基片倾斜角度对tbfe薄膜磁致伸缩性能的影响

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1、基片倾斜角度对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响张金平等:基片倾斜角度对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响基片倾斜角度对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响张金平,蒋洪川,张万里,彭斌,张文旭,杨仕清(电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054)摘要:采用直流磁控溅射法制备了非晶态TbFe磁致伸缩薄膜,通过基片的倾斜安装研究了基片倾斜角度对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响.结果表明:随着基片倾斜角度的增大TbFe薄膜的磁致伸缩系数增大,在外加磁场1lOkA?m-1下基片倾斜角度为6O.时薄膜磁致伸缩

2、系数达到最大值1.O2×1O一,并且随着基片倾斜角度的增大TbFe薄膜的易磁化方向由垂直膜面方向逐渐转向平行膜面方向.这是由于倾斜基片溅射形成的倾斜的薄膜柱状微结构产生的形状各向异性引起的.关键词:直流磁控溅射;TbFe磁致伸缩薄膜;柱状微结构:形状各向异性中图分类号:TM271文献标识码:A文章编号:1001-9731(2005)01—0027—021引言随着微机电系统(MEMS)的迅猛发展,具有非接触,大形变(10数量级),低驱动电压(毫伏级),大的机电转换效率等优点的磁致伸缩薄膜材料有着广

3、阔的应用前景.例如:利用磁致伸缩薄膜材料高的电机耦合系数及高的电机转换效率,可用于研制微小型化,可调谐的声表面波(SAw)器件;利用较高的磁致伸缩应变系数,可制作各类MEMS伺服器,如RF开关,精密定位装置,微型马达,流体控制系统(微泵,微阀等),可应用于微波或射频通讯系统,微定位,燃料注入系统,生物DNA检测等[1].近年来,国内外众多研究机构对其进行了广泛的研究,本课题组已在磁致伸缩厚膜和TbFe/Fe纳米交换耦合多层薄膜[5方面做了一些工作.对TbFe磁致伸缩薄膜工艺参数如:溅射功率,氩气

4、(Ar)偏压等对薄膜的磁致伸缩性能有重要的影响.为了提高TbFe磁致伸缩薄膜在低场下的磁致伸缩性能,本文考察了基片倾斜角度对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响.2实验本文采用直流磁控溅射法制备TbFe磁致伸缩薄膜,基本工艺参数为:溅射功率40W,氩气(Ar)偏压0.4Pa,靶基距7em,背底真空度为5×10～Pa,薄膜厚度约为1.5m.靶材采用含有4OTb和6OFe(原子分数)定向取向的TbFe多晶合金靶,基片采用20ram×5ram×240~m抛光的单晶Si片(110).基片倾斜角度的改变通过如图

5、1所示的基片安装方式实现,使样品短轴方向与样品台所在平面成一定角度0,长轴平行样品台所在平面进行溅射.薄膜的物质结构由x射线衍射仪(XRD)测量,成分由能谱仪(EDS)测量,断面形貌由扫描电子显微镜(SEM)测量,磁滞回线由振动样品磁强计(VSM)测量,测量时外加磁场为16ookA/m,磁致伸缩系数由激光光杠杆计算机辅助测试系统测量[6],测量时外加磁场平行基片长轴方向.样品台基片短轴方向TTTTTT3结果与讨论由XRD分析结果显示,沉积的薄膜为非晶态.由EDS能谱分析结果显示,薄膜中Tb和Fe

6、的含量分别为:38.69和61.31(原子分数).图2为外加磁场110kA/m薄膜磁致伸缩系数与基片倾角的关系图.,I)图2薄膜磁致伸缩系数∥与倾角的关系图Fig2Thedependencecurveof∥ofthefilmsonob-liqueangles从图中可以看出:随着基片倾角0的增大,薄膜的磁致伸缩系数增大,在6O.时达到最大值1.02×10一,在75.时有所减小.?基金项目:国家自然科学基金资助项目(50271014)收稿日期:2004-02—27通讯作者:张金平作者简介:张金平(1

7、979一),男,云南永胜人,在读博士,2004年于电子科技大学获工学硕士学位,师承杨仕清教授,从事磁性材料及器件研究.28助图3中(a)和(b)分别为基片倾斜0.和60.溅射获得的薄膜沿基片短轴方向断面的SEM图从图中可以看出:经直流磁控溅射制备的非晶态TbFe薄膜具有明显的柱状微结构;倾斜60.溅射获得的薄膜与倾斜0.获得的的薄膜相比形成的柱状微结构是倾斜的,而且倾角较大;薄膜的柱状微结构的取向与粒子柬的入射方向之间基本栅足正切关系:t一÷tg(1)(1)式中:口为柱状微结构柱轴线的取向与基片

8、法线方向的夹角,.为人射粒子束与基片法线方向的夹角薄膜柱状微结构的形成是由于溅射过程中薄膜的淀积长大并不是各向同性的,同时在淀积过程中存在自遮蔽现象.2005年第l期(35)卷田3薄膜沿基片短轴方向断面的SEM图Fig3Scanningelectronmierographsofthecrosssee—lionofthefilmsalongshortaxisofsubstrates图4为不同基片倾斜角度0制备的TbFe薄膜磁滞回线图,图5为矫顽力H和剩磁比M/^疋与基片倾斜角度的关系图.从图5可以