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(xì)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(guān)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(shè)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(fù)合薄膜磁性能。

　　磁控濺射法沉積在硅晶基體上的NiZnCoFe2O4/SiO2復(fù)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(xì)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(xué)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?fù)p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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(yīng)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(dāng)，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(fù)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(xué)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(dǎo)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(xì)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(yīng)力。經(jīng)后退火處理后，晶粒細(xì)化，降低薄膜的內(nèi)應(yīng)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(fù)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(xì)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

　　[1] 陳光華，鄧金祥.納米薄膜技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
　　[2] 龐爾楠，趙宇輝，侯華，等.低溫?zé)�結(jié)Ni0.2Cu0.2Zn0.6Fe2O4鐵氧體的工藝條件研究[J]. 熱加工工藝，2010，39(10)：95- 98.
　　[3] 奚小網(wǎng)，陳亞杰，周雪琴.脈沖激光沉積制備NiZn 鐵氧體多晶薄膜研究[J]. 磁性材料及器件，2001，32(6)：9- 13.
　　[4] 管志花，楊新華，閆友房，等. 納米NiZn 鐵氧體的制備及表征[J].熱加工工藝，2008，37(6)：15- 19.
　　[5] 唐偉忠.薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998.
　　[6] 羅紅雨，馬振偉，周濟，等.兩種Ni- Zn 鐵氧體復(fù)合材料的燒結(jié)性能與射頻磁性能[J]. 功能材料，2001，32(2)：132- 134.