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摘要： NiMnGa磁性形状记忆合金薄膜是非常有用的多功能材料，为考察其光学反射特性，采用磁控溅射技术在单晶硅衬底上沉积了Ni56Mn27Ga17合金薄膜，并对其表面形貌和光学反射特性进行研究。研究结果表明，薄膜的表面粗糙度随退火温度的升高而增大；在300～800 nm波长范围内，薄膜反射率均随波长的减小而降低，且薄膜整体谱线范围内的反射率随退火温度的升高而降低。
关键词： NiMnGa合金； 薄膜； 磁控溅射； 光存储
引言Heusler型Ni2MnGa磁驱动形状记忆合金是一种新型形状记忆材料，与传统热场驱动形状记忆合金不同，该类型合金在外加磁场的驱动下马氏体孪晶变体可发生重新排列，而在高磁场作用下诱发马氏体相变，可产生高达10%的磁致应变，从而引起了科研工作者的广泛关注[12]。近年来，随着微机电系统的迅猛发展，NiMnGa磁驱动记忆合金的应用领域不断拓宽，NiMnGa合金薄膜的研究逐渐受到研究人员的重视。目前，国际上已对NiMnGa合金薄膜的制备工艺[36]、马氏体相变行为与微观结构[79]、力学性能以及磁学性能[1012]进行了较系统的研究，但有关薄膜光学反射特性的研究尚未见报道。依据磁光存储的工作原理，利用NiMnGa合金薄膜在磁场作用下可发生相结构转变的性质，采用脉冲磁场驱动薄膜纳米微区发生母相到马氏体相的转变，利用二者之间的不同光学反射率进行信息的写入和读出，可实现光磁混合存储功能。因此，研究NiMnGa合金薄膜的光学反射特性及其影响因素，对于薄膜的光磁混合存储应用具有重要的现实意义，本文采用射频磁控溅射技术在硅单晶衬底上沉积了NiMnGa合金薄膜，着重考察其光学反射性能，阐明其物理机制。1NiMnGa合金薄膜的制备利用沈阳科学仪器有限公司的EB500型超高真空磁控溅射镀膜仪沉积NiMnGa薄膜，靶材成分为Ni54Mn25Ga21（at%），其直径为60 mm、厚度为2 mm，衬底为（100）取向的单晶硅片。溅射条件如下：背底压强低于2.5×10-4Pa，高纯氩气（体积浓度为99.999%）工作压强为0.4Pa，，溅射功率为350 W，靶基间距为75 mm，溅射时间30 min，沉积薄膜过程中沉积温度保持在300 K。薄膜制备后将薄膜封入石英管中，使真空度达到3×10-3 Pa，然后进行不同温度下退火处理，以使薄膜完全晶化。采用X射线电子散射谱测定薄膜的化学成分为Ni56Mn27Ga17薄膜，利用Digital Instruments 公司的 Nanoscopella型原子力显微镜（AFM）观察该薄膜的表面形貌，采用美国PerkinElmer公司的Lamda 900及Lamda 950型分光光度计测定该薄膜的反射率曲线，光源波长包括紫外/可见/近红外波段，测试波长范围为200～800 nm，扫描速度750 nm/min，试样尺寸为10 mm×10 mm。光学仪器第35卷
第3期周围，等：磁控溅射Ni56Mn27Ga17合金薄膜的光学反射特性研究
2实验结果分析图1所示分别为经873 K、973 K和1 023 K退火1 h的Ni56Mn27Ga17合金薄膜的原子力显微镜三维形貌像。由图可见，该薄膜表面由凹凸不平、尺寸不均一的“岛状”团簇颗粒组成，且颗粒尺寸随退火温度的升高而增大。这些团簇状的颗粒是由许多单晶颗粒堆积构成，并且单晶颗粒之间无明显的取向关系。各不同退火条件的薄膜表面均方根粗糙度随退火温度的变化如图2所示。从图中可以清楚地看出，当退火时间均为1 h，薄膜表面均方根粗糙度随退火温度的升高而增大，当退火温度为1 023 K时，表面均方根粗糙度超过20 nm，表面平整度显著降低。这主要是因为高温环境有利构成团簇颗粒的各个晶粒生长，导致粗糙度增大。
3结论本文采用磁控溅射方法制备了Ni56Mn27Ga17合金薄膜，研究了退火温度对薄膜光学反射特性的影响及其变化规律，获得主要结论如下：（1）薄膜表面是由凹凸不平、尺寸不均一的团簇颗粒组成，随退火温度的升高颗粒尺寸逐渐增大；（2）在相同的退火时间（1 h）下，薄膜表面均方根粗糙度随退火温度的升高而增大，当退火温度为1 023 K时，表面均方根粗糙度超过20 nm，表面平整度显著降低；（3）在300～800 nm波长范围内，各退火试样的反射率均随波长的增大而增大，且薄膜光学反射率随表面均方根粗糙度的增大而降低。
参考文献：
[1]MURRAY S J，MARIONI M，ALLEN S M，et al.6% magneticfieldinduced strain by twinboundary motion in ferromagnetic NiMnGa[J].Appl Phys Lett，2000，77（6）：886-888.
[2]SOZINOV S，LIKHACHEV A A，LANSKA N，et al.Giant magneticfieldinduced strain in NiMnGa sevenlayered martensitic phase[J].Appl Phys Lett，2002，80（10）：1746-1748.
关键词： NiMnGa合金； 薄膜； 磁控溅射； 光存储
引言Heusler型Ni2MnGa磁驱动形状记忆合金是一种新型形状记忆材料，与传统热场驱动形状记忆合金不同，该类型合金在外加磁场的驱动下马氏体孪晶变体可发生重新排列，而在高磁场作用下诱发马氏体相变，可产生高达10%的磁致应变，从而引起了科研工作者的广泛关注[12]。近年来，随着微机电系统的迅猛发展，NiMnGa磁驱动记忆合金的应用领域不断拓宽，NiMnGa合金薄膜的研究逐渐受到研究人员的重视。目前，国际上已对NiMnGa合金薄膜的制备工艺[36]、马氏体相变行为与微观结构[79]、力学性能以及磁学性能[1012]进行了较系统的研究，但有关薄膜光学反射特性的研究尚未见报道。依据磁光存储的工作原理，利用NiMnGa合金薄膜在磁场作用下可发生相结构转变的性质，采用脉冲磁场驱动薄膜纳米微区发生母相到马氏体相的转变，利用二者之间的不同光学反射率进行信息的写入和读出，可实现光磁混合存储功能。因此，研究NiMnGa合金薄膜的光学反射特性及其影响因素，对于薄膜的光磁混合存储应用具有重要的现实意义，本文采用射频磁控溅射技术在硅单晶衬底上沉积了NiMnGa合金薄膜，着重考察其光学反射性能，阐明其物理机制。1NiMnGa合金薄膜的制备利用沈阳科学仪器有限公司的EB500型超高真空磁控溅射镀膜仪沉积NiMnGa薄膜，靶材成分为Ni54Mn25Ga21（at%），其直径为60 mm、厚度为2 mm，衬底为（100）取向的单晶硅片。溅射条件如下：背底压强低于2.5×10-4Pa，高纯氩气（体积浓度为99.999%）工作压强为0.4Pa，，溅射功率为350 W，靶基间距为75 mm，溅射时间30 min，沉积薄膜过程中沉积温度保持在300 K。薄膜制备后将薄膜封入石英管中，使真空度达到3×10-3 Pa，然后进行不同温度下退火处理，以使薄膜完全晶化。采用X射线电子散射谱测定薄膜的化学成分为Ni56Mn27Ga17薄膜，利用Digital Instruments 公司的 Nanoscopella型原子力显微镜（AFM）观察该薄膜的表面形貌，采用美国PerkinElmer公司的Lamda 900及Lamda 950型分光光度计测定该薄膜的反射率曲线，光源波长包括紫外/可见/近红外波段，测试波长范围为200～800 nm，扫描速度750 nm/min，试样尺寸为10 mm×10 mm。光学仪器第35卷
第3期周围，等：磁控溅射Ni56Mn27Ga17合金薄膜的光学反射特性研究
2实验结果分析图1所示分别为经873 K、973 K和1 023 K退火1 h的Ni56Mn27Ga17合金薄膜的原子力显微镜三维形貌像。由图可见，该薄膜表面由凹凸不平、尺寸不均一的“岛状”团簇颗粒组成，且颗粒尺寸随退火温度的升高而增大。这些团簇状的颗粒是由许多单晶颗粒堆积构成，并且单晶颗粒之间无明显的取向关系。各不同退火条件的薄膜表面均方根粗糙度随退火温度的变化如图2所示。从图中可以清楚地看出，当退火时间均为1 h，薄膜表面均方根粗糙度随退火温度的升高而增大，当退火温度为1 023 K时，表面均方根粗糙度超过20 nm，表面平整度显著降低。这主要是因为高温环境有利构成团簇颗粒的各个晶粒生长，导致粗糙度增大。
3结论本文采用磁控溅射方法制备了Ni56Mn27Ga17合金薄膜，研究了退火温度对薄膜光学反射特性的影响及其变化规律，获得主要结论如下：（1）薄膜表面是由凹凸不平、尺寸不均一的团簇颗粒组成，随退火温度的升高颗粒尺寸逐渐增大；（2）在相同的退火时间（1 h）下，薄膜表面均方根粗糙度随退火温度的升高而增大，当退火温度为1 023 K时，表面均方根粗糙度超过20 nm，表面平整度显著降低；（3）在300～800 nm波长范围内，各退火试样的反射率均随波长的增大而增大，且薄膜光学反射率随表面均方根粗糙度的增大而降低。
参考文献：
[1]MURRAY S J，MARIONI M，ALLEN S M，et al.6% magneticfieldinduced strain by twinboundary motion in ferromagnetic NiMnGa[J].Appl Phys Lett，2000，77（6）：886-888.
[2]SOZINOV S，LIKHACHEV A A，LANSKA N，et al.Giant magneticfieldinduced strain in NiMnGa sevenlayered martensitic phase[J].Appl Phys Lett，2002，80（10）：1746-1748.