脉冲激光沉积多层铁石榴石磁光薄膜微观组织与性能研究

发布时间：2017-06-12 00:11

  本文关键词：脉冲激光沉积多层铁石榴石磁光薄膜微观组织与性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以YIG(Y3Fe5O12)、Ce:YIG(Ce0.6Y2.4Fe5O12)、Bi:YIG(Bi1Y2Fe5O12)为沉积对象,在Si基体上利用一步脉冲激光沉积加快速退火的方式制备了多层石榴石磁光薄膜。采用XRD、XPS、AFM、SEM和TEM等手段对不同工艺条件下薄膜的物相成分、表面形貌以及界面结构进行了表征,并对薄膜的室温磁性能、光透过性能以及法拉第旋光性能进行了研究。获得了不同工艺条件下薄膜组织与性能的变化规律。研究结果表明,在室温或650oC下沉积的Ce:YIG/YIG/Si薄膜(其膜厚比为2:1)经800oC×5min的快速退火后,均能获得单一石榴石相结构的多晶薄膜,其表面质量良好,20μm×20μm范围内的表面粗糙度小于1nm,室温饱和磁化强度Ms在135emu/cm3左右,矫顽力Hc为20Oe左右。薄膜的沉积次序为YIG/Ce:YIG/Si时,薄膜获得相似的表面形貌、物相结构以及磁性能。XRD分析结果表明,在650oC下沉积不同膜厚比的Ce:YIG/YIG/Si薄膜,经800oC×5min的快速退火后,当膜厚比不超过4:1时,薄膜能获得完全晶化的单一石榴石相薄膜;当膜厚比超过6:1时,薄膜不能完全晶化,导致薄膜的饱和磁化强度下降,膜厚比越大,薄膜的Ms越小。通过TEM组织观察表明,膜厚比为8:1的Ce:YIG/YIG/Si薄膜,其非晶并非均匀分布在薄膜的表面层,而是不均匀的分布于薄膜之中。在室温下沉积不同膜厚比的Bi:YIG/YIG/Si薄膜,经800oC×5min的快速退火后,具有低的表面粗糙度,但其表面均会出现“龟裂”现象。在650oC下沉积的Bi:YIG/YIG/Si薄膜,其表面粗糙度较高,可达到6nm左右;并且薄膜有YFeO3或YFe2O4杂相产生,其Ms降到50emu/cm3以下。在室温下沉积的Bi:YIG/YIG/Ce:YIG/Si三层复合薄膜,经800oC×5min的快速退火后,其表面质量良好,表面粗糙度小于1nm,室温饱和磁化强度Ms为135emu/cm3。
【关键词】：脉冲激光沉积 掺杂钇铁石榴石 微观组织结构 磁性能 磁光性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-30
• 1.1 引言10-11
• 1.2 磁光材料研究现状及应用11-15
• 1.2.1 磁光材料研究现状11-13
• 1.2.2 磁光材料的主要应用13-15
• 1.3 掺杂钇铁石榴石磁光薄膜的研究现状15-20
• 1.3.1 钇铁石榴石磁光薄膜的研究15-16
• 1.3.2 铈（Ce）掺杂石榴石薄膜特点及研究进展16-18
• 1.3.3 铋（Bi）掺杂石榴石薄膜的研究进展18-20
• 1.4 石榴石薄膜制备技术的进展20-26
• 1.4.1 液相外延法20-21
• 1.4.2 化学气相沉积法21-23
• 1.4.3 溅射沉积法23-24
• 1.4.4 脉冲激光沉积法24-26
• 1.5 光隔离器用磁光薄膜的研究现状及存在的问题26-28
• 1.5.1 磁光薄膜的特性问题26
• 1.5.2 磁光薄膜制备工艺问题26-28
• 1.6 本文研究目的和内容28-30
• 第2章 试验材料与方法30-37
• 2.1 试验材料30
• 2.2 靶材制备30-32
• 2.3 薄膜制备32-34
• 2.3.1 薄膜结构设计32
• 2.3.2 脉冲激光沉积工艺32-33
• 2.3.3 薄膜退火工艺33-34
• 2.4 薄膜的组织结构表征方法34-35
• 2.4.1 靶材及薄膜物相分析34
• 2.4.2 薄膜化学成分及元素价态分析34
• 2.4.3 薄膜表面形貌和组织结构34-35
• 2.5 薄膜性能测试35-37
• 2.5.1 室温磁性能测试35-36
• 2.5.2 磁光性能测试36
• 2.5.3 光学性能测试36-37
• 第3章 脉冲激光沉积Ce:YIG多层薄膜37-64
• 3.1 引言37
• 3.2 单层Y_3Fe_5O_(12) (YIG) 薄膜的制备与表征37-39
• 3.3 制备工艺对Ce:YIG/YIG两层薄膜组织性能的影响39-52
• 3.3.1 沉积温度对Ce:YIG/YIG/Si两层薄膜微观组织结构的影响39-44
• 3.3.2 沉积温度对YIG/Ce:YIG/Si两层薄膜微观组织结构的影响44-49
• 3.3.3 退火温度对Ce:YIG/YIG/Si两层薄膜结构影响49-51
• 3.3.4 退火时间对Ce:YIG/YIG/Si两层薄膜结构影响51-52
• 3.4 不同结构设计对Ce:YIG/YIG两层薄膜微观组织及性能的影响52-62
• 3.4.1 层厚比例对薄膜微观组织及性能的影响52-59
• 3.4.2 沉积次序对薄膜微观组织及性能的影响59-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第4章 脉冲激光沉积Bi:YIG多层薄膜64-97
• 4.1 引言64
• 4.2 制备工艺对Bi:YIG/YIG两层薄膜微观组织结构的影响64-78
• 4.2.1 沉积温度对Bi:YIG/YIG/Si两层薄膜微观组织结构的影响64-70
• 4.2.2 沉积温度对YIG/Bi:YIG/Si两层薄膜微观组织结构的影响70-74
• 4.2.3 沉积方式对Bi:YIG/YIG/Si两层薄膜微观组织结构的影响74-78
• 4.3 不同结构设计对Bi:YIG/YIG两层薄膜微观组织及性能的影响78-88
• 4.3.1 层厚比例对薄膜微观组织及性能的影响78-82
• 4.3.2 沉积次序对薄膜微观组织及性能的影响82-88
• 4.4 Ce:YIG/Bi:YIG复合薄膜的制备及其组织性能88-92
• 4.4.1 Ce:YIG/Bi:YIG复合薄膜的物相结构及化学成分89-90
• 4.4.2 Ce:YIG/Bi:YIG复合薄膜的表面形貌90-91
• 4.4.3 Ce:YIG/Bi:YIG复合薄膜的室温磁性能91
• 4.4.4 Ce:YIG/Bi:YIG复合薄膜的光透过率91-92
• 4.5 Ce:YIG/YIG/Si及Bi:YIG/YIG/Si薄膜的组织及性能对比92-95
• 4.5.1 Ce:YIG/YIG/Si及Bi:YIG/YIG/Si薄膜的物相结构对比分析92-93
• 4.5.2 Ce:YIG/YIG/Si及Bi:YIG/YIG/Si薄膜的表面形貌对比分析93-94
• 4.5.3 Ce:YIG/YIG/Si及Bi:YIG/YIG/Si薄膜的室温磁性能对比分析94
• 4.5.4 Ce:YIG/YIG/Si及Bi:YIG/YIG/Si薄膜的光透过率对比分析94-95
• 4.6 本章小结95-97
• 结论97-98
• 参考文献98-103
• 致谢103

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本文编号：442814