纳米磁性颗粒膜

摘 要 介绍了从准微波波段到微波波段具有优良软磁特性的磁性纳米颗粒膜的制备工艺及理论分析。这种优质磁性纳米颗粒膜是将来微磁器件的基础，也将成为一种重要的新型抗EMI材料。
关键词 纳米颗粒膜 溅射 磁特性

1 引言
随着电子仪器小型化，高性能化的飞速进步，表面贴装技术，集成化技术得到广泛应用。在此背景下，电子器件的微型化、高频化的研究已成为一个十分活跃的领域。与其它电子元件相比较，磁性器件的微型化是比较落后的。造成这个问题的主要原因是用于电感器、变压器的磁性材料在高频时磁导率特性下降。研究已表明，为了维持高频磁导率的优良特性，磁性材料的电阻率ρ和饱和磁化强度都要大，并且具有适度大小的各向异性场众所周知，金属磁性材料具有大的饱和磁感强度而电阻率ρ很小，而铁氧体磁性材料则具大的电阻ρ和小的。显然这二种材料都不具备微磁器件对材料的要求。近年来以Fe基、Co基为主体的磁性合金纳米颗粒膜和纳米多层膜的研究十分活跃，这种纳米颗粒膜、多层膜同时具备高电阻率、高饱和磁感应强度及宽频带范围的高磁导率特性，是一种十分理想的微磁器件用材料。这种新型薄膜材料已在微磁器件、新型抗EMI器件中得到应用。本文介绍其中的纳米颗粒膜的制备方法、磁特性及理论分析。

2 磁性纳米颗粒膜的制备
磁性纳米颗粒膜与纳米多层膜制备方法均是采用溅射法。但由纳米颗粒膜与纳米多层膜结构不同，纳米颗粒膜的溅射均为单靶，靶成分大体上分为Co基和Fe基作为磁性相，氧化物则多以、等构成，溅射条件各不相同，主要溅射制备条件如表1所示。表1示出的溅射条件，基本上代表了目前的颗粒膜制备方法。

2.1 溅射靶：
从表中可以看出，溅射纳米颗粒膜的磁性相均由Fe基、Co基铁磁材料构成，而非磁性相则以、等为主。文献[5]特别强调，Co基的合金靶中，掺入微量的Fe构成的合金靶，有利于减小磁致伸缩系数。尽管靶的成分各不相同，但真正在基片上获得所希望的结构成分，各种溅射条件的优化组合十分重要。特别是磁性相与非磁相的含量比例，除与贴附在合金靶上的、等的数量，形状密切相关外，还与靶上各部分功率密度有关。
2.2 基片：
用于制备磁性纳米颗粒膜的基片并无严格要求，玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等均可作为溅射基片。为防止基片在溅射过程中发热，通常的情况下均要进行水冷却，溅射过程中的基片旋转无疑对溅射的磁性纳米颗粒膜的均匀性是有利的。若实验用基片尺寸较小，亦可不旋转基片。纳米颗粒膜的溅射一般均要在平行于膜面施加一定大小的磁场，目的是在溅射的膜上得到单轴各向异性。
2.3 溅射气压：
除文献[3]给出的结果以外，大多数研究的溅射气压均在3～5mTorr范围，对于单一气体情况，仅气压大小影响成膜参数，而对于复合气体情况，除全压以外，两种气流比也是影响成膜质量的重要参数。对于+Ar混合气体，气流比定义为/+Ar（%）。以合金靶为例，当气流比在1%～2%之间变化时，溅射所获得的纳米颗粒膜才具有软磁特性，大于或小于这个范围，溅射所得的纳米颗粒膜的矫顽力都超过10○e，而失去软磁性。类似的情况在N+Ar混合气体中也存在。
2.4 后期处理：
溅射纳米颗粒膜的后期处理均在真空条件下（Torr），分别在静磁场中（UFA）和旋转磁场中（RFA）进行。热处理温度范围为100-600℃，保温1小时，升降温速度为100℃/h，热处理时磁场强度为1K○e。

3 纳米颗粒膜的磁特性
3.1 Co-Al-N纳米颗粒膜的磁特性
采用合金靶，气体为Ar+N，调整N/N+Ar气流比，溅射纳米颗粒膜的磁特性如图1所示。

当N=23.5at%时，所获得的颗粒膜电阻率最高，达到974μΩcm，但实验结果与计算值相差最大。相反，N=22at%时，所获得的颗粒膜电阻率最小仅为463μΩcm，而实验结果与计算值基本吻合。N=28at%时，颗粒膜的电阻率次于N=23.5at%而好于N=22at%的情况，而此时的μ′尽管的值接近于零，即使在低频段也不过是在100以下。显然电阻率随含N量变化具有一峰值，而磁导率μ′则随着含N量的增加而单调下降。理论计算表明支配这种软磁颗粒膜μ′-f特性的主要因素是、ρ及。图2示出了这些参数随UFA的温度变化特性。从图中可见，a.具有大的颗粒膜，热处理温度变化对其影响不大，而其它成分的膜的随着热处理温度上升而上升；b.无论哪种膜的电阻率ρ均随热处理温度的上升而下降，电阻率开始下降的温度按含N量从小到大顺序排列，即含N量为22at%的ρ开始下降的温度最高；c.含N量为22at%的膜的不随热处理温度变化而变化，含N量为23.5at%的膜的随热处理温度上升而增加，且含N量为28at%的膜的与温度无关，直到接近600℃，仍保持大体上为零。

3.2 Fe-Al-O纳米颗粒膜的磁特性
采用Fe-复合靶，溅射气体为Ar气，气压为4mTorr，溅射后的样品在8×10-6Torr的真空中，施加600○e的直流磁场，分别在300℃、380℃、400℃温度下热处理1小时，溅射膜和经过不同温度热处理后的膜的饱和磁化强度及矫顽力随电阻率ρ的变化如图3、图4所示。从图中可以看出，颗粒膜成分尽管基本相同，但膜的电阻率、饱和磁化强度、矫顽力都非常分散，而这种分散性通过热处理能够得到抑制。在一合适的热处理温度下，饱和磁化强度稍有增加，电阻率ρ也被控制在1000μΩm左右，矫顽力在380℃热处理时，降低到了1○e以下，显示出更良好的软磁性能。
经过300℃温度热处理的Fe-Al-O颗粒膜的导磁率频率特性如图5所示。图中μ′在高频时急剧下降，且μ″也从较低的频率开始呈现很大的数值。对于这种现象，到目前为止，还难与理论计算相吻合。


4 结论与展望
至今已开展的纳米磁性颗粒膜Fe基、Co基二大系列中，从目前研究进展来看，Co基纳米颗粒膜的磁特性更优良一些。通过调整靶成分和工艺参数，得到为10KGs以上、电阻率ρ为1000μΩcm左右、各向异性场在20-40○e之间、矫顽力小于1○e、磁导率μ′在1GHz频率大于100是可行的。在理论研究方面，尽管有许多文章从各个不同方面进行了论述，但尚无一套完整的理论对所有实验现象进行合理充分的解释。随着应用研究的不断深入，特别是许多新型微磁器件对这种颗粒膜的要求不断迫切，纳米磁性颗粒膜的研究，从理论到实验都会出现大的进展。