Fe-Ga-(X)磁伸薄膜IBSD法制备及性能调控研究

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本文采用离子束溅射沉积(IBSD)法,在铍青铜衬底上分别制备了 Fe-Ga-Tb MF(magnetostrictive film)和 Fe-Ga MF。对不同磁场环境下制备的 Fe-Ga-Tb MF和Fe-GaMF进行了 300℃真空退火处理。借助SEM、AFM、能谱仪、XRD衍射仪、纳米压痕仪分别对薄膜样品的表面形貌、三维形貌、成分以及杨氏模量进行了测试与分析;通过磁力显微镜、静态磁伸特性测试系统、亥姆霍兹动态幅-频特性测试系统、多功能振动样品磁强计分别对薄膜样品的磁畴结构、静态磁伸性能、动态振动幅-频特性以及软磁性能进行了测试与研究。研究结果表明:实验制备的薄膜样品表面光滑平整、高低起伏小,最大高度差只有22.5nm,组织结构均匀致密、无明显缺陷;薄膜样品均为晶态结构;Fe-Ga-Tb MF与Fe-Ga MF 的成分分别为 Fe84.3-86.8Ga13.2-15.7Tb0-1 和 Fe86.1-87.2Ga12.8-13.9;Fe-Ga-Tb MF 与Fe-GaMF的杨氏模量分别为184.8GPa,为177.8GPa。无磁制备态的薄膜内存在较大的垂直于膜面的磁各向异性。稳恒磁场环境下制备的薄膜与稳恒磁场下制备且经真空退火处理后的薄膜,具有较小的垂直磁各向异性,磁畴分布均以膜面内为主。成膜时施加稳恒磁场使薄膜易磁化轴平行于外加磁场方向,提升薄膜的饱和磁化强度Ms和剩余磁化强度Mr,并有效减小薄膜面内(沿X轴方向、Y轴方向)矫顽力,提升薄膜的软磁性能。同时薄膜具有更大的饱和磁伸系数和更佳的低场磁敏性,饱和磁伸系数随着外加磁场的增大而增大,共振幅值也由于成膜时引入外加磁场而增大,薄膜的静态磁伸性能与动态振动幅-频特性均得到改善。不同稳恒磁场大小环境下制备的Fe-Ga-(X)MF经真空退火处理后,薄膜样品面内(沿着X轴、Y轴方向)的饱和磁化强度虽然略有降低,但是其面内矫顽力明显减小,软磁性能得到了显著改善。经真空退火处理后的薄膜样品,虽然其饱和磁致伸缩系数略有降低,但其低场磁敏性和共振幅值均得到了明显提高,具有较好的低场磁伸性能和动态振动幅-频特性。输入电流3A的环境下制备且经真空退火的Fe-Ga-Tb MF,在膜面X方向和Y方向都具有较高的饱和磁化强度,矫顽力在X方向和Y方向都较小,具有较好的软磁性能。通过此种工艺制备的Fe-Ga-Tb MF在保持较佳低场磁敏性的同时还具有较高的饱和磁伸系数以及共振幅值,表现出较好的综合磁致伸缩性能。
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