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1、第10卷增刊1中国有色金属学报2000年10月Vol.10Suppl.1TheChineseJournalofNonferrousMetalsOct.2000[文章编号]1004-0609(2000)Suppl.1-0266-05①超磁致伸缩薄膜材料及其应用谢海涛,斯永敏,杨德明,刘希从(国防科技大学材料工程与应用化学系,长沙410073)[摘要]超磁致伸缩薄膜是一种应用于微型机电系统及传感器的新型材料,它具有很高的机电耦合系数、较高的响应速度以及非接触式驱动等优点。对磁致伸缩薄膜的研究现状进行了综述,介绍了磁致伸缩薄膜的制备
2、方法,性能特征及应用前景。[关键词]超磁致伸缩;薄膜;材料[中图分类号]TM271[文献标识码]A[1]在微机电、微传感器等微型系统内用作驱动元其与衬底材料的结合力。件的材料有形状记忆合金、压电材料、超磁致伸缩调整薄膜成分有3种途径,1)制取成分连续变材料、电致流变材料等,其中超磁致伸缩薄膜(Gi-化的靶材,但这种方法成本很高;2)采用多靶共沉[2]antmagnetosrictivethinfilm,简称GMF)由于具有积技术,即利用多个单质靶同时溅射沉积于同一强的磁致伸缩效应、高的机电耦合系数、较高的响衬底材料上,这对设备
3、有特殊要求;3)在纯铁靶材应速度以及非接触式驱动等优点而倍受关注,在智上镶嵌一定数量的单质稀土金属条,通过改变稀土能结构材料中占有非常重要的地位。金属条的数量来调整薄膜的成分。此法较为简便,对微系统中使用的GMF,有如下的性能要求。但薄膜成分同时还受到镀膜时Ar压力的影响,因首先必须在低磁场下获得高的磁致伸缩系数λ,传为稀土金属与铁的相对原子质量不同,在铁靶上镶-5统磁致伸缩材料,例如镍的λ数量级为10,后来嵌的稀土金属条数量一定的情况下,薄膜中稀土含开发的稀土铁合金RE-Fe的λ可达10-3数量级,[3]量将随Ar压力的增加
4、而线性增加。故称超磁致伸缩材料。其次应具有软磁特性,即低1.2λ的测量[4]的剩磁和矫顽力。薄膜的磁致伸缩系数是通过悬臂梁法进行近年来,GMF的研究已成为一大热点。世界测试的。平行于膜面加直流磁场,由于磁致伸缩悬上许多学者在GMF的制备,组织结构优化,最佳臂梁发生弯曲,自由端将产生一位移ΔD,这个位[5]成分调整,尤其在提高低磁场性能方面做了大量的移可以用电容法测量,也可以用激光干涉法及光[2]工作,并取得了很大进展,同时也研制了多种应用杠杆法测量。薄膜的磁致伸缩系数λ可由式(1)[4]样机。计算:22ΔD(1-νf)Esds
5、λ=2(1)1GMF的制备与表征9lEfdf(1-νs)式中E,ν和d分为弹性模量、泊松比及厚度,下标s、f分别表示衬底和薄膜,l为梁的长度。若测1.1制备得ΔD与磁场强度的关系,则由式(1)可得到λ与目前均采用物理气相沉积方法制备GMF。把磁场强度的关系曲线,如图1所示。GMF沉积在适当厚度的衬底材料上,再以悬臂梁或膜片的形式用于微型驱动器。常用衬底材料有硅、石英、铍青铜和聚合物薄膜等,按设计要求加2GMF的性能及其影响因素工成数十至数百微米厚的薄片。镀膜主要采用磁控溅射法,包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。镀膜2.1成分对性
6、能的影响时样品托盘可用水冷或加热,以调整薄膜的晶态及TbFe2,SmFe2分别是正磁致伸缩及负磁致伸①[收稿日期]2000-06-28;[修订日期]2000-07-31[作者简介]谢海涛(1965-),男,博士.第10卷增刊1谢海涛,等:超磁致伸缩薄膜材料及其应用·267·情况下要求易磁化方向平行于膜面。磁致伸缩是材料通过变形降低磁晶各向异性能和弹性能,使总能量降低的过程。当薄膜中存在应力,将使总能量发生变化,从而薄膜的磁致伸缩性能也将发生变化,如图1所示。考虑一立方单晶铁磁体,其最小弹性[13]能为32E=-σλscosα(
7、2)2式中σ为薄膜内应力,α为磁化强度与内应力的夹角。易磁化方向取决于薄膜内应力与饱和磁致伸缩系数乘积的符号,取正值时薄膜的易磁化方向平行于膜面,负值时薄膜的易磁化方向垂直于膜面。对图1不同应力状态下TbDyFe薄膜的于正磁致伸缩的Tb基薄膜,拉应力使易磁化方向磁致伸缩性能对比平行于膜面,而对于负磁致伸缩的Sm基薄膜则需Fig.1Comparisonofin-planemagnetostriction压应力才能使易磁化方向平行于膜面。ofTbDyFefilmsundersameconditionwith薄膜的内应力状态可通过改
8、变工艺条件,选用differentstress不同膨胀系数的衬底[14,15]以及后续热处理进行调[11][6]整。例如在较高的温度下镀膜,然后迅速冷却至缩典型材料,TbxFe1-x,SmxFe1-x在相当大的成分范围内均具有超磁致伸缩性能。研究发现材料室温,由于薄膜与衬底具
