CN113106406A - 一种SmCo永磁薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SmCo永磁薄膜的制备方法,包括以下步骤:1)选取磁体,进行有限元分析,模拟磁体的磁力线分布,计算得到磁通密度和磁场作用区域范围;2)将磁体固定在样品台上,再根据步骤1)的分析结果将基底固定在样品台上,并确保磁场垂直穿过基底,再采用SmCo合金靶进行磁控溅射镀膜,再对得到的薄膜进行热处理晶化,即得SmCo永磁薄膜。本发明在SmCo永磁薄膜沉积过程中引入外磁场使得溅射原子形成沿外磁场方向的织构,提高了SmCo永磁薄膜的垂直磁各向异性,且外磁场还可以细化晶粒,提高SmCo永磁薄膜的磁性能。
Description
技术领域
本发明涉及磁性薄膜材料技术领域,具体涉及一种SmCo永磁薄膜的制备方法。
背景技术
随着高端电子信息产业迅猛发展,人们对于多功能化、微型化电子元器件以及微型存储器件的需求与日俱增。磁记录技术在信息存储技术中占据主要地位,自然也需要不断向微型化和高密度化的方向发展,而实现磁性材料的薄膜化为解决上述需求提供了可能。
为了突破超顺磁效应导致的磁记录密度极限,热辅助磁垂直记录技术得到了学术界和产业界的广泛关注。研究发现,将磁性材料薄膜化并调控其磁各向异性,不仅能够满足高密度热辅助垂直磁记录介质的性能需求,而且对于磁存储技术和磁性功能器件的应用也具有十分重要的意义。
SmCo具有高磁晶各向异性能和较高的居里温度,可以大幅降低外界热扰动对信息存储的影响,且具有良好的非易失性,此外,其超高的内禀矫顽力和较小的超顺磁临界尺寸保证了制备的磁性薄膜具有优良的磁性能,有着良好的应用前景。
目前,常用于制备SmCo基垂直磁各向异性薄膜的方法如下:先通过添加诱导层诱导晶粒择优生长以及通过多靶交替共溅形成多层复合膜结构,再在较高的退火温度下进行较长时间的热处理,使各膜层的原子扩散均匀。然而,由于该方法存在膜层结构较复杂、操作繁琐、高温热处理时间长、成本高等缺陷,难以实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SmCo永磁薄膜的制备方法。
本发明所采取的技术方案是:
一种SmCo永磁薄膜的制备方法包括以下步骤:
1)选取磁体,进行有限元分析,模拟磁体的磁力线分布,计算得到磁通密度和磁场作用区域范围;
2)将磁体固定在样品台上,再根据步骤1)的分析结果将基底固定在样品台上,并确保磁场垂直穿过基底,再采用SmCo合金靶进行磁控溅射镀膜,再对得到的薄膜进行热处理晶化,即得SmCo永磁薄膜。
优选的,步骤1)所述有限元分析采用的软件为ANSYS软件。
优选的,步骤1)所述磁体为钕铁硼磁体。
优选的,步骤2)所述样品台为不导磁且易加工的样品台。
进一步优选的,步骤2)所述样品台为铝质样品台。
优选的,步骤2)所述基底为单晶Si(100)基底、石英玻璃基底中的一种。
优选的,步骤2)所述SmCo合金靶中Sm、Co的摩尔比为1:3~1:8。
优选的,步骤2)所述SmCo合金靶至样品台中心距离为80mm~120mm。
优选的,步骤2)所述磁控溅射采用的磁控溅射系统为OBVTC450型磁控溅射机。
优选的,步骤2)所述磁控溅射的功率为60W~80W,工作气压为0.1Pa~1Pa。
优选的,步骤2)所述磁控溅射镀膜得到的SmCo薄膜的厚度为200nm~300nm。
优选的,步骤2)所述热处理在500℃~650℃下进行,处理时间为5min~60min。
本发明的理论基础:在SmCo基薄膜沉积过程中,添加垂直薄膜平面方向的外磁场,使得溅射原子沿着外磁场方向沉积到基底上,形成沿磁场方向的织构,并对制备态的薄膜进行原子热扩散,最终使磁矩沿外场方向排列从而获得垂直磁各向异性薄膜。此外,外加磁场可以提供额外的能量导致系统磁吉布斯自由能发生变化,从而促进晶粒细化,获得具有更小晶粒尺寸的SmCo基薄膜。
磁吉布斯自由能计算公式:
本发明的有益效果是:本发明在SmCo永磁薄膜沉积过程中引入外磁场使得溅射原子形成沿外磁场方向的织构,提高了SmCo永磁薄膜的垂直磁各向异性,且外磁场还可以细化晶粒,提高SmCo永磁薄膜的磁性能。
具体来说:
1)本发明引入外磁场辅助沉积SmCo永磁薄膜,能够诱导SmCo磁矩沿薄膜平面的法线方向(外磁场方向)生长,形成沿一定方向的织构,可以有效提高SmCo永磁薄膜的垂直磁各向异性,得到具有垂直磁各向异性的SmCo永磁薄膜;
2)本发明引入外磁场辅助沉积SmCo永磁薄膜,能够提供额外的能量引起系统磁吉布斯自由能的变化,可以促进晶粒细化,从而得到具有较小晶粒尺寸的SmCo基垂直磁各向异性薄膜,进一步提高了磁性能;
3)本发明引入外磁场辅助沉积SmCo永磁薄膜,相比现有技术需要插入过渡层和较复杂的多层结构设计,本发明只需通过设计样品台放置磁体来提供外磁场,薄膜制备过程易于操作,且生产成本更低,可以提高制备垂直各向异性SmCo永磁薄膜的效率,同时也为垂直磁各向异性稀土永磁薄膜的制备提供了新的思路。
附图说明
图1为模拟的磁体磁通密度分布图。
图2为搭有磁体和基底的样品台实物图。
图3为外加磁场沉积薄膜图。
图4为实施例的SmCo永磁薄膜的磁滞回线。
图5为实施例的SmCo永磁薄膜的扫描电镜图。
图6为对比例的SmCo永磁薄膜的磁滞回线。
图7为对比例的SmCo永磁薄膜的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例:
一种SmCo永磁薄膜的制备方法,其包括以下步骤:
1)选取大小规格18mm(长)×18mm(宽)×24mm(高)的钕铁硼磁体(牌号N50),采用ANSYS软件进行有限元分析,模拟磁体的磁力线分布,计算得到磁通密度和磁场作用区域范围,极化方向沿高度方向,模拟计算的磁通密度最大为1T(模拟的磁体磁通密度分布图如图1所示);
2)将钕铁硼磁体固定在尺寸3英寸的铝质样品台上,选取大小规格10mm×10mm的单晶Si(100)基底,用质量分数5%的氢氟酸超声清洗10min,再用丙酮超声清洗10min,再用无水乙醇超声清洗10min,再干燥除去单晶Si(100)基底表面的水,再根据步骤1)的分析结果将单晶Si(100)基底用银胶粘贴在样品台上(搭有磁体和基底的样品台实物图如图2所示),并确保磁场垂直穿过基底,磁场垂直穿过基底区域不超过25mm×25mm,再采用SmCo合金靶(Sm、Co的摩尔比为1:4,合金靶纯度为99.5%)、Cr靶和Cu靶通过OBVTC450型磁控溅射机进行磁控溅射镀膜(外加磁场沉积薄膜图如图3所示),Cr靶和SmCo合金靶为直流溅射,溅射的功率为80W,Cu靶为射频溅射,溅射功率为100W,靶至样品台中心距离为100mm,本底真空度抽至8×10-5Pa~1×10-4Pa之间,磁控磁控溅射的工作气压保持在0.5Pa,得到Cr(20nm)/Cu(10nm)/SmCo(300nm)/Cr(20nm)结构薄膜,再将得到的薄膜放入真空管式炉中,通入高纯氩气作为保护气,升温至550℃进行热处理,退火时间为900s,再随炉冷却至室温,即得SmCo永磁薄膜。
采用物理性能综合测试系统(PPMS)测试得到的SmCo永磁薄膜的磁滞回线(M-H曲线)如图4所示,采用高倍扫描电子显微镜观察到的SmCo永磁薄膜的扫描电镜图(SEM)如图5所示。
对比例:
一种SmCo永磁薄膜的制备方法,其包括以下步骤:
选取大小规格10mm×10mm的单晶Si(100)基底,用质量分数5%的氢氟酸超声清洗10min,再用丙酮超声清洗10min,再用无水乙醇超声清洗10min,再干燥除去单晶Si(100)基底表面的水,再将单晶Si(100)基底用银胶粘贴在样品台上,再采用SmCo合金靶(Sm、Co的摩尔比为1:4,合金靶纯度为99.5%)、Cr靶和Cu靶通过OBVTC450型磁控溅射机进行磁控溅射镀膜,Cr靶和SmCo合金靶为直流溅射,溅射的功率为80W,Cu靶为射频溅射,溅射功率为100W,靶至样品台中心距离为100mm,本底真空度抽至8×10-5Pa~1×10-4Pa之间,磁控磁控溅射的工作气压保持在0.5Pa,得到Cr(20nm)/Cu(10nm)/SmCo(300nm)/Cr(20nm)结构薄膜,再将得到的薄膜放入真空管式炉中,通入高纯氩气作为保护气,升温至550℃进行热处理,退火时间为900s,再随炉冷却至室温,即得SmCo永磁薄膜。
采用物理性能综合测试系统(PPMS)测试得到的SmCo永磁薄膜的磁滞回线(M-H曲线)如图6所示,采用高倍扫描电子显微镜观察到的SmCo永磁薄膜的扫描电镜图(SEM)如图7所示。
由图4~7可知:引入外磁场制备的SmCo永磁薄膜表现出较好的垂直磁各向异性,其面外矫顽力有了很大提高,且在相同放大倍数下观察发现引入外磁场沉积的SmCo永磁薄膜表面的颗粒尺寸更小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)选取磁体,进行有限元分析,模拟磁体的磁力线分布,计算得到磁通密度和磁场作用区域范围;
2)将磁体固定在样品台上,再根据步骤1)的分析结果将基底固定在样品台上,并确保磁场垂直穿过基底,再采用SmCo合金靶进行磁控溅射镀膜,再对得到的薄膜进行热处理晶化,即得SmCo永磁薄膜。
2.根据权利要求1所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤1)所述有限元分析采用的软件为ANSYS软件。
3.根据权利要求1或2所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤1)所述磁体为钕铁硼磁体。
4.根据权利要求1所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述样品台为不导磁且易加工的样品台。
5.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述基底为单晶Si(100)基底、石英玻璃基底中的一种。
6.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述SmCo合金靶中Sm、Co的摩尔比为1:3~1:8。
7.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述SmCo合金靶至样品台中心距离为80mm~120mm。
8.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述磁控溅射的功率为60W~80W,工作气压为0.1Pa~1Pa。
9.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述磁控溅射镀膜得到的SmCo薄膜的厚度为200nm~300nm。
10.根据权利要求1、2和4中任意一项所述的SmCo永磁薄膜的制备方法,其特征在于:步骤2)所述热处理在500℃~650℃下进行,处理时间为5min~60min。
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