CN114999801B - 一种提高NdFeB基永磁厚膜矫顽力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高NdFeB基永磁厚膜矫顽力的方法。该方法通过在NdFeB基厚膜生长过程引入扩散层，使扩散层介于硬磁层之间，可增大其矫顽力。所述扩散层为Nd、Dy或NdDy多层膜，在高温下扩散层会向硬磁层进行扩散。其中NdDy多层膜的典型结构为[(Nd x nm)/(Dy y nm)]5，当扩散层中Nd与Dy的厚度比为7:3时，可在获得最大矫顽力的同时最小化使用Dy，同时使剩余磁化强度降低程度最轻。

Description

一种提高NdFeB基永磁厚膜矫顽力的方法
技术领域
本发明涉及永磁材料制备技术领域，特别提供一种提高NdFeB基永磁厚膜矫顽力的方法。
背景技术
NdFeB永磁体具有优异的磁性，广泛应用于电机、发电机、变压器、执行器和能量采集器等能源应用中。在过去的几年里，制造和集成永磁体的技术发展稳步前进。对微磁器件的持续兴趣引发了对用于微电机械系统（MEMS）的厚高性能永磁体材料和制备的各种研究。
永磁体的优点是能够在相当长的距离内产生磁场。然而，从永磁体表面发出的磁场随着距离的增加而迅速衰减。对于器件设计，通常需要较大的磁容量来实现较大的磁场、磁力或机电能量交换。MEMS所需的典型永磁体尺寸范围从几微米到数百微米，甚至可能更大，这取决于应用。同样的，磁性性能、温度效应、化学稳定性和制造约束都在材料选择和制造中发挥作用。对此，高性能NdFeB厚膜在磁性微电机械系统中具有广阔的应用前景。
就磁性能而言，其矫顽力应大于2 T，剩余磁化强度应大于0.5 T，以及最大磁能积应大于 30 kJ/m3。然而纯NdFeB永磁体在室温下的矫顽力在1T左右。为了实现高矫顽力，经典方法是用重稀土元素Dy部分取代Nd以提高矫顽力，在高矫顽力的NdFeB烧结磁体中，大约三分之一的Nd原子被Dy取代。然而，由于Dy原子的磁矩与Fe原子的磁矩反平行耦合，导致主相剩余磁化强度和最大能量积(BH)max降低。此外，重稀土比轻稀土要稀缺得多，价格居高不下，已成为一个重要问题。
因此，在矫顽力增强的同时必须实现最小化Dy的使用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种提高NdFeB基永磁厚膜矫顽力的方法，在提高矫顽力的同时最小化使用Dy，同时使剩余磁化强度降低程度最轻。
本发明技术方案如下：
一种提高NdFeB基永磁厚膜矫顽力的方法，其特征在于：在NdFeB基厚膜生长过程中引入扩散层，使扩散层介于硬磁层之间，所述扩散层在高温下会向硬磁层进行扩散。
其中：
所述硬磁层是NdFeB基稀土永磁材料，其主要成分为Nd、Fe和B等，部分Nd可用Pr、Ce及La等其它稀土金属之一种或多种替代，部分Fe可用Co、Al、Ga及Nb等其它元素之一种或多种替代；所述硬磁层总厚度不低于6 μm。
所述扩散层为Nd、Dy或NdDy多层膜（NdDy多层膜共扩散磁性能更佳）；每层扩散层的厚度在30-70nm（优选地，综合性能与成本考虑，当扩散层为Nd时，单层50 nm厚度最佳）。
所述NdDy多层膜中，Nd和Dy的厚度比为7：3时性能最佳，可在获得最大矫顽力的同时最少化使用Dy，同时使剩余磁化强度降低程度最轻，典型结构为[(Nd 7 nm)/(Dy 3nm)]5。
作为优选的技术方案，所述NdDy多层膜的层数最优选为5层，每层NdDy多层膜均由一层Nd和一层Dy组成，Nd和Dy按一定厚度比（7：3最佳）反复交替沉积。
本发明还提供了一种具有高矫顽力的NdFeB基永磁厚膜，其特征在于：所述NdFeB基永磁厚膜中含有硬磁层/扩散层循环单元。
其中：所述硬磁层是NdFeB基稀土永磁材料，其主要成分为Nd、Fe和B等，部分Nd可用Pr、Ce及La等其它稀土金属之一种或多种替代，部分Fe可用Co、Al、Ga及Nb等其它元素之一种或多种替代；硬磁层的总厚度不低于6 微米；
所述扩散层为Nd或NdDy多层膜，每层扩散层的厚度在30-100nm。
扩散层的层数对磁性能影响较大，优选地，综合性能与成本考虑，每生长0.5~3微米硬磁层后生长一层扩散层较佳，最佳方案为每生长1微米硬磁层后生长一层扩散层。
所述扩散层优选为NdDy多层膜，且当Nd和Dy的厚度比为7：3时矫顽力最大，剩余磁化强度降低程度最轻，典型结构为[(Nd 7 nm)/(Dy 3 nm)]5。
所有膜层的生长均采用直流磁控溅射技术，硬磁层所用溅射靶材为自制合金靶材。
本发明的有益效果为：
本发明通过在NdFeB基厚膜生长过程中引入扩散层，在高温下由扩散层向硬磁层进行受控扩散，极大的减少了Dy的使用，大大增强了NdFeB基厚膜的矫顽力，同时保证剩余磁化强度的降低程度最小。Nd元素的扩散使得形成更多的富Nd相，导致Nd2Fe14B晶粒被富Nd材料很好地覆盖，晶粒尺寸相对较小，晶粒表面干净，对NdFeB磁体的高矫顽力起着重要作用。Dy沿晶界的受控扩散导致Dy集中在晶界附近，增加局部各向异性场，在Nd2Fe14B晶粒表面形成高各向异性的壳层(NdDy)2Fe14B，以抑制低磁场下反向磁畴的成核，导致矫顽力增加。
附图说明
图1是引入扩散层后的NdFeB基厚膜的典型结构示意图；
图2是实施例1中Nd扩散层层数为5层时不同厚度下的Ta/[NdFeB/Nd(x nm)5]/NdFeB/Ta厚膜的退磁曲线；
图3是实施例2中 Nd扩散层厚度为50 nm时不同层数下的Ta/(NdFeB/Nd)n/NdFeB/Ta厚膜的退磁曲线；
图4显示为NdDy扩散层层数为5层时不同比例下的Ta/{NdFeB/[(Nd x nm)/(Dy ynm)]5}5/NdFeB/Ta厚膜的退磁曲线。
具体实施方式
以下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，而不起任何限定作用。
图1所示为引入扩散层的NdFeB基厚膜的典型结构示意图，采用Si/SiO2基片，利用Ta作为缓冲层和覆盖层，在NdFeB硬磁层中引入扩散层，使硬磁层和扩散层形成一个循环单元，循环单元的数量n也代表着扩散层的层数。扩散层的层数和厚度均对磁性能产生较大影响。
实施例1
本实施例中，探究扩散层厚度对磁性能的影响。仅使用Nd作为扩散层，采用典型结构，基片为Si基片，所制备的NdFeB硬磁层总厚度约为6 μm，Nd扩散层层数为5层，相应的有6层NdFeB硬磁层，即有5个循环单元（每生长1 μmNdFeB硬磁层插入一层Nd扩散层），所有膜层的生长均采用直流磁控溅射技术，硬磁层所用溅射靶材为自制合金靶材，靶材名义成分为Nd15Fe75B10（以下简称NdFeB）。
制膜过程与条件：
步骤（1）Ta缓冲层：沉积厚度100 nm，沉积温度25-300℃。
步骤（2）NdFeB硬磁层：沉积厚度1 μm，沉积温度500℃。
步骤（3）Nd扩散层：沉积厚度为30 nm，50 nm或70 nm，沉积温度500℃。
步骤（4）循环反复生长NdFeB硬磁层和Nd扩散层4次。
步骤（5）NdFeB硬磁层：沉积厚度1 μm，沉积温度500℃。
步骤（6）Ta覆盖层：沉积厚度100 nm，沉积温度200-300℃。
步骤（7）高温退火：650℃，20 min。
其中，步骤（3）所述Nd扩散层厚度的变化对磁性能有较大的影响。Nd隔离层厚度30nm、50 nm和70 nm分别记为实施例1-1、1-2和1-3。
图2显示为Nd扩散层层数为5层时不同厚度下的Ta/[NdFeB/Nd(x nm)]5/NdFeB/Ta厚膜的退磁曲线。
实施例2
本实施例中，探究扩散层层数对磁性能的影响。仅使用Nd作为扩散层，采用典型结构，基片为Si基片，所制备的NdFeB硬磁层总厚度约为6 μm，每层Nd扩散层厚度为50 nm，层数为2层，5层或11层。相应的，硬磁层的厚度为2 μm，1 μm或500 nm。
制膜过程与条件：
步骤（1）Ta缓冲层：沉积厚度100 nm，沉积温度25-300℃。
步骤（2）NdFeB硬磁层：沉积厚度2 μm，1 μm或500 nm，沉积温度500℃。
步骤（3）Nd扩散层：沉积厚度50 nm，沉积温度500℃。
步骤（4）循环反复生长NdFeB硬磁层和Nd扩散层1次，4次或10次。
步骤（5）NdFeB硬磁层：沉积厚度2 μm，1 μm或500 nm，沉积温度500℃。
步骤（6）Ta覆盖层：沉积厚度100 nm，沉积温度200-300℃。
步骤（7）高温退火：650℃，20min。
其中，步骤（4）所述Nd扩散层层数的变化对磁性能有较大的影响。Nd扩散层层数2层、5层和11层分别记为实施例1-1、1-2和1-3。
图3显示为Nd扩散层厚度50nm时不同层数下的Ta/(NdFeB/Nd)n/NdFeB/Ta厚膜的退磁曲线。
对比例1：
本实施例制备不含任何扩散层的硬磁层总厚度为6 μm的NdFeB基厚膜。
制膜过程与条件：
步骤（1）Ta缓冲层：沉积厚度100 nm，沉积温度25-300℃。
步骤（2）NdFeB硬磁层：沉积厚度6 μm，沉积温度500℃。
步骤（3）Ta覆盖层：沉积厚度100 nm，沉积温度200-300℃。
步骤（4）高温退火：650℃，20min。
下表1是实施例1与对比例1制得的NdFeB基厚膜的磁性能，显示与对比例1相比，引入Nd扩散层的NdFeB基厚膜具备更大的矫顽力，在相同的隔离层层数下，随着Nd扩散层的厚度的增大，其矫顽力不断增大。结合图2退磁曲线分析，当Nd扩散层的厚度为50 nm时，其剩余磁化强度与无扩散层时的剩余磁化强度基本一致，而当Nd扩散层的厚度为30 nm或70nm时，其剩余磁化强度均有所降低，综合性能和成本考虑，扩散层厚度为50 nm最佳。
下表2是实施例2与对比例1制得的NdFeB基厚膜的磁性能，显示与对比例1相比，在相同的隔离层厚度下，随着Nd隔离层层数的增加，其矫顽力不断增大。结合图3退磁曲线分析，当扩散层层数为11层时，其剩余磁化强度和矫顽力均最佳，但成本偏高。
实施例3
本实施例中，探究少量利用Dy对磁性能的影响。使用Nd和Dy作为扩散层，采用典型结构，基片为Si基片，所制备的NdFeB硬磁层总厚度约为6 μm，Nd(x nm)Dy(y nm)扩散层层数为5层，相应的有6层NdFeB硬磁层，即有5个循环单元（每生长1 μmNdFeB硬磁层插入一层NdDy扩散层）。
制膜过程与条件：
步骤（1）Ta缓冲层：沉积厚度100 nm，沉积温度25-300℃。
步骤（2）NdFeB硬磁层：沉积厚度1 μm，沉积温度500℃。
步骤（3）Nd(x nm)Dy(y nm)扩散层：x=(10、7、5或0)，y=（0、3、5或10），沉积温度500℃。
步骤（4）循环反复生长NdFeB硬磁层和Nd(x nm)Dy(y nm)扩散层4次。
步骤（5）NdFeB硬磁层：沉积厚度1 μm，沉积温度500℃。
步骤（6）Ta覆盖层：沉积厚度100nm，沉积温度200-300℃。
步骤（7）高温退火：650℃，20min。
其中，步骤（3）所述NdDy扩散层厚度比例的变化对磁性能有较大的影响。NdDy比例为1：0、7：3、5：5和0：1时分别记为实施例3-1、3-2、3-3和3-4。
图4显示为NdDy扩散层层数为5层时不同比例下的Ta/{NdFeB/[(Nd x nm)/(Dy ynm)]5}5/NdFeB/Ta厚膜的退磁曲线；
下表3是实施例3所制得的NdFeB基厚膜的磁性能，显示在相同的扩散层层数和厚度下，NdDy扩散层的比例为7：3时获得最大矫顽力2.1T。同时结合图4退磁曲线分析，当NdDy扩散层的比例为7：3时，其剩余磁化强度降低最少，矩形度最佳。当扩散层全为Dy时退磁曲线出现塌腰，说明扩散层不能全为Dy。NdDy多层膜扩散层共扩散展现出优良的磁性能。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有高矫顽力的NdFeB基永磁厚膜，其特征在于：所述NdFeB基永磁厚膜中含有硬磁层/扩散层循环单元；
所述硬磁层是NdFeB基稀土永磁材料，其主要成分为Nd、Fe和B，部分Nd可用Pr、Ce及La之一种或多种替代，部分Fe可用Co、Al、Ga及Nb之一种或多种替代，硬磁层的总厚度不低于6μm；
所述扩散层为NdDy多层膜，且Nd和Dy的厚度比为7：3，每层扩散层的厚度在30-100nm；
每生长1μm硬磁层后生长一层扩散层。
2.按照权利要求1所述具有高矫顽力的NdFeB基永磁厚膜，其特征在于：所述NdDy多层膜的层数为5层，每层NdDy多层膜均由一层Nd和一层Dy组成。
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