CN111020499A - 一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，选用云母片作为基底，步骤2，将步骤1所准备的基底置于反应室内，进行铁氧体材料的沉积工作；步骤3，使用管式炉对薄膜进行后退火处理；步骤4，使用机械剥离的方式来分离薄膜和基底；本发明使用云母作为基底生长薄膜，因而制备的薄膜具有良好的柔性。本发明制备的薄膜线宽较低，且在经过管式炉后退火能够使线宽进一步降低。在不同弯曲条件下对铁氧体薄膜的微波特性进行了测试，验证了本发明方法可以制备出高质量的柔性微波铁氧体薄膜。

Description

一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于柔性薄膜制备技术领域，特别涉及一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法。

背景技术

铁氧体是一类磁性氧化物材料，大多数铁氧体具有尖晶石、石榴石或六角型晶体结构，具有机械强度高、化学稳定性好、电阻率高、介电常数大、磁导率高等特点。由于高磁导率带来的低涡流损耗，铁氧体材料被广泛应用于高频电子和微波器件中。根据应用需求改变铁氧体的配方和工艺，其工作频率范围可从直流直到毫米波。从二十世纪中期开始，微波铁氧体材料为无线通讯领域带来了突破和发展，首先在军用雷达领域大放异彩，其次从军用走向民间，在通信、医疗、电子设备乃至航天等等领域都起到了极大的作用。微波铁氧体材料具有近红外波段高透过、低吸收、可调节的饱和磁化强度、微波频段内铁磁共振线宽窄等特点，单晶/多晶微波铁氧体材料已广泛地使用在雷达、人造卫星、导弹系统等军事领域以及电视通信等民用领域。微波铁氧体材料的制备通常有固相法、液相法、气相法三大类，固相法产量大、工艺简单，但易混入杂质且常常得到粉体而非薄膜，液相法与气相法则容易得到高纯度的薄膜，但工艺复杂且成品率低。

近年来，柔性可穿戴设备渐渐走进人们的视野，工业界对具有良好性能的柔性微波铁氧体材料的需求也日益迫切。柔性微波铁氧体薄膜在具备柔性的同时也保留了良好的微波特性，是制造柔性无线通讯电子设备不可或缺的材料。然而，广泛使用的微波铁氧体材料属于陶瓷材料，具有很高的硬度和脆性，无法制备成为兼具柔性和高性能的微波铁氧体薄膜材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用云母片作为基底，用手术刀以机械剥离的方式将云母剥开成两层或更多层，选取剥离产生的新表面用于沉积薄膜；

步骤2，将步骤1所准备的基底置于反应室内，进行铁氧体材料的沉积工作；

步骤3，使用管式炉对薄膜进行后退火处理；

步骤4，使用机械剥离的方式来分离薄膜和基底；

进一步的，步骤1中，云母片的厚度为0.02mm。

进一步的，微波铁氧体材料包括：钇铁石榴石Y₃Fe₅O₁₂(YIG)、钴铁氧体CoFe₂O₄、镍铁氧体NiFe₂O₄、镍锌铁氧体NiZnFe₂O₄或钡铁氧体BaFe₁₂O₁₉(BaM)。

进一步的，步骤2具体包括：

1)将基底被剥离后所产生的新表面用来沉积铁氧体薄膜，把基底固定在热台后，一同置于反应室内；

2)依次使用机械泵、分子泵分阶段将反应室抽成真空状态，在反应室内气压≦10^{- 5}Pa时，通入氧气，调节氧气流速率，直至反应室内氧气的进出速率相同；

3)在高能量、低频率的激光脉冲下进行薄膜的制备；在能量为0.1J/mm²～1.5J/mm²，频率为1～3Hz的激光脉冲下进行薄膜的制备。

进一步的，使用弹性金属片形变状态下所产生的压力固定基底。

进一步的，步骤3包括以下步骤：

1)以1-5℃/min的速率升温至薄膜生长温度，并在激光沉积薄膜的过程中维持该温度；

2)以1-5℃/min的速率降温，期间在700℃、500℃以及300℃分别保持恒温1小时；

3)上述步骤完成后，让薄膜在沉积腔体中自然降温冷却。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明使用云母作为基底生长薄膜，因而制备的薄膜具有良好的柔性。本发明制备的薄膜线宽较低，且在经过管式炉后退火能够使线宽进一步降低。在不同弯曲条件下对铁氧体薄膜的微波特性进行了测试，验证了本发明方法可以制备出高质量的柔性微波铁氧体薄膜。

本发明高能量激光脉冲可以确保成膜的均匀度，由于激光脉冲溅射沉积系统使用的是激光这一能量高度的能源，导致溅射出的高能粒子也具有一定的定向性，只有小面积的基片能够接收到足够成膜的高能粒子。使用较低频率的激光脉冲(1～3Hz)进行薄膜的制备，使得落到基片表面的高能粒子有足够的时间外延生长，有助于薄膜形成良好的晶相。

附图说明

图1是本发明制备的柔性铁氧体薄膜实物图；

图2是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在平直状态的磁滞回线；

图3是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在受不同应力而弯曲状态下的磁滞回线；

图4是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在受不同应力而弯曲状态的铁磁共振曲线；

图5是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在平直状态不同角度的铁磁共振曲线；

图6是本发明通过机械剥离的方法分离基底与薄膜的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至6，一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用云母片作为基底，用手术刀以机械剥离的方式将云母剥开成两层或更多层，选取剥离产生的新表面用于沉积薄膜；剥开的面洁净程度相比于原有的表面要高，有利于获得高质量的外延薄膜，此外较薄的基底也有利于后续的剥离工作。

步骤2，将步骤1所准备的基底置于反应室内，进行薄膜沉积工作；

步骤3，使用管式炉对薄膜进行后退火处理；，以促进薄膜成相并改善其性能。

步骤4，使用机械剥离的方式来分离薄膜和基底；以高度锋利的刀具在显微镜下将薄膜从基底上掀起，而后以针尖代替镊子将薄膜与基底剥离。

步骤1中，云母片的厚度为0.02mm。

微波铁氧体材料包括：钇铁石榴石Y₃Fe₅O₁₂(YIG)、钴铁氧体CoFe₂O₄、镍铁氧体NiFe₂O₄、镍锌铁氧体NiZnFe₂O₄或钡铁氧体BaFe₁₂O₁₉(BaM)。

步骤2具体包括：

1)将基底被剥离后所产生的新表面用来沉积铁氧体薄膜，把基底固定在热台后，一同置于反应室内；由于基底的柔性，使用弹性金属片形变状态下所产生的压力作为固定手段。

2)依次使用机械泵、分子泵分阶段将反应室抽成真空状态，在反应室内气压≦10^{- 5}Pa时，通入氧气，调节氧气流速率，直至反应室内氧气的进出速率相同；

气体环境对反应的进行有着较大的影响，不够纯净的气体环境可能会导致激光脉冲溅射出的等离子体混杂杂质或液滴、小颗粒，影响形成的薄膜质量。

3)在高能量、低频率的激光脉冲下进行薄膜的制备；在能量为0.1J/mm²～1.5J/mm²，频率为1～3Hz的激光脉冲下进行薄膜的制备。高能量激光脉冲可以确保成膜的均匀度。由于激光脉冲溅射沉积系统使用的是激光这一能量高度的能源，导致溅射出的高能粒子也具有一定的定向性，只有小面积的基片能够接收到足够成膜的高能粒子。使用较低频率的激光脉冲(1～3Hz)进行薄膜的制备，使得落到基片表面的高能粒子有足够的时间外延生长，有助于薄膜形成良好的晶相。

步骤3包括以下步骤：

1)以1-5℃/min的速率升温至薄膜生长温度，并在激光沉积薄膜的过程中维持该温度；

2)以1-5℃/min的速率降温，期间在700℃、500℃以及300℃分别保持恒温1小时；

3)上述步骤完成后，让薄膜在沉积腔体中自然降温冷却。

本发明使用的温度数据为400℃以上，具体视需求而定。

本发明使用的气体环境数据为0.1～150Pa(70％以上氧气环境)，具体视需求而定。

本发明使用的激光器频率为1～30Hz，具体视需求而定。

本发明使用的激光器功率为0.1～17W，具体视需求而定。

图1是本发明制备的柔性铁氧体薄膜实物图；可以看出其具备很好的透明性，能够进行大幅度的弯曲。

图2是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在平直状态的磁滞回线；可见该结构同时具有较小的矫顽场与剩余磁化强度。

图3是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在受不同应力而弯曲状态下的磁滞回线，在不同的弯曲状态下都有着近似的磁滞回线，亦即其磁学性能具有良好的形变稳定性和力学稳定性，可以满足制备柔性电子器件的需要。

图4是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在受不同应力而弯曲状态的铁磁共振曲线，其铁磁共振场随形变产生的偏移最大也只有89Oe，同样展现了良好的稳定性。

图5是本发明制备的YIG铁氧体薄膜在平直状态不同角度的铁磁共振曲线，可以看出本发明制备的柔性微波铁氧体具有线宽窄、损耗低的优点，对于其在微波器件领域的应用具有重要意义。

图6是本发明通过机械剥离的方法分离基底与薄膜的示意图。基底优良的柔性和可剥离性使得制备柔性微波铁氧体薄膜的工艺简便、成本低廉。

Claims (6)

1.一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选用云母片作为基底，用手术刀以机械剥离的方式将云母剥开成两层或更多层，选取剥离产生的新表面用于沉积薄膜；

步骤2，将步骤1所准备的基底置于反应室内，进行铁氧体材料的沉积工作；

步骤3，使用管式炉对薄膜进行后退火处理；

步骤4，使用机械剥离的方式来分离薄膜和基底。

2.根据权利要求1所述的一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，云母片的厚度为0.02mm。

3.根据权利要求1所述的一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，其特征在于，微波铁氧体材料包括：钇铁石榴石Y₃Fe₅O₁₂(YIG)、钴铁氧体CoFe₂O₄、镍铁氧体NiFe₂O₄、镍锌铁氧体NiZnFe₂O₄或钡铁氧体BaFe₁₂O₁₉(BaM)。

4.根据权利要求1所述的一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2具体包括：

1)将基底被剥离后所产生的新表面用来沉积铁氧体薄膜，把基底固定在热台后，一同置于反应室内；

2)依次使用机械泵、分子泵分阶段将反应室抽成真空状态，在反应室内气压≦10^-5Pa时，通入氧气，调节氧气流速率，直至反应室内氧气的进出速率相同；

3)在高能量、低频率的激光脉冲下进行薄膜的制备；在能量为0.1J/mm²～1.5J/mm²，频率为1～3Hz的激光脉冲下进行薄膜的制备。

5.根据权利要求4所述的一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，其特征在于，使用弹性金属片形变状态下所产生的压力固定基底。

6.根据权利要求1所述的一种柔性微波铁氧体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：

1)以1-5℃/min的速率升温至薄膜生长温度，并在激光沉积薄膜的过程中维持该温度；

2)以1-5℃/min的速率降温，期间在700℃、500℃以及300℃分别保持恒温1小时；

3)上述步骤完成后，让薄膜在沉积腔体中自然降温冷却。

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