膜的退火工藝條件對提高薄膜的矯頑力等磁性能有非常重要的作用。我們對Sm濺射功率為20 W的樣品進(jìn)行了700、800、900 ℃條件下退火，其中700、800 ℃條件下退火時，退火時間為30 min；900 ℃條件下退火時，退火時間為10 min。

2.1 退火溫度對薄膜相結(jié)構(gòu)的影響

圖4是室溫沉積的合金薄膜在700、800、900 ℃條件下退火的XRD結(jié)果。由圖中可知，隨著退火溫度的升高，薄膜的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。當(dāng)退火溫度升高到800 ℃時，薄膜合金中有Sm2Co17相生成，而且此時出現(xiàn) SmCo7相的(200)衍射峰。900 ℃時, SmCo7相(111)晶面的衍射峰明顯增強(qiáng)，說明隨著退火溫度的增加，薄膜的SmCo7相(111) 織構(gòu)增加。另外發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的提高，薄膜SmCo7相(111) 晶面和Sm2Co17(200)晶面的衍射峰也變的更加銳利，這可能是隨著退火溫度的升高，兩相晶粒長大的原因造成的。雖然900 ℃退火時間短于700、800℃退火時間，但是900 ℃退火時，薄膜的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，薄膜晶化程度提高，說明退火溫度對薄膜織構(gòu)的影響大于退火時間對薄膜織構(gòu)的影響。

圖4 不同退火溫度的合金薄膜的XRDFig.4 XRD patterns of films with different annealing temperature

2.2 退火溫度對薄膜磁性能的影響

圖5 不同退火溫度的合金薄膜的平行于膜面的磁滯回線Fig.5 In-plane hysteresis loop of films with different annealing temperature

圖5是不同溫度退火的薄膜的平行膜面的磁滯回線的比較。由于薄膜樣品磁性較強(qiáng)，VSM測量磁場有限，樣品磁化后無法完全退磁，造成磁滯回線不對稱現(xiàn)象，我們只能從樣品的退磁曲線進(jìn)行分析。從圖4中我們可以直觀的看到薄膜的矯頑力隨著退火溫度的增大獲得了明顯提高。在700和800℃退火時，矯頑力非常接近，大約有1.7 T，而當(dāng)退火溫度達(dá)到 900 ℃，薄膜的矯頑力獲得明顯的提高，達(dá)到了1.98 T。而當(dāng)退火溫度從700 ℃增大到900 ℃時，薄膜的矯頑力已提高到0.28 T，這可能是隨著退火溫度的提高，薄膜晶粒尺寸長大到合適的尺寸，且晶粒尺寸趨于均勻化，有助于矯頑力的提高；另外，在900 ℃退火條件的薄膜樣品比700℃退火的薄膜樣品剩磁比M/Ms有所提高。

4 結(jié) 論

（1）隨著Sm含量增大，發(fā)生Sm2Co17相→SmCo7相→SmCo5相的轉(zhuǎn)變。同時，衍射峰的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；隨著Sm含量增大，薄膜中晶粒析出明顯增多，平均晶粒尺寸減小，薄膜致密度變差，出現(xiàn)了很多空洞；當(dāng)Sm的濺射功率為25 W時，薄膜獲得最大矯頑力1.8 T。

（2）高溫退火時，薄膜的衍射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，薄膜晶化程度提高，晶粒尺寸趨于均勻化。退火溫度達(dá)到900 ℃，薄膜的矯頑力獲得明顯的提高，達(dá)到了1.98 T。

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［2］王亦忠.永磁薄膜的研究現(xiàn)狀[J].磁性材料及器件，2001,32(4):27-32.

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Study on Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)xPermanent Magnetic Films

WANG Yong，CHEN Ji
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The flms of rare earth transition metal (RE-TM) alloys have great technological applications in the feld of microelectromechanical systems (MEMS), recording media, spintronic devices and medical science. SmCo permanent magnet films have better high temperature stability because its intrinsic curie temperature is higher than other permanent magnet films; the SmCo permanent magnet films have potential application prospect in MEMS. In this paper, Sm-Co based permanent magnetic films were prepared by co-sputtering composite targets and pure Sm targets. Effect of Sm content and annealing temperature on the film microstructure and magnetic properties of the Sm-Co films was investigated. The results indicate that: the annealing temperature plays an important role in the film texture. With the increase of the annealing temperature, the texture of the films is enhanced and the coercivity is also improved. With the increase of Sm content, the precipitation is enhanced to form uniform films, which can improve the coercivity.

Rare earth; Thin film; Coercive force; Microstructure

TQ 031

A

1671-0460（2014）11-2243-03

2014-04-14

王永（1985-），男，河北唐山人，碩士在讀，研究方向：稀土永磁薄膜。E-mail：wy517503479@163.com。

陳吉（1974-），男，教授，博士，研究方向：裝備材料的腐蝕與防護(hù)。E-mail：Jchen_Lsu@hotmail.com。