研究了后退火處理對磁控濺射法制備NiZnCo鐵氧體磁性薄膜的成分、組織及性能影響。用EPMA、XRD和AFM分別表征后退火處理前后薄膜的成分、物相和微觀結(jié)構(gòu),用VSM測試后退火處理前后的薄膜磁性能。結(jié)果表明經(jīng)后退火處理后,薄膜中氧含量增加,結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定,薄膜由非晶態(tài)徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榫�態(tài);晶粒尺寸細小,排列均勻致密;磁滯回線更為狹長,飽和磁化強度明顯增大。

　　隨著人類對電子產(chǎn)品的要求越來越高，電子元器件向小型化、輕量化和高性能化方向發(fā)展趨勢越來越明顯，鐵氧體薄膜材料成為電子元器件材料研究的新熱點。鐵氧體薄膜具備良好的軟磁性能而越來越受大家的關注。本文通過對磁控濺射法制備的NiZnCo 鐵氧體磁性薄膜進行后退火處理，研究了后退火處理對薄膜成分、物相、微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響。

1、實驗材料與方法

　　選擇用自制的純度為99.5%的鐵氧體作為濺射靶材，在JGP600 型高真空多功能磁控濺射儀中沉積薄膜，濺射氣氛為高純Ar 氣。后退火處理溫度為800℃，保溫時間為2 h，將濺射制備得到的薄膜試樣平放在剛玉片上，待后處理爐中的溫度達到設定溫度后放入爐中。通過電子探針分析儀(簡稱電子探針EPMA)來分析后退火熱處理前后的薄膜成分變化，借助X 射線衍射分析儀(XRD)來分析后退火熱處理前后的薄膜物相。通過原子力顯微鏡(DI Nanoscope III 型)(AFM)來觀察后退火熱處理前后的薄膜微觀組織變化^[2]。采用美國生產(chǎn)的Lakeshore 735 型振動樣品磁強計(VSM)來測定后退火熱處理前后的鐵氧體復合薄膜磁性能。

　　磁控濺射法沉積在硅晶基體上的NiZnCoFe2O4/SiO2復合薄膜均為非晶態(tài)，經(jīng)后退火處理后，該薄膜徹底轉(zhuǎn)化為晶態(tài),氧元素含量增加,薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;晶粒尺寸細小，排列均勻致密,軟磁性得到改善, 飽和磁化強度明顯增大。

2、實驗結(jié)果與分析

2.1、后退火處理對薄膜的化學組成影響

　　圖1 為經(jīng)后退火處理前后的鐵氧體薄膜電子探針成分分析。圖中可以看到薄膜的基本組成元素Fe、Ni、Zn、Co、Si、O 均存在，也沒有出現(xiàn)新的元素。但后退火處理前后的薄膜組成元素成份相對含量略有變化。同樣由于薄膜很薄，電子探針可能測試到了基體中的硅元素，因此在表1、表2 中只列出O、Fe、Ni、Zn、Co 的相對含量。由表1、表2 可知，薄膜中的氧元素含量明顯增大，其他鐵、鈷、鎳、鋅元素相對含量則整體下降。

(a) 后退火熱處理前;(b) 后退火熱處理后

圖1 硅晶基片上后退火處理前后鐵氧體薄膜的電子探針成份分析

表1 硅晶基片上薄膜后退火處理前的成份質(zhì)量含量(濺射功率，150W)

表2 硅晶基片上薄膜后退火處理后的成份質(zhì)量含量(濺射功率，150W)

　　分析其原因可能在于：在濺射過程中，濺射氣氛為單一的氬氣氣氛，但是由入射離子轟擊靶材表面后，氧原子掙脫了靶材表面的束縛，進入到濺射空間中與入射離子碰撞，交換能量，成為自由原子。但在薄膜沉積過程中，由于為了維持濺射腔內(nèi)的氣壓，濺射氣體不停地被抽離出濺射腔內(nèi)，因此氧原子也隨著濺射氣氛的抽離而損失掉一部分，濺射腔中的氧元素含量下降，因此制備得到的薄膜缺失部分氧;在后退火處理過程中，由于是處于大氣氣氛中，空氣中的氧元素能與薄膜中的金屬元素重新結(jié)合，氧原子重新進入到薄膜中去，在一定程度上彌補濺射過程的氧元素損失，使得薄膜的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，增強薄膜與基體的附著性能^[1]。

2.2、后退火處理前后濺射薄膜的物相分析

　　后退火處理前后鐵氧體薄膜的相組成主要采用XRD 衍射儀進行分析[3]。圖2 為后退火處理前后鐵氧體薄膜的XRD 衍射能譜圖。由圖2 可見，磁控濺射法濺射沉積在硅晶片的薄膜為非晶態(tài)，衍射峰很弱，背紋比較深，其衍射圖譜上沒有明顯的衍射峰(如圖2 中)。經(jīng)800℃保溫2 h 的后退火熱處理后，薄膜的衍射峰強度明顯增加，在35.4°左右(311)面上擇優(yōu)生長，與標準能譜比對后可以斷定為主晶相為尖晶石型的鎳鋅鈷鐵氧體薄膜，衍射峰較強，后退火處理幫助沉積得到的鐵氧體薄膜實現(xiàn)了由非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，且晶化完成地比較徹底;在20°～25°左右有一寬化衍射峰，與二氧化硅的衍射能譜相對比，可以斷定該處為二氧化硅的衍射寬化峰。因此，射頻磁控濺射制備的薄膜為NiCoZnFe2O4/SiO2鐵氧體復合薄膜^[4]。

圖2 后退火熱處理前后鐵氧體薄膜的XRD 衍射能譜

2.3、后退火處理對薄膜的微觀形貌的影響

(a) 后退火處理前(尺寸比例200nm);(b) 后退火處理后尺寸比例(50nm)

圖3 后退火處理前后鐵氧體薄膜的AFM微觀形貌

　　圖3 為射頻磁控濺射獲得的鐵氧體薄膜后退火處理前后的微觀形貌對比。圖3a 的尺寸比例為200 nm，圖3b 的尺寸比例為50 nm。對比圖3a 和b 可見，后退火處理后的薄膜晶粒尺寸更小，排列均勻致密。薄膜與基體結(jié)合緊密，沒有無層裂和剝落現(xiàn)象出現(xiàn)。分析其原因為經(jīng)后退火處理，濺射獲得的鐵氧體薄膜由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫�態(tài)，晶粒數(shù)大大增加，且薄膜中由于濺射沉積快速結(jié)晶所引起內(nèi)應力也得到釋放和消除，從而改善了薄膜表面形貌。由于磁控濺射的工藝恰當，即使經(jīng)過后退火處理，薄膜和基體材料仍然保持了良好的結(jié)合狀態(tài)，沒有出現(xiàn)層裂和脫落的現(xiàn)象，這將有助于薄膜材料在較高溫度條件下使用^[5]。

2.4、后退火處理對薄膜磁性能的影響

圖4 后退火處理前后薄膜的磁滯回線

　　圖4 為硅晶基片上沉積NiCoZnFe2O4/SiO2 鐵氧體復合薄膜后退火處理前后的磁滯回線。由圖4 可見，后退火處理后的磁滯回線更為狹長，飽和磁化強度明顯增大。這意味著后退火熱處理后薄膜的軟磁性能得到改善。其主要原因在于：(1)薄膜的磁性能對其化學成份很敏感。在濺射過程中，靶材中激發(fā)出來的氧離子可能部分缺失，導致薄膜的成分略有偏差，而在后退火處理中，薄膜得到一定的氧化，氧成分的相對含量增加,使得薄膜成分趨于正分，這樣薄膜的飽和磁化強度得到提高;(2)晶粒度對薄膜的磁性能有影響。后退火處理后薄膜由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫�態(tài)，晶粒尺寸更為細小，排列整齊密實，分布均勻，因此有助于提高薄膜的飽和磁化強度;(3)在沉積過程中，薄膜與基體之間存在一定的內(nèi)應力。經(jīng)后退火處理后，晶粒細化，降低薄膜的內(nèi)應力，從而對飽和磁化強度的提高也有幫助^[6]。

3、結(jié)論

　　磁控濺射法沉積在硅晶基體上的NiZnCoFe2O4/SiO2復合薄膜均為非晶態(tài)，經(jīng)后退火處理后，該薄膜徹底轉(zhuǎn)化為晶態(tài),氧元素含量增加,薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;晶粒尺寸細小，排列均勻致密,軟磁性得到改善, 飽和磁化強度明顯增大。

參考文獻

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