M型钡铁氧体薄膜显微结构与性能的关系研究

发布时间：2019-01-18 14:51

【摘要】：随着微波技术的发展,下一代微波器件,如环行器、隔离器、移相器和滤波器等,要求应用于其中的铁氧体材料具有片式、非互易、自偏置、低损耗等特点。而磁铅石型(M型)钡铁氧体(BaFe12O19,BaM)薄膜由于具有较高的饱和磁化强度、强的单轴磁晶各向异性场、高电阻率和介电常数、良好的化学稳定性和机械强度等特点,被认为是下一代微波铁氧体器件中最具应用潜力的材料。因此,研究并制备出具有强单轴磁晶各向异性场、高饱和磁化强度、高剩磁比和低铁磁共振线宽的BaM铁氧体薄膜是目前的热点之一。本论文基于射频磁控溅射法制备BaM铁氧体薄膜,从实验入手对BaM铁氧体薄膜的制备工艺、显微结构、磁性能以及薄膜的残余应力做了详细研究和讨论,并在此基础上制备出了具有强单轴磁晶各向异性场、高饱和磁化强度、高剩磁比和低铁磁共振线宽的BaM铁氧体薄膜。主要的研究内容及结果如下:1、采用射频磁控溅射法,在Si(100)基片上直接溅射沉积BaM铁氧体薄膜,探索了制备c轴垂直膜面取向的BaM铁氧体薄膜的优化工艺参数,结果表明:适宜的溅射功率、溅射气压和基片温度可以使溅射粒子获得足够的能量在基底表面进行迁移,并运动到合适的位置形成稳定的结构,而过高或过低的溅射功率、溅射气压和基片温度会导致薄膜内部缺陷增多,生成的晶粒大小不均匀,薄膜的平整度和c轴垂直膜面取向下降;溅射过程中通入适量的氧气,会影响薄膜中Fe元素的离子价态和氧空位的数量,进而影响薄膜的显微结构和磁性能。当采用如下优化的工艺参数:溅射功率为140 W,溅射气压为1.4 Pa,氧分压为1%,基底温度为300℃,并在空气中于800℃退火2 h,所沉积制备出的BaM铁氧体薄膜具有较好的显微结构和c轴垂直膜面取向。2、研究了不同类型的基片和缓冲层对BaM铁氧体薄膜的显微结构和性能的影响,结果表明:不同于Si(100)基片,选用热氧化SiO2/Si(100)或单晶Al2O3(001)基片作为基底能够有效阻止基片与BaM铁氧体薄膜之间的原子扩散,进而改善薄膜的显微结构和磁性能;通过在薄膜与基片之间引入一层20 nm左右的AlN(001)或BaM薄层作为缓冲层,可以使薄膜中c轴垂直膜面取向的片状晶粒增加,进而显著提高薄膜的c轴垂直膜面取向。3、采用拉曼光谱分析仪和XRD分析了在不同基片和缓冲层上沉积制备的BaM铁氧体薄膜,结果表明:通过在薄膜与基片之间引入一层20 nm左右的BaM薄层作为自缓冲层,所制备得到的BaM/BaM(20 nm)/Al2O3(001)和BaM/BaM(20 nm)/SiO2/Si(100)薄膜的拉曼光谱中并未出现E1g散射峰,表明薄膜均为高度c轴垂直膜面取向;对比经过800℃退火和未经退火的BaM/BaM(20 nm)/Al2O3(001)薄膜的拉曼光谱,证实了未经退火的BaM/BaM(20 nm)/Al2O3(001)薄膜并非完全处于非晶无序状态,而是存在一些短程有序的微晶。这些短程有序的微晶尺寸大小为10~40 nm,它们的取向决定了在后续的退火过程中所生成晶粒的晶体结构和c轴取向。4、研究了不同厚度BaM铁氧体薄膜的显微结构和磁性能,并对不同厚度BaM铁氧体薄膜中的残余应力进行了计算和形成机制分析,结果表明:当薄膜厚度≤150nm时,薄膜中的残余应力以外延压应力为主,表现为压应力,此时“基底效应”较强,在界面处易诱生出与基底相同取向的晶粒,因此薄膜中的晶粒沿c轴垂直膜面取向生长,薄膜具有高度的c轴垂直膜面取向和良好的外延织构;随着薄膜厚度的增加,薄膜中产生的缺陷、位错、氧空位等数量增多,外延应力逐渐得到释放减小,而本征应力则逐渐增大,薄膜中生成的c轴随机取向晶粒逐渐增多;当薄膜厚度≥200 nm时,薄膜中的残余应力以本征应力为主,表现为张应力,生成的c轴随机取向的晶粒进一步增多,导致薄膜的c轴垂直膜面取向降低,磁性能变差。5、采用分层溅射和先退火工艺在Al2O3(001)基片上制备出(BaM/BaM)n(n=1~7)多层薄膜,研究了多层薄膜的显微结构和磁性能之间的关系。XRD和FESEM分析表明多层膜中绝大多数的晶粒为均匀的片状晶粒,且具有高度的c轴垂直膜面取向。通过对(BaM/BaM)n(n=1~7)多层膜的静态磁性能和微波性能进行测试,结果表明:多层薄膜的饱和磁化强度(Ms)为320~345 k A/m,剩磁比(Mr/Ms)为0.81~0.92,在55~67 GHz范围内的铁磁共振线宽(△H)为1.51~3.50 kA/m(或19~44 Oe)。其中,当n=1时,得到的BaM薄膜在67 GHz时铁磁共振线宽有最小值,仅为1.51 kA/m;当n=7时,得到的(BaM/BaM)n多层膜厚度可达1050 nm左右,且具有较高的饱和磁化强度(Ms=335 kA/m)和剩磁比(Mr/Ms=0.81),在67 GHz时铁磁共振线宽为2.08 kA/m。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 吴国光;;聚酯及其薄膜研发应用新进展[J];信息记录材料;2011年06期

2 赖高惠;薄膜与涂层[J];材料保护;2001年08期

3 李竹影;章铭亮;罗珊;;掺镍氧化钨钼薄膜的阻抗特性[J];海军工程大学学报;2009年02期

4 李立;权建洲;陶波;;膜电极薄膜层合同步补偿控制方法研究[J];组合机床与自动化加工技术;2012年03期

5 崔凤辉,M.A.Chesters;钾薄膜中俄歇电子的非弹性平均自由程[J];分析试验室;1991年01期

6 李玉庆;耐热高聚物热解石墨薄膜的研制[J];碳素;1990年02期

7 Т.Н.ШУШНОВА,王建荣;带薄膜层的合纤丝织物连接强力的预测[J];国外纺织技术;1999年02期

8 姜莉;刘奎仁;简小琴;王恩德;;光催化抗菌薄膜的制备与性能研究[J];分析仪器;2007年03期

9 张伟;吴耀根;段富华;廖凯明;;功能化薄膜发展战略[J];塑料制造;2013年06期

10 周红;余森江;张永炬;蔡萍根;;楔形铁薄膜的制备及内应力释放模式研究[J];稀有金属材料与工程;2012年S2期

相关会议论文 前10条

1 张俊平;张理;陈萍;;菁染料薄膜溶剂效应的研究[A];中国感光学会第六次全国感光（影像）科学大会暨第五届青年学术交流会论文摘要集[C];2001年

2 申玉双;伊赞荃;王红;;溶胶-水热法制备纳米氧化镁薄膜的研究[A];第十三届全国电子显微学会议论文集[C];2004年

3 龙素群;辉永庆;钟志京;;TiO_2薄膜的制备及甲醛的光催化降解[A];中国工程物理研究院科技年报（2005）[C];2005年

4 杨杰;时新红;赵丽滨;;Al-Mylar层合薄膜力学性能试验测试[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年

5 黄文裕;;用快原子轰击质谱法研究Si_3N_4-GaAs薄膜的深度分布[A];中国电子学会生产技术学会理化分析四届年会论文集下册[C];1991年

6 张东波;魏悦广;;薄膜/基体的热失配致界面层裂研究[A];损伤、断裂与微纳米力学进展：损伤、断裂与微纳米力学研讨会论文集[C];2009年

7 张化福;刘汉法;祁康成;;p-SiTFT栅绝缘层用SiN薄膜的制备与研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（1）[C];2007年

8 张素英;范滨;程实平;凌洁华;周诗瑶;王葛亚;施天生;鲍显琴;;用(XRD)和(TEM)研究碲化物薄膜附着牢固度与其显微结构的关系[A];'99十一省（市）光学学术会议论文集[C];1999年

9 郝俊杰;李龙土;徐廷献;;基片种类及梯度烧成对PZT薄膜表面形貌的影响[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年

10 吴传贵;刘兴钊;张万里;李言荣;;非制冷红外探测器用BST薄膜的制备与性能研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年

相关重要报纸文章 前2条

1 ;非PVC医用输液袋共挤薄膜的生产[N];中国包装报;2005年

2 山东 李永强;蚬华C138TA微波炉的信号薄膜排线故障处理[N];电子报;2009年

相关博士学位论文 前10条

1 卢双赞;氧化亚铁薄膜及其吸附的酞菁氧钛分子的STM研究[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2015年

2 苏玲;碱木质素-PVA基交联薄膜的制备与性能研究[D];东北林业大学;2015年

3 黄立静;金属复合双层/多层透明导电薄膜的制备及其光电性能研究[D];江苏大学;2015年

4 张润兰;多铁性YMnO_3、YFeO_3的结构及磁电性能研究[D];西北工业大学;2015年

5 单麟婷;基于溶胶凝胶法制备SnO_2薄膜光电特性研究[D];东北大学;2014年

6 洪敦华;双钙钛矿LaBaCo_2O_(5+δ)薄膜的制备及其氧敏性质研究[D];电子科技大学;2014年

7 武全萍;纳米α-Fe_2O_3薄膜可控制备与光解水制氢研究[D];天津大学;2015年

8 云宇;Bi_6Fe_(2-x)Co_xTi_3O_(18)外延单晶薄膜的生长和分析表征[D];中国科学技术大学;2016年

9 李妍;二维微纳结构的转移及初步应用[D];东北大学;2015年

10 许志勇;M型钡铁氧体薄膜显微结构与性能的关系研究[D];电子科技大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 张洪瑞;La_(1-x)Sr_xCoO_3外延薄膜反常磁性研究[D];河北大学;2015年

2 刘侃;α-Fe_2O_3薄膜的表面修饰及其光电催化性能研究[D];天津理工大学;2015年

3 李晓婷;入射光和结构色耦合效应对彩色Ti0_2薄膜上客体分子的光富集作用[D];上海师范大学;2015年

4 刘文龙;Bi_(1-x)RE_xFe_(1-y)TM_yO_3/NiFe_2O_4（RE=Sm,Sr;TM=Cr,Mn）薄膜的制备及多铁性研究[D];陕西科技大学;2015年

5 吴晓平;基于层层自组装法制备CNT薄膜及其压阻传感性能研究[D];青岛理工大学;2015年

6 史志天;化学气相沉积法制备二硫化钼薄膜及电学性能表征[D];北京有色金属研究总院;2015年

7 温占伟;基于CuPc的有机二极管与场效应管薄膜封装技术研究[D];兰州大学;2015年

8 何维;完全醇解型PVA包装薄膜的耐水性研究[D];湖南工业大学;2015年

9 陈德方;PET基透明柔性LaB_6薄膜的制备及其光学性能研究[D];山东大学;2015年

10 朱泯西;激光转移铜锡单IMC薄膜工艺及与铜锡薄膜界面行为[D];哈尔滨工业大学;2015年

，

本文编号：2410834