CN108630379A - 一种具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜及其制备方法。该磁性薄膜包括衬底、金属缓冲层、铁磁层和与保护层，其中衬底采用在二维方向具有可拉伸性的弹性衬底。通过对弹性衬底在二维方向预拉伸一定量并固定，然后采用磁控溅射技术，在弹性衬底表面依次直流溅射沉积金属缓冲层、铁磁层、保护层，最后沿着二维方向缓慢释放弹性衬底，从而获得磁各向异性磁性薄膜。与现有技术相比，本发明的磁性薄膜结构简单，制备方法简单，具有磁各向异性，在工业应用方面具有良好的应用前景。

Description

一种具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及磁传感器件中磁性薄膜技术领域，尤其涉及一种具有磁各向异性的双向可拉伸的磁性薄膜及其制备方法。
背景技术
随着磁性材料及制备技术的快速发展，磁性器件在信息技术、传感领域起到越来越重要的作用，其应用范围涉及到磁记录头、磁传感器、磁性微波器件等。对于这些磁性器件，其核心材料为磁性薄膜。
磁性薄膜的磁各向异性在磁性器件运行中起着重要的作用，因此在磁性器件的设计与开发中，磁性薄膜能够获得可调控的磁各向异性具有重要作用。在不同的实际应用领域，选择一个大小合适的面内单轴磁各向异性，对于获得具有良好性能的磁性器件十分重要。
人们过去已经发展了很多方法来调控磁性薄膜的磁各向异性，如磁场退火，倾斜溅射，交换耦合作用等。对于磁场退火方法，施加的磁场往往是固定的，因此不利于获得最好的面内磁各向异性；对于倾斜溅射方法，在倾斜过程中需要在衬底上长时间沉积薄膜而导致效率不高，此外倾斜角很难精确控制；对于交换耦合方法，通常采用反铁磁层对铁磁层的钉扎作用诱导出单向各向异性，这会严重消耗源靶材等资源。
近年来，随着可穿戴器件和可拉伸电子器件的迅猛发展，柔性磁性薄膜因其良好的柔韧性而被广泛关注。然而上述描述的这些调控磁各向异性的方法，一般采用的衬底是刚性的，刚性衬底严重限制了磁性薄膜在柔性器件和可穿戴器件中的应用。
发明内容
针对上述技术现状，本发明人提供了一种新型的具有双向可拉伸的磁性薄膜，其具有磁各向异性。
本发明的具体技术方案为：一种具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，包括衬底、金属缓冲层、铁磁层与保护层，其特征是：如图1所示，
所述的衬底为弹性衬底；
衬底表面为金属缓冲层，金属缓冲层表面为铁磁层、铁磁层表面为保护层。
作为优选，所述的缓冲层厚度为3nm～5nm；
作为优选，所述的铁磁层厚度为30nm～40nm；
作为优选，所述的保护层厚度为3nm～5nm；
所述的弹性衬底双向可拉伸性，即弹性衬底在二维方向具有可拉伸性，其材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)等。
作为优选，所述的二维方向包括互相垂直的X方向与Y方向。
作为优选，所述弹性衬底在X方向的拉伸范围可达60％以上，在Y方向的拉伸范围可达60％以上。
所述的金属缓冲层用于诱导铁磁层的生长取向并降低衬底的粗糙度，其材料不限，包括Ta、Pt、Au、Ag、Cu等中的一种或几种的组合。
所述的铁磁层材料不限，包括CoFe、NiFe、FeGa、FeCoTa、FeSiB、FeTaN等中的一种。
所述的保护层用于防止铁磁层被氧化，一般采用不易被氧化的金属材料，包括Ta、Pt、Cu、Au、Mo、Ag等中的一种。
本发明还提供了一种制备上述具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜的方法，首先对弹性衬底在二维方向预拉伸一定量并固定，然后采用磁控溅射技术，在弹性衬底表面依次直流溅射沉积金属缓冲层、铁磁层、保护层，最后沿着二维方向缓慢释放弹性衬底。
作为优选采用双向可拉伸模具对弹性衬底进行二维方向的预拉伸。作为一种实现方式，双向可拉伸模具包括圆形托盘、安装在托盘上的互相垂直的X拉伸单元与Y拉伸单元，X拉伸单元包括第一X压片、第二X压片、第一X滑块、第二X滑块与滑轨，第一X压片设置在第一X滑块上，第二X压片设置在第二X滑块上，工作状态时，样品沿X方向的一端固定在第一X压片，另一端固定在第二X压片，然后第一X滑块沿着滑轨向X正方形滑动，第二X滑块沿着滑轨向X负方形滑动，使样品沿着X方向被拉伸至预拉伸量后固定第一X压片与第二X压片；Y拉伸单元包括第一Y压片、第二Y压片、第一Y滑块、第二Y滑块与滑轨，第一Y压片设置在第一Y滑块上，第二Y压片设置在第二Y滑块上，工作状态时，样品沿Y方向的一端固定在第一Y压片，另一端固定在第二Y压片，然后第一Y滑块沿着滑轨向Y正方形滑动，第二Y滑块沿着滑轨向Y负方形滑动，使样品沿着Y方向被拉伸至预拉伸量后固定后第一Y压片与第二Y压片。
所述的双向可拉伸模具由非磁性材料制成，包括陶瓷、非磁性金属以及非磁性金属合金等。
作为优选，采用超高真空磁控溅射技术在弹性衬底表面依次直流溅射沉积金属缓冲层、铁磁层、保护层。
作为进一步优选，沉积室本底真空度为8×10-6Pa，通入氩气，氩气压维持在0.2～1.0Pa之间。
作为进一步优选，沉积金属缓冲层时，溅射功率为40～60W，溅射速率控制在1.5～3nm/min。
作为进一步优选，沉积铁磁层时，溅射功率为60～100W，溅射速率控制在3～6nm/min。
作为进一步优选，沉积保护层时，氩气压维持在0.1～1.0Pa之间，溅射功率为40～80W。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
综上所述，双向可拉伸的磁性薄膜的结构单元，包括衬底、金属缓冲层、铁磁层与保护层，本发明提供的双向可拉伸的磁性薄膜的结构单元的制备方法，通过将衬底双向预拉伸一定量并将其固定在模具上，然后利用磁控溅射方法在预拉伸的衬底上生长磁性薄膜，最后将衬底双向预应变缓慢释放，从而得到双向可拉伸的磁性薄膜。与现有的单轴磁各向异性薄膜的制备方法相比，具有如下有益效果：
(1)磁性薄膜结构简单，选用双向可拉伸的弹性材料为衬底，具有磁各向异性，属于柔性结构单元，适合于可拉伸磁电子学研究，在传感、信息、医疗、军事等领域具有良好的应用前景；
(2)制备方法简单易行，首先将弹性衬底进行二维方向预拉伸一定应变量后固定，然后利用磁控溅射方法在预拉伸的弹性衬底上生长磁性薄膜，最后将二维方向上的预应变缓慢释放掉，得到磁各向异性薄膜，可以获得单轴磁各向异性薄膜。
附图说明
图1是本发明具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜的结构示意图；
图2是本发明实施例中的弹性衬底PDMS的示意图；
图3是用于制备本发明实施例中的磁性薄膜的双向可拉伸模具结构示意图；
图4是本发明实施例中制得的磁性薄膜的表面形貌图；
图5是本发明实施例中制得的磁性薄膜沿易轴(X方向)和难轴(Y方向)的归一化磁化曲线。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图3中的附图标记为：1螺孔、2压片、3滑块、4滑轨、5托盘。
实施例1：
本实施例中，具有双向可拉伸的磁性薄膜如图1所示，由衬底、金属缓冲层、铁磁层、保护层组成。
衬底是弹性衬底高分子材料PDMS，其厚度为250um，如图2所示，该弹性衬底具有200％的拉伸应变量。
金属缓冲层是厚度为5nm的Ta层。
铁磁层是厚度为30nm的NiFe层。
保护层是厚度为3nm的Ta层。
上述磁性薄膜的制备方法如下：
(1)选用如图3所示的双向可拉伸模具，包括圆形托盘、安装在托盘上的互相垂直的X拉伸单元与Y拉伸单元，X拉伸单元包括第一X压片、第二X压片、第一X滑块、第二X滑块与滑轨，第一X压片设置在第一X滑块上，第二X压片设置在第二X滑块上，工作状态时，样品沿X方向的一端固定在第一X压片，另一端固定在第二X压片，然后第一X滑块沿着滑轨向X正方形滑动，第二X滑块沿着滑轨向X负方形滑动，使样品沿着X方向被拉伸20％应变量后通过螺孔1固定第一X压片与第二X压片；Y拉伸单元包括第一Y压片、第二Y压片、第一Y滑块、第二Y滑块与滑轨，第一Y压片设置在第一Y滑块上，第二Y压片设置在第二Y滑块上，工作状态时，样品沿Y方向的一端固定在第一Y压片，另一端固定在第二Y压片，然后第一Y滑块沿着滑轨向Y正方形滑动，第二Y滑块沿着滑轨向Y负方形滑动，使样品沿着Y方向被拉伸20％应变量后通过螺孔1固定第一Y压片与第二Y压片；
(2)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度8×10-6Pa，氩气压为0.2Pa，直流溅射Ta靶，在弹性衬底表面溅射沉积金属缓冲Ta层，直流溅射功率为50W，溅射沉积速率为2nm/min；
(3)氩气压为0.3Pa，直流溅射NiFe靶，在金属缓冲层表面沉积铁磁层NiFe，溅射功率为70W，溅射沉积速率为3nm/min；
(4)氩气压为0.2Pa，直流溅射Ta靶，在铁磁层表面溅射沉积保护层Ta，溅射功率为50W，溅射沉积速率为2nm/min。
图4是本实施例中制得的双向可拉伸的磁性薄膜的表面形貌图。可以看出，该NiFe薄膜明显在X和Y两个方向上可拉伸。
图5是本实施例中制得的双向可拉伸的磁性薄膜沿X方向和Y方向的归一化磁化曲线。可以看出，该NiFe磁性薄膜具有明显的面内单轴磁各向异性，X方向为易磁化轴，Y方向为难磁化轴。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，包括衬底、金属缓冲层、铁磁层和保护层，其特征是：
所述的衬底是在二维方向具有可拉伸性的弹性衬底；
所述的衬底表面为金属缓冲层；
所述的金属缓冲层表面为铁磁层；
所述的铁磁层表面为保护层。
2.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述的缓冲层厚度为3nm～5nm；
作为优选，所述的铁磁层厚度为30nm～40nm；
作为优选，所述的保护层厚度为3nm～5nm。
3.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述的弹性衬底层材料是聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。
4.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述的金属缓冲层材料是Ta、Pt、Au、Ag、Cu中的一种或几种的组合。
5.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述的铁磁层材料是CoFe、NiFe、FeGa、FeCoTa、FeSiB、FeTaN中的一种。
6.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述的保护层材料是Ta、Pt、Cu、Au、Mo、Ag中的一种。
7.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述的二维方向包括互相垂直的X方向与Y方向；
作为优选，所述弹性衬底在X方向的拉伸范围在60％以上，在Y方向的拉伸范围在60％以上。
8.如权利要求1所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜，其特征是：所述磁性薄膜具有单轴磁各向异性。
9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜的制备方法，其特征是：首先对弹性衬底在二维方向预拉伸一定量并固定，然后采用磁控溅射技术，在弹性衬底表面依次直流溅射沉积金属缓冲层、铁磁层、保护层，最后沿着二维方向缓慢释放弹性衬底。
10.如权利要求8所述的具有磁各向异性的双向可拉伸磁性薄膜的制备方法，其特征是：采用双向可拉伸模具对弹性衬底进行二维方向的预拉伸；
作为优选，双向可拉伸模具包括圆形托盘、安装在托盘上的互相垂直的X拉伸单元与Y拉伸单元，X拉伸单元包括第一X压片、第二X压片、第一X滑块、第二X滑块与滑轨，第一X压片设置在第一X滑块上，第二X压片设置在第二X滑块上，工作状态时，样品沿X方向的一端固定在第一X压片，另一端固定在第二X压片，然后第一X滑块沿着滑轨向X正方形滑动，第二X滑块沿着滑轨向X负方形滑动，使样品沿着X方向被拉伸至预拉伸量后固定第一X压片与第二X压片；Y拉伸单元包括第一Y压片、第二Y压片、第一Y滑块、第二Y滑块与滑轨，第一Y压片设置在第一Y滑块上，第二Y压片设置在第二Y滑块上，工作状态时，样品沿Y方向的一端固定在第一Y压片，另一端固定在第二Y压片，然后第一Y滑块沿着滑轨向Y正方形滑动，第二Y滑块沿着滑轨向Y负方形滑动，使样品沿着Y方向被拉伸至预拉伸量后固定后第一Y压片与第二Y压片。
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