（凝聚态物理专业论文）高频用尖晶石结构mnzn铁氧体薄膜制备与性能研究.pdf

孙建荣兰州大学博士学位沦文摘要 摘要 寻找和制备能有效吸收雷达波的新型隐身材料，是世界各国军事研究领域的重点 攻关课题之一。从实用性考虑，新型吸波隐身材料必须要具有：高频性能优越且阻抗 匹配、质轻、耐高温、耐腐蚀等特点。铁氧体薄膜是重要的备选材料之一。另外，随 着电子设备向小型化、轻量化、薄形化、高频化、低损耗和高可靠性的发展，对电子 元件及材料的要求是朝着进一步的小型化、集成化方向压缩，部分器件将由三维的体 材料向一j 维的薄膜材荆方向过渡。而微波及毫米波器件、呵调滤波器、高密度人容量 的薄膜磁记录介质、薄膜型磁头、磁传感器、薄膜电感器利生物医学巾用做药物和探 测试剂载体等，都需要膜厚均匀、无缺陷、具有合适电磁性能的铁氧体薄膜。 铁氧体薄膜以其优异的高频电磁特性、良好的机械耐磨性和稳定的化学性能而成 为颇具应用价值的材料引起人们的极大关注。由于传统的制备铁氧体的工艺都要经过 高温热处理工序，而高质量m n z n 系列软磁铁氧体薄膜对热处理环境敏感，不易获 得。因此，目前的研究热点集中在块体、纳米颗粒铁氧体材料的动态磁化机理等方而， 而对于软磁铁氧体薄膜的制备和高频性能的研究才刚刚起步，尚处于初期实验阶段。 本论文分别采用了低温水溶液中的化学镀工艺和分层交替溅射法制备了不同z n 含量、不同厚度的m n l 。z n 。f e 2 0 4 ( o 1 x o ，9 ) 铁氧体纳米晶薄膜。利用x 射线衍 射仪( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、振动样品磁强计( v s m ) 、矢量网络分析仪( p n a 8 3 6 3 b ) 和背散射穆斯堡尔谱仪( c e m s ) ，并结合其它的一些仪器设备，研究了m n z n 软磁铁氧体薄膜榉w f i t 的结构与磁性，探讨了微绺4 ：f = j j - j 磁眺之i7 内父系，j 块体材料进 行了对比，并对不同方法制备得到的柏川成分的样品性能进行_ 比较：特别赴研究了 不同方法制备薄膜样品的高频动态磁特性。得到的主要结果如下： 1 成功地摸索和掌握了水溶液化学镀制备纳米颗粒与薄膜的工艺，自行设计加 工了整套实验装置。首次利用水溶液化学镀工艺在玻璃基底上成功地制备了 不同z n 含量、不同厚度的m n l 。z n ，e 2 0 4 ( o 1 x o 9 ) 铁氧体纳米晶薄膜。 出于整个反应是在9 0 的水浴环境中进行，薄膜样品不需经过高温热处理 工序，从面很好地避免了m n 、f e 元素的氧化变价、析出和z n 元素的挥发 问题，制得了高质量的m n z n 铁氧体纳米晶薄膜。 2 通过化学镀工艺制备的不同z n 含量的m n i z n ，f e 2 0 4 薄膜样品的饱和磁化强 孙建荣 兰州i 大学博士学位论文摘蛰 度墟的变化趋势和块体类似，都是先增大，在x = 0 5 左右达到最大，然后 开始减小。这种变化趋势完全符合含z n 铁氧体的超交换相互作用理论。而 矫顽力且的变化则和块体完全不同，它先减小，在x = 0 5 左右达到最小， 然后丌始异常增大。这种变化趋势卜的差别是由于：矫顽力和薄膜样品的表 丽平整度有强烈的关联作川，表面起伏越大矫顽力也越大，这种矫顽力士f _ 大 ： 土要米源】i 缺陷的增多和由j i 晶界体积增人所j 。：生的“钉扎”效应对磁畴翻 转的阻碍作用。 3 通过化学镀工艺制备的不同z n 含量的m n l z m f e 2 0 4 薄膜样品，由于z n 2 + 对于爿位有着强烈的化学亲和性而优先占据a 位，随着z n 含量的增加致使 ) f e ”不断的从a 位mb 位迁移。 4 多种测量结果均显示，通过化学镀和射频溅射制备的m n i - x z n x f e 2 0 4 铁氧体 薄膜的金属阳离子分布和块体不同，其占据4 位的f e ”离子数目远高于块体 材料，并由此导致反铁磁结构爿，占位抵消后的有效磁矩减小，从而必明显 地小于相应成份的块体值。 5 通过单层交替溅射法制得的薄膜样品的矫顽力见大于相同成分通过化学镀 工艺制备的薄膜样品值，更是远大于块体m n z n 铁氧体的数值。这主要是臣i r 溅刺法制备铁氧体薄膜绎过了热处理工序，品粒比低温水溶液化学镀1 岂 制各的薄膜样品大的原因。 6 室温背散射穆斯堡尔谱测量证明，通过化学镀和射频溅射制备的3 0 0n m 厚 m n i 。z n x f e 2 0 4 铁氧体薄膜在形状各向异性作用下，磁矩近似的垂直于v 射线 的入射方向，都在薄膜平面内部排列，这种易面各向异性的产生是突破s n o e k 极限、使薄膜样品的共振频率向高频方向大幅提升的根本原凼。而高频磁潜 ：f 的测量表明，两种方法制备的m n z n 系列铁氧体薄膜其自然共振频率7 ；都 集中在4 0 0 9 0 0m h z ( 远高于根据= 4 4 的m n z n 铁氧体块状样品的斯诺 克极限所估算的，；= 1 3 0m h z ) ，在共振频率附近，磁导率虚部达到最 大值( 1 5 ) ，磁导率实部“为1 5 3 5 。 f 7高频磁谱的实验数据和拟合数据的吻合表明：通过化学镀和射频溅射制备的 系列m n z n 铁氧体薄膜，其磁矩的有阻尼进动可以川经典的 l a n d a u l i f s h i t z g i l b e r t 方程来描述，吸收高频ic l 磁波的机理为自然共振。 孙建荣 兰州大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s t e a l t hu s i n gr a d a ra b s o r b i n gm a t e r i a l se n a b l e st h ec o n t r o lo rr e d u c t i o no ft h e s i g n a t u r e so fw e a p o ns y s t e m s n a t i o n a ls e c u r i t y i se n h a n c e db yn e wc o m b a ta i r c r a f tt h a t u s es t e a l t hm a t e r i a l st oh e l pc o n t r o lt h e i rs i g n a t u r e ，s os c i e n t i s t sf r o mv a r i o u sc o u n t r i e s f o c u st od e v c k ) pt h cj a d a ra b s o r b i n gm a t e r i a l s ，i 、h ef e r r i t et h i nf i l m sh a v eb e e nc o n s i d c l e d a s g o o d c a n d i d a t e sf r o ms o m ep r a c t i c a lc o n s i d e r a t i o n ss u c ha s h i g hp e r m e a b i l i t y ， i m p e d a n c em a t c h i n g ，l i g h tq u a l i t y , h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n ta n dc o r r o s i o nr e s i s t a n t i n r e c e n ty e a r s ，a se l e c t r o n i cd e v i c e sh a v eb e c o m em o r em i n i a t u r i z e d ，o f f e r i n gi n c r e a s i n g l l i g hl e v e l so fp e r f o r m a n c e t h es t u d yo fe l e c t r o n i cd e v i c e su n d e rm u c hh i g h e r - s i g n a l f r e q u e n c i e sh a sb e c o m eat r e n d ，t h eg r o w t ho ft h i nl a y e r so fm a g n e t i c a l l ys o f tf e r r i t e s s u c ha sm n - z no rn i z nf e r r i t eh a sb e e ns t u d i e db yv a r i o u sg r o u p s t h i st r e n da n di n t e r e s t a r em o t i v a t e db yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n ss u c ha sm a g n e t i ct h i n f i l mr e a dh e a d s ，c l a d d i n g l a y e r sf o rt h i nf i l mi n d u c t o r sa n dm i c r o w a v ea c o u s t i cd e v i c e s o w i n gt ot h e i rl a r g er e s i s t i v i t i e s ，l o wp o w e rl o s s e s ，a n dh i g hp e r m e a b i l i t i e s ，f e r r i t e s h a v eb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti nh i g hf r e q u e n c ys o f tm a g n e t i ca p p l i c a t i o n s a l t h o u g h m n z nf e r r i t ef i l m sh a v es u c hg o o dp r o p e r t i e si n c l u d i n gh i g hr e s i s t i v i t y ，g o o dq u a l i t ya t h i g hf r e q u e n c y a n dg o o dp e r f o r m a n c eo l 、s o f tm a g n e t s ，d u r i n gt h c i l lp r c p a ：a l i o nl h e r ca r c m a n yf a c t o r st h a t a r en o te a s yt oc o n t r 0 1 m n z nf e r r i t ei ss e n s i t i v et oi t sf a b r i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，e s p e c i a l l ya th i g ha n n e a l i n gt e m p e r a t u r e s ot h es t u d yo fs o f t f e r r i t et h i n f i l m ss u c ha sm n z na n dn i z nf e r r i t et h i nf i l m sa r eu n d e r w a ya n di n t e r e s t i n g w eh a v ep r e p a r e dm n l q z n x f e 2 0 4 ( 0 i x4 0 9 ) t h i nf i l m so fd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n d z nc o n c e n t r a t i o nb ye l e c t r o l e s sp l a t i n gm e t h o di na q u e o u ss o l u t i o na n dr fs f u t t e rd e p o s i t e d m e t h o d ，r e s p e c t i v e l y w i t hx r d ，s e m ，v s m ，c e m sa n da na g i l e n tv e c t o rn e t w o r k a n a l y z e r ( p n a8 3 6 3 b ) ，t h ec r y s t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y o ft h ef i h n s ，t h e h i g h - f r e q u e n c yp e r f o r m a n c e t h em a c r o s c o p i cm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dt h e i rc o r r e l a t i o n s a r ec h a r a c t e r i z e da n dd i s c u s s e d 。t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w ： 1w eh a v e d e s i g n e d a n df a b r i c a t e dt h e e q u i p m e n to fe l e e c r o l e s s p l a t i n g m n , 、z n ，f e 2 0 ( 0 1 x o9 ) t h i nf i l m s ( ) f g o o dq t m l i t yw , i o t 】d i i l b r e mt h i c k n e s s 孙建荣 兰州大学博士学位论文 2 4 6 a n dz nc o n c e n t r a t i o nw e r ep r e p a r e do ng l a s ss u b s t r a t e s f i r s t l yw i t h o u th e a t t r e a t m e n tb ye l e c t r o l e s sp l a t i n gi na q u e o u ss o l u t i o na t9 0 。c t h ec h a n g eo ft h ec o e r c i v i t yo ft h ep l a t e dm n l q z n x f e 2 0 4t h i nf i l m si sn o t c o n s i s t e n tw i t ht h a to f t h eb u l km a t e r i a l s a st h ez nc o n t e n ti nt h ef i l m si n c r e a s e s t h ev a l u eo fh cd e c r e a s e s f i r s t l y ，a n d t h e ni n c r e a s e s 。a tx = 0 。5 ，h eo f m n l - x z n x f e 2 0 4t h i nf i l ms h o w sam i n i m u mo f3 7k a ma n d 胍s h o w sa m a x i m u mo f 4 19 6k a m t t e r e m si sm u c hs m a l l e ra n dh ci sm u c hl a r g e rt h a n t h o s eo ft h eb u l km a t e r i a l s ，w h i c hm a yb ed u et ot h ef o l l o w i n gf a c t o r ：t h ed c l c c t s i nt h ef i l mm i c r o s t r u c t u r ec a na f f e c tt h em sa n dh co b v i o u s l y ；a n dt h eg r a i ns i z e o fo u rs a m p l e si sm u c hs m a l l e rt h a nt h a to fb u l km a t e r i a l s ，w h i c hi n d u c e sa n i n c r e a s ei nt h en u m b e ro fg r a i nb o u n d a r i e s ，a n dt h e na c t sa sp i n n i n gs i t e sf o r d o m a i nw a l l s ，s oi co fm n l x z n x f e 2 0 4t h i nf i l m sp l a t e di sm u c h l a r g e rt h a nt h e v a l u eo ft h eb u l km a t e r i a l s f o rt h ee l e c t r o l e s sp l a t e dm n z nf e r r i t et h i nf i l m sw i t hd i f f e r e n tz n c o n c e n t r a t i o n ， t h ef e 3 + i o n st r a n s f e rf r o mas i t e st obs i t e sa n dt h eh y p e r f i n em a g n e t i cf i e l d ( h f ) r e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fz nc o n t e n t ，m e a n i n gt h a tz n 2 + i o n sh a v es t r o n g c h e m i c a la f f i n i t yt o w a r d st h eas i t e s h ec e m sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec a t i o nd i s t r i b u t i o no fm n l x z n x f e 2 0 4f e r r i t e t h i nf i l m sf a b r i c a t e db ye l c c t r o l c s s p l a t i n gm e t h o da n dr f s p u t t e rd e p o s i t e d m e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt h eb u l km a t e r i a l s a n dag r e a tq u a n t i t yo ff e 3 i o n sa r e s t i l lp r e s e n to i la s i t e s ，w h i c hr e d u c e st h en u m b e ro fu n p a i r e ds p i n sb e t w e e nt h ea s i t e sa n dbs i t e s ，s o 帆o fm n t “z n x f e 2 0 4t h i nf i l m sp l a t e di sm u c hs m a l l e rt h a n t h ev a l u eo ft h eb u l km a t e r i a l s f o rt h er fs p u t t e rd e p o s i t e dm n z nf e r r i t et h i nf i l m s ，乜i sm u c hl a r g e rt h a nt h o s e o ft h ee l e c t r o l e s sp l a t e dt h i nf i l m sw i t hs a l n ez nc o n t e n tt h ea n db u l km a t e r i a l s f o rt h em n l - x z n x f e 2 0 4f e r r i t et h i nf i l m sf a b r i c a t e db ye l e c t r o l e s sp l a t i n gm e t h o d a n df fs p u t t e rd e p o s i t e dm e t h o d ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cm o m e n t si nt h e s a m p l ei sp e r p e n d i c u l a rt ot h ei n c i d e n td i r e c t i o no f3 - r a y s i na n o t h e rw o r d ，t h e a r r a yo fm a g n e t i cm o m e n t sl i e si nt h ep l a n et h i nf i l m f o rt h ee l e c t r o l e s sp l a t e d m n - z nf c r r i t et h i nf i l m sa n dt h er l 、s p u t t e l d e p o s i t e dm n z nf e r r i t et h i nf i l m s ，t h e f l 孙建荣 兰州大学博士学位论文 r e a lp a r ti t 。o fs a m p l e sk e e pf r o m1 5t o3 5a n dt h ep e a kf r e q u e n c y0k e e pf r o m 4 0 0t o9 0 0m h zc o r r e s p o n d st oan a t u r a lr e s o n a n c ef r e q u e n c y t h ep e a k f r e q u e n c y f i i sm u c hh i g h e rt h a nt h a to f t h eb u l km a t e r i a l s 7 f o rt h em n l x z n x f e 2 0 4f e r r i t et h i nf i l m sf a b r i c a t e db ye l e c t r o l e s sp l a t i n gm e t h o d a n dr fs p u t t e rd e p o s i t e dm e t h o d ，t h es p e c t r ao fr e a la n di m a g i n a r yp e r m e a b i l i t i e s a c c o r dw i t hf i a i n gt h ed a t a d a m p e dp r e c e s s i o n o ft h em a g n e t i cm o m e n t s c o r r e s p o n d st ot h ec l a s s i c a ll a n d a u l i f s h i t z g i l b e r tf o r m u l a ，a n dt h em e c h a n i s m o ft h ea b s o r p t i o no ft h eh i 曲e l e c t r o m a g n e t i cw a v e si sr e l e v a n tt ot h en a t u r a l r e s o n a n c et h e o r y i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出承要贡献的个人和集体，均己存文中以明确办式标明c 小声目的法利! 资仟【_ _ 小人乐扪。 论文作者签名：丑：遣笪： 日期： 鲨2 ：! ! ：夕 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 奁阅和借阅：本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据j 牢进行检索，可以采 任何复制于段保存和汇编本学位论文。小 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：匀避导师签名：熟茎翌日期：鬯至! ! ：丝 孙建荣兰州人学博 学位论文 第一章概述 1 1 纳米科学简介 1 4 】 第一章概述 纳米科学与技术是当今最为热门的研究领域之一，它是以许多现代先进科学技术 为基础的新兴研究领域。日本率先开展了纳米物理和纳米化学的研究，k i m o t o 干l j 用透 射电子显微镜观察纳米粒子的结晶行为，提出了“超微粒子结构”的新概念：即颗粒尺 寸小于1 0 0n l n ，且具有小尺寸、表面与界面和量子尺寸三大效应的粒子结构【5 。2 0 世 纪7 0 年代h a y a s h 研究了纳米粉体的性质、生产方法以及在物理、化学、生物领域中 的应用，从而诞生了“纳米技术”：即在1 0 4 1 0 。7m 尺度内研究物质的技术。进入2 0 世 纪8 0 年代，纳米科技发展迅速，发明了扫描隧道显微镜和原子力显微镜等先进仪器。 从而可以从原子和分子水平上操纵物质。到现在，纳米科学的发展已经实现了 f e y n m a n 的预言“如果有一天人们能按照自己的意愿排列原予和分子，那将创造什 么样的奇迹”。 纳米材料在电子信息、航空航天、环保和能源、生物医药等领域都发挥着重要的 作用。如纳米电子学，它是以纳米电子器件的理论和技术为基础，对人类社会产生重 要影响的微电子学的发展做出了开拓性推进；一些纳米磁性材料提高了传统磁性材料 的磁性能，发现了许多新的磁学现象，如巨磁阻和磁性薄膜材料使磁盘的记录密度极 大提高；在航空航天领域，一些纳米粉体涂层具有高效吸收电磁波的特性，这在军事 上具有极大的应用价值：一些纳米粉体的催化及其储氢性能使纳米材料在环保和能源 领域具有很好的应用前景；在生物医学领域，磁性纳米材料经过表面包覆等处理后， 可作为磁共振成像的显影对比剂，又可以将磁性纳米颗粒作为药物的载体，对药物在 生物体内的运动进行控制，这些都引起了科学工作者的极大兴趣 6 ，7 】。 1 2 纳米薄膜科学简介 纳米薄膜具有纳米材料的特殊结构【8 】，即晶粒和晶界尺寸都属于纳米数量级。 孙理荣兰州人学博i ：学化沦文 第一市概述 典型的纳米薄膜应该是以纳米粒子或原子团簇为基质的薄膜体，或者薄膜的厚度为纳 米尺寸数量级。纳米薄膜由于纳米相的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观 量子隧道效应等使得它们呈现出常规材料不具备的特殊的光学、电学、力学、催化和 生物方面的性能。 a 力学性质 纳米薄膜由于其组成和厚度的特殊性，因此其性能也有一些不同于常规颗粒材料 的特殊性，尤其是超模量、超硬度效应成为近年来薄膜研究的热点。对于这些特殊现 象，k o e h l e r 早期提出的高强度固体的设计理论，以及后来的量子电子效应、界面应 变效应、界面应力效应等都不同程度的解释了一些实验现象，但还都不完善。现在纳 米薄膜材料的力学性能研究较多的有多层膜硬度、韧性、耐磨性等。 b 磁学性质 ( 1 ) 磁学特性 纳米双相交换耦合多层膜a f e n d 2 f e l 4 b 永磁体的软磁相或硬磁相的厚度为某 一临界值对，该交换耦合多层永磁膜的成核场达到最大值，与r a v e 等人的有限元法 计算结果趋势是一致的，考虑到工艺参数的影响后，与s h i n d o 等人的试验及理论估 算结果是一致的。目前，所报道的纳米交换耦合多层膜a f e n d 2 f e l 4 b 的磁性能仍 然不高，因此，进一步优化工艺参数是研制理想纳米交换耦合永磁体材料的重要方向。 ( 2 ) 巨磁电阻效应( g m r 效应) 1 9 8 8 年法国巴黎大学物理系f e r t 教授首先在f e c r 多层膜中发现了巨磁电阻效 应，即材料的电阻率受材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象，同时德国尤利西 研究中心的g r i i n b e r g 教授也独立地发现了这种效应，因此，他们共同获得了2 0 0 7 年 度的诺贝尔物理学奖。1 9 9 2 年b e r k o w i t z 和c h i e n 又分别独立地在c o c u 颗粒膜中观 察到g m r 效应，此后又相继在液柏快淬工艺以及机械合会化等方法制备的纳米固体 中发现了这种效应。g m r 效应发现以后主要的研究方向之一是降低饱和磁场，提高 低场灵敏度。解决途径其一是在多层膜中采用自旋阀结构( s p i nv a t u e ) ，另一种途径 是将多层膜在合适温度下退火，使其成为间断膜，使层间产生偶极矩的静磁耦合。例 如多层膜组成为t a ( 1 0 0 ) a g ( 2 0a ) n i f e ( 2 0a ) a g ( 4 0a ) 】4 n i f e ( 2 0a ) t a ( 4 0a ) s i 0 2 ( 7 0 0 a ) s i 经过3 1 5 在( 5 h 2 + 9 5 a r ) 气氛中退火，g m r 效应可达到4 6 。饱和磁场可达到5 一l o oo e ，磁场灵敏度s v 可达到o 8 o e 。在多层膜巨 磁电阻研究的启发与促进下，又发现了在颗粒膜中同样存在g m r 效应。 2 孙建荣兰州大学博十学位论文第一章概述 1 3 铁氧体( 亚铁磁性) 材料简介 磁性是物质的基本属性之一，一切物质都具有磁性。磁性现象是与各种形式的电 荷运动相关联的，由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，因而产生 磁性。物质按磁性的不同可以分为顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性 物质和亚铁磁性物质。其中前三类磁性物质，人们对它们的认识较早，1 8 9 5 年，法 国物理学家居晕发表了他对这三类物质磁性的大量实验结果。他认为：抗磁体的磁化 率不依赖1 二磁场强度且般不依赖于温度；顺磁体的磁化牢不依赖于磁场强度而与绝 对温度成反比( 这被称为居里定律) ；铁在某一温度( 后被称为居星点) 以上失去其强磁 性。而关于反铁磁性和亚铁磁性的认识相对来说却很晚，直到1 9 世纪3 0 年代初，法 国物理学家奈耳从理论上预言了反铁磁性，并在若干化合物的宏观磁性方面获得了实 验证据。1 9 4 8 年他又对若干铁和其他金属混合氧化物的磁性与铁磁性的区别作了详 细阐释，并称这类磁性为亚铁磁性，而将具有亚铁磁性的含铁化合物称为铁氧体材料。 1 3 i 铁氧体的分类1 9 l 铁氧体按其被利用的性能可分为以下五类：软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁。软 磁的应用是数量最大、价值最高的。收音机里的天线磁芯和中频变压器磁芯以及电视 机里的回扫变压器磁芯都大量使用软磁铁氧体，有线电讯线路中的增感器，滤波器等 的磁芯也使用很广。铁瓴体电阻率商( 一般比会属高百万倍以上) ，存绝人多数应 用的品种内，涡流损耗基本上可以忽略，这一性能满足了作为商频无线电线路哩磁芯 的要求，但是铁氧体的饱和磁感应强度凰低，对于用来傲换能( 或储存) 的磁芯是 不利的，但仍然在高频磁记录换能器( 磁头) 中的应用很广泛。铁氧体永磁材料由于 其电阻率很高，适于在高频磁场中充当永磁体，例如作为示波器和行波管等的电子束 聚焦磁体。铁氧体器件在微波，电子计算机技术应用中占有重要的地位，仅次于半导 体器件。一些材料的磁滞回线接近于矩形，我们把与这有关的性质称为矩磁性。许多 自动控制设备中的无触点继电器和放大器，固体电视屏的控制器等，都广泛采用了矩 磁铁氧体材料。压磁性是指用某些铁氧体具有较高的磁致伸缩系数，在外加磁场中发 孙建荣兰州人学博i ：学位论文 第一章概述 生长度的改变，因而在交变场中产生机械振动。压磁效应研究的尖端发展在目前是超 声波和介质内磁矩激发态之间的磁声耦合的研究。 铁氧体按其晶格类型可分为三种：尖晶石型铁氧体、石榴石型铁氧体和磁铅石型 铁氧体；就其使用频率分类又可分为音频、中频、高频、超高频等铁氧体；从应用角 度分类大致上又可以分为：( 1 ) 高磁导率材料“ 1 0 4 ；( 2 ) 低损耗高稳定性材料，高 加氲脚( d ，2 赫加小p 2 学扣( 3 ) 献煳绷槲 在磁通密度变化幅度很大的情况下q 值很高，在偏置场作用下麒变化很大；( 4 ) 高饱 和磁感应强度低功率材料；( 5 ) 甚高频六角铁氧体。 1 3 2 铁氧体( 亚铁磁性) 的磁性特征 铁氧体材料具有很多独特的性质。在基本磁性方面，铁氧体与金属磁性材料之间 的差别的一个主要表现是铁氧体的饱和磁化强度低，因此单位体积中储存的磁能也较 低，使它难于在需要高磁能密度的情形下运用；其次铁氧体的居里点一般也较低，尤 其是工业上广泛运用的加z n 的软磁铁氧体和用a l 或c r 替代f e 的微波铁氧体，居里 点更低，这使在高温、高功率器件中的运用受到限制；在静态磁性方面，由于铁氧体 的磁化强度低，在高矫顽力的永磁铁氧体中就必须仔细区别使磁感应强度b 为零的矫 顽力。乒配和使磁化强度m 为零的矫顽力。王同样由于铁氧体的磁化强度低，较容易 满足矩形比商的条件；在动态磁性方面，出于铁氧体的电阻率远较会属高，在交变磁 场中的涡流损耗和趋肤效应都非常小，不必像金属磁性材料那样必须轧成薄片或制成 细粉再加以绝缘，这样不但简化了材料的工艺过程，而且也提高了材料的填集因数和 均匀性，更为重要的是提高了材料使用的频率上限和改善了频率响应特性；在微波领 域，电磁波能通过电阻极高的铁氧体，使其成为这一波段中有实际意义的磁性介质 【1 0 】。 尖晶石型m n - z n 铁氧体具有良好磁学性质，它的纳米粉体材料与块体材料微观 上f e 原子在a 、b 位的分布有着明显不同，宏观磁性上在矫顽力上有明显的差别， 并且由于其具有高阻抗，高频电磁波可以穿透m n - z n 铁氧体，使其在微波应用上也 4 孙建荣 兰州大学博 学位论文 第一章概述 有广泛的前景【1 1 - 1 5 1 。 1 4 纳米薄膜的制备方法 薄膜制备方法大致分为物理方法和化学方法两种，随着科技的不断发展，在两种 大的类别基础上又衍生出许多新的、具体的制备技术，如图1 1 所示。 。备e * 辔 f l t i 激光沉秘 镀 学锻 相外遣 漉溅射 频溅射 应溅射 予柬溉射 f4 ：驻射 学气棚沉积 图1 1 薄膜的制备方法( 取自文献【1 6 ) 1 5 尖晶石型锰锌铁氧体薄膜的研究背景及意义 1 5 1 锰锌铁氧体材料介绍 转喷涂 液膜法 热浒液法 锰锌系列软磁铁氧体主要是具有尖晶石结构的m m n f e 2 0 4 n z n f e 2 0 4 与少量 f e 3 0 4 组成的单相固溶体，用锰锌系列铁氧体磁性材料做成的电感磁芯及磁性器件， 应用频率从数百赫兹到数吉赫兹，是最重要的软磁铁氧体材料，其产量占了软磁铁氧 体磁性材料总产量的6 0 以t ，因此，锰锌铁氧体的发展更为引人注意。 软磁材料除了要求高磁导率外，更重要的是要求其具有低损耗和高稳定性。通过 孙建荣兰州大学博士学位论文 第一章概述 工艺改进，m n z n 超优铁氧体粉末大量的被制备出。如t d k 公司的p c 5 0 、p c 4 x 系 列、西门子公司的n 4 7 、n 4 9 、n 5 9 材料及t o k i n 公司的b 4 0 材料。 锰锌铁氧体材料主要分为高频低功耗铁氧体( 又称功率铁氧体) 和高磁导率即商 m 铁氧体两类。 ( 1 ) 功率铁氧体 功率铁氧体的主要特征是在高频( 几百千赫) 和高磁感应( 几千高斯) 的条件下， 仍旧保持很低的功耗，而且其功耗随磁芯的温度升高而下降，在8 0 左右达到最低 点，从而可以形成良性循环。功率铁氧体的主要用途是以各种开关电源变压器和彩电 回扫变压器为代表的功率型电感器件，用途十分广泛，是目前产量最大的软磁铁氧体。 目前，第四代功率铁氧体已开发成功，向着高频、低耗方向发展，其功耗大大降低， 使用频率一般可达5 0 0 1 0 0 0k h z ，可望满足显示器用回扫变压器等器件向小型化、 高频化和低损耗发展的要求，是今后功率软磁铁氧体的发展方向。 ( 2 ) 高磁导率铁氧体 磁导率是衡量软磁铁氖体材料性能的主要基本参数之一，通常将初始磁导率( 肌) 大于5 0 0 0 的m n z n 铁氧体材科称为高磁导率铁氧体，高磁导率铁氧体的主要特性是 磁导率特别高，一般均达到1 0 0 0 0 以上，从而可使磁芯体积缩小很多，适应元器件向 小型化、轻量化方向发展的需要。另外为了满足使用要求，这类高磁导率小磁芯的表 面质量必须很好，平滑圆整，没有毛刺，而且在其表面上必须涂覆一层均匀、致密、 绝缘、美观的有机涂层，这是一个技术难点。高磁导率铁氧体在电子工业和电子技术 中是一种急需和应用广泛的功能材料，可以做通讯设备、测控仪器、家用电器及新型 节能灯具中的宽频带变压器、微型低频变压器、小型环行脉冲变压器和微型电感元件 等更新换代的电子产品。真正意义上的高u ，软磁铁氧体材料，其胁值应在1 0 0 0 0 以上， 这样才能满足通讯、计算机等i t 产业和电子整机对各种器件超小型化、微型化的需 求。 锰锌铁氧体的用途十分广泛，它被广泛用在偏转线圈、开关元件、变压器、抗电 磁干扰器件、电感器及扼流圈等方面。 1 5 2 锰锌铁氧体薄膜的研究背景及意义 6 孙螳荣兰州人学博卜t - 化论义 第一章槲述 锰锌铁氧体属于一种典型的软磁铁氧体，在低频下具有高电感的特性，因此一直 以来在低频下得到了广泛的应用。对块体锰锌铁氧体，其磁导率在低频( 1 0 1 - 1 0 h z ) 下具有很高的数值( 1 0 4 ) ，在1 0 5h z 以上时其磁导率迅速下降，但仍具有较高数值 ( 1 0 3 ) ，在1 0m h z 以内仍有较优异的性能。随着铁氧体颗粒的减小，以及迸一步做成 薄膜材料，在其磁导率值下降不明显的情况下，突破了斯诺克极限，其截止频率大幅 升高，极大地扩展了锰锌铁氧体的应用范围，应用频率可以从几百赫兹延伸到数吉赫 兹。其高频性能相当优越且阻抗匹配，因此在隐身材料，特别是雷达波的吸收方面具 有实用价值。 未来的电子元器件进一步朝着小型化、集成化方向发展，部分器件将由三维的体 材料向二维的薄膜材料方向发展：微波及毫米波器件、可调滤波器、限幅器等器件使 用了单晶外延薄膜；高密度、大容餐的薄膜磁已录介质、薄膜，型磁头、磁传感器及溥 膜电感器等都需要膜厚均匀且具有合适电、磁性能的薄膜。作为最重要的磁性元器件 之一的电感，它不仅在滤波电路、扼流圈、天线中必不可少，也是构成变压器的基本 组成单元，其片式化、薄膜化将带动磁性元件向小型化发展，故其片式化、薄膜化势 在必行。此外，生物磁学在生物医学工程的发展中起着重要的作用，为寻找与其生物 体相适应的、化学稳定性较好的磁性物质作为各种载体或药物、探测试剂等，都需要 膜厚均匀，无缺陷，具有合适电磁性能的铁氧体薄膜。 铁氧体薄膜以其优异的高频电磁特性，良好的机械耐磨性和稳定的化学性能而成 为颇具应用价值的材料引起人们的极大关注。锰锌系软磁铁氧体薄膜材料的探索和研 究刚刚起步，处于实验阶段。目前薄膜的磁性能与块体相比，远远不如块体材料，所 以对锰锌系软磁铁氧体薄膜材料的研究任重而道远。 7 孙建荣兰州大学博士学位论文第一章概述 参考文献： 【1 】j a c o w e n ，b a r r ys t o l z m a n ，r s a v e r b a c ka n dh h a n ，j a p p l p h y s6 13 31 7 ( 1 9 8 7 ) 1 2 】张立德，牟季荚，纳米材料和纳米结构，科学出版社( 2 0 0 1 ) 3 】材料新星一纳米材料科学严东生，冯端，湖南科学技术出版社，( 1 9 9 6 ) 4 】张立德、牟季美；纳米材料学，辽宁科学出版社，( 1 9 9 4 ) 5 】朱屯，王福明，王习东，国外纳米材料技术的进展与应用，化学工业出版社，2 0 0 2 6 6 黄德欢，纳米技术与应用，中国纺织大学出版社，2 0 0 1 【7 】李杰等，纳米武器( 未来武器丛书) ，解放军出版社，2 0 0 1 8 】薄膜物理薛增泉吴全德李浩编著电子工业出版社( 1 9 9 1 ) 9 】磁性物理学宛德福马兴隆编著电子科技大学出版社，1 9 9 4 【1 0 】铁氧体物理学李荫远，李国栋，科学出版社 【1 l 】s f m o u s t a f a , m b m o r s i ，m a t e r i a l sl e t t e r s3 4 ，2 4 1 - 2 4 7 ( 1 9 9 8 ) 1 2 v s e p e a k ，d ，b a a b e ，d ，m i e n e r t ，ej ，l i t t e r s t ，k d ，b e c k e t , s c r i p mm a t e r i a l i a4 8 ， 9 6 1 9 6 6 ( 2 0 0 3 ) 1 1 3 】 l ：g i a n n a k o p o u l o u ，l k o m o p o t i a t i s ，a