濺射法制備NiZn鐵氧體薄膜及其磁化強度的布里淵函數(shù)溫度特性研究

發(fā)布時間：2020-04-11 09:19

【摘要】：電感器作為電路結構中最重要的三大無源器件之一,廣泛地應用在電源、濾波器、振蕩器、低噪聲放大器、阻抗匹配網(wǎng)絡等組件中。NiZn鐵氧體薄膜具有較高的飽和磁化強度、磁導率以及高的電阻率,非常適合高頻磁性器件的研制。對此,本論文采用射頻磁控濺射法制備NiZn鐵氧體薄膜,系統(tǒng)研究其配方以及工藝參數(shù)對薄膜微結構和磁性能的影響,并基于Néel分子場理論研究了薄膜磁化強度的布里淵函數(shù)溫度特性。首先,采用固相反應法制備了Ni_(0.91-x)Cu_(0.09)Zn_xFe_(1.998)O_4(x=0.62~0.70)靶材,研究了不同ZnO含量對NiZn鐵氧體靶材相結構、微觀形貌及磁性能的影響。結果表明:(1)ZnO起到了助熔劑的作用,NiZn鐵氧體晶粒尺寸及密度均隨著ZnO含量的增多而增大;(2)受到占位分布的影響,NiZn鐵氧體材料的飽和磁感應強度略有降低;(3)非磁性Zn~(2+)離子的增加,可顯著降低磁晶各向異性常數(shù)和磁致伸縮系數(shù),提高起始磁導率,降低矯頑力。其次,基于已經(jīng)制備好的靶材,采用濺射法制備了不同組分的薄膜,并研究了薄膜磁化強度的布里淵函數(shù)溫度特性。結果表明:(1)隨著ZnO含量增加,樣品的晶粒尺寸增加,飽和磁化強度和截止頻率降低;(2)使用布里淵函數(shù)擬合樣品的M~T曲線,隨著Zn含量的增加,分子場系數(shù)ω_(ab=)ω_(ba)和ω_(bb)減小,ω_(aa)增加。在相同的取代量下,ω_(ab=)ω_(ba)的值與其他兩個分子場系數(shù)相比總是最大,表明A-B晶格之間的超交換作用最大。然后,研究了濺射氣壓、濺射功率、基片溫度以及退火溫度對薄膜性能的影響。通過對薄膜進行XRD、SEM、VSM等測試得到以下結論:(1)在1.5Pa下沉積的薄膜晶粒尺寸最均勻,薄膜的M_s最高為175kA/m,H_c最小;(2)隨著濺射功率的增加,NiZn鐵氧體薄膜的晶粒尺寸增加,當濺射功率為140W時,飽和磁化強度M_s最大,矯頑力H_c逐漸增加;(3)基片溫度的增加促進了薄膜晶粒生長,飽和磁化強度M_s升高,缺陷濃度降低,矯頑力下降。當基片溫度繼續(xù)升高,薄膜顯微結構惡化,M_s降低;(4)退火過程促進了薄膜的結晶,晶粒尺寸增加,退火后薄膜的飽和磁化強度M_s顯著提高,且隨著退火溫度的升高,薄膜的M_s逐漸增大。最后,為了解決鐵氧體薄膜在后續(xù)器件應用中與半導體工藝兼容的問題,將磁控濺射法與旋轉(zhuǎn)噴涂法相結合制備了NiZn鐵氧體雙層膜。結果表明:(1)種子層的引入在低溫條件下促進了NiZn鐵氧體雙層膜尖晶石相的晶化和晶粒生長,提高薄膜致密度,飽和磁化強度M_s由74kA/m增加到420kA/m,磁導率μ'(300MHz)由90增加到202;(2)由于種子層表面粗糙,增加了薄膜的內(nèi)應力,使得樣品的矯頑力H_c增加,種子層的引入增加了薄膜的有效各向異性場,提升了截止頻率f_r。
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