FeCo-SiO-,2-（MgF-,2-）納米顆粒膜的高頻軟磁特性.pdf

1、隨著電磁器件小型化和高性能發(fā)展的需要，對(duì)軟磁材料提出了更高的要求。軟磁材料必須具有高磁導(dǎo)率、高飽和磁化強(qiáng)度、高電阻率和適當(dāng)大的各向異性，以便有效降低渦流損耗、提高截止頻率。金屬-絕緣體納米顆粒膜是一種新型的軟磁材料，它利用金屬材料的高磁導(dǎo)率和絕緣體材料的高電阻率，使得在一種材料中同時(shí)具有高磁導(dǎo)率和高電阻率成為可能，因此這類顆粒膜材料已經(jīng)成為軟磁材料研究的熱點(diǎn)之一。 本文中，我們利用射頻磁控濺射方法制備了Fe65Co35-SiO2

2、和Fe65Co35-MgF2系列納米軟磁顆粒膜。利用X-ray衍射和TEM得到了樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息；用VSM和直流四端法等系統(tǒng)地研究了樣品的磁性和電性；利用短路微擾傳輸線法測(cè)量了樣品的高頻特性；主要得到了以下結(jié)論： 一、結(jié)構(gòu) 利用射頻磁控共濺射方法成功制備了Fe65Co35-SiO2和Fe65Co35-MgF2系列顆粒膜。HRTEM明場(chǎng)像顯示樣品由納米級(jí)(3～7nm)的磁性金屬顆粒均勻地鑲嵌在SiO2絕緣介質(zhì)中構(gòu)成，其金

3、屬顆粒尺寸隨金屬體積分?jǐn)?shù)的減小而減小。電子衍射環(huán)證明磁性金屬顆粒為體心立方晶體結(jié)構(gòu)。另外，X-ray衍射和HRTEM研究表明樣品的晶粒尺寸基本等于顆粒尺寸，這說明一個(gè)顆粒只包含一個(gè)晶粒。 二、磁性 (一)Fe65Co35-SiO2系統(tǒng)(1)系統(tǒng)地研究了矯頑力Hc隨磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)x的變化關(guān)系。在x=0.7-0.48的寬成分范圍內(nèi)，得到了很好的軟磁性能。最小Hc為1.7Oe，最大不超過4.0 Oe。如此寬成分范圍內(nèi)獲得優(yōu)異

4、軟磁性能在金屬-絕緣體顆粒膜中并不多見。我們認(rèn)為，這種在很寬的成份范圍內(nèi)矯頑力都比較小的現(xiàn)象是由于鐵磁顆粒間的交換耦合所致。對(duì)于Fe65Co35-SiO2系統(tǒng)，由于Fe65Co35的鐵磁性交換長(zhǎng)度Lex較大(～26.0nm)，使得在很寬的成份范圍內(nèi)，顆粒大小和間距之和都遠(yuǎn)小于Lex，從而在該成份范圍內(nèi)，顆粒間會(huì)發(fā)生交換耦合。由于交換耦合使顆粒的磁矩趨向平行排列，從而平均了單個(gè)顆粒的磁晶各向異性，并克服了退磁效應(yīng)，使得樣品的平均各向異性顯

5、著降低，因此有效地地降低了矯頑力。 (2)研究了磁各向異性場(chǎng)Hk隨x的變化。結(jié)果表明隨著x的減小，樣品的Hk與Hc的變化趨勢(shì)相反，先增大后減小，在0.48

6、多見，預(yù)示該樣品具有很好的高頻應(yīng)用前景。 (4)用δM(H)曲線對(duì)不同成份樣品的研究表明樣品的顆粒間存在鐵磁性相互作用，即交換耦合作用。并進(jìn)一步用δM(H)曲線研究了顆粒間這種相互作用的大小和變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)隨著x的減小顆粒間交換耦合先增大后減小，在x=0.57時(shí)達(dá)到最大值。這是由于其微結(jié)構(gòu)滿足實(shí)現(xiàn)交換耦合的最佳條件，顆粒之間交換耦合最強(qiáng)之故。 (5)穆斯堡爾譜測(cè)量結(jié)果表明： 1)交換耦合起顯著作用的樣品，磁矩位于

7、膜面內(nèi)或與膜面成一較小的角度。在x=0.57時(shí)，磁矩與膜表面成的度角θ=0°，磁矩完全躺在膜面內(nèi)，x=0.52的樣品，磁矩也幾乎躺在面內(nèi)；而對(duì)于其他的樣品由于顆粒間交換耦合較弱導(dǎo)致磁矩較大地偏離膜面。 2)隨x減小，超精細(xì)場(chǎng)Hf下降，這與飽和磁化強(qiáng)度(Ms)隨x下降的規(guī)律一致，說明了顆粒表面效應(yīng)導(dǎo)致磁性減小。 3)隨x增大，線寬增加，系由于界面效應(yīng)所致。 4)對(duì)x非常低的樣品，如：x=0.22，穆斯堡爾譜呈現(xiàn)單峰

8、，系由于超順磁性所致。 (二)Fe65Co35-MgF2系統(tǒng)(1)濺射功率的大小對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)以及能否實(shí)現(xiàn)軟磁性具有重大影響。在60 w功率下制備的樣品具有小的矯頑力，普遍小于10Oe：而200w下制備的樣品矯頑力很大，系由FeF2相的出現(xiàn)導(dǎo)致。 (2)對(duì)在60w濺射功率下制備的樣品，系統(tǒng)地研究了矯頑力Hc隨體積分?jǐn)?shù)x的變化關(guān)系。在0.5

9、6.2 Oe。飽和磁化強(qiáng)度隨x的減小而減小，其原因與Fe65Co35-SiO2的一致。 (3)δM(H)曲線的研究結(jié)果表明：Fe65Co35-MgFz系統(tǒng)顆粒間的相互作用為類鐵磁性的相互作用，即交換耦合，它導(dǎo)致了低的矯頑力和高的磁導(dǎo)率。 三、高頻特性 利用短路微擾傳輸線法測(cè)量了樣品的高頻特性。 (1)對(duì)于Fe65Co35-SiO2系統(tǒng)，在0.48

10、率μ’和鐵磁共振頻率fr;并且在這一范圍內(nèi)樣品具有很高的電阻率p，顆粒薄膜的這些性質(zhì)預(yù)示著這種樣品具有很好的高頻應(yīng)用前景。 (2)對(duì)于x=0.57的Fe65Co35-SiO2典型樣品，在f<1.3GHz時(shí)，實(shí)部磁導(dǎo)率μ’保持在170左右，而虛部磁導(dǎo)率較小；該樣品共振頻率f高達(dá)2.45GHz，表明有很好的高頻應(yīng)用前景。此外，對(duì)于x=0.48的樣品，除了具有好的高頻性質(zhì)外，還具有非常高的電阻率p=1.1×104μΩ·cm，預(yù)示著此樣

11、品在高頻應(yīng)用下具有很小的渦流損耗。 (3)Fe65Co35-MgF2系統(tǒng)也顯示了很好的高頻性質(zhì)。x=0.62的典型樣品，在f<1.0GHz時(shí)，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部μ’>100，鐵磁共振頻率fr也高達(dá)2.4GHz，具有很好的高頻應(yīng)用前景。 四、FeCo-SiO2樣品的傳輸性質(zhì)以往對(duì)金屬—絕緣體顆粒膜的輸運(yùn)性質(zhì)研究主要集中在介質(zhì)區(qū)，而本工作中，我們系統(tǒng)地研究了Fe65Co35-SiO2金屬—絕緣體顆粒膜在全成分范圍內(nèi)的輸運(yùn)性質(zhì)。

12、 (一)在金屬區(qū)，即x>0.68時(shí)，ρδ∝T2，電阻溫度系數(shù)為正，即具有金屬性導(dǎo)電機(jī)制。 (二)在過渡區(qū)，當(dāng)0.48