（凝聚态物理专业论文）mnzn铁氧体薄膜的结构及磁性.pdf

兰州大学硕士论文摘要 摘要 半导体集成技术的发展迫切要求电子元器件向小型化、平面化方向发展， 以致于块体材料远不能满足发展的需要，部分器件将由三维材料向二维材料 发展，例如平面薄膜电阻、电容、电感等。目前平面薄膜电感多采用金属及 金属合金材料，但由于金属及金属合金具有高导电性的内禀特点，在高频应 用时会产生较为严重的涡流损耗和趋肤效应，使其应用频率范围受到一定限 制。鉴于此，探索和研究具有高电阻率的铁氧体材料成为解决高频磁性材料 的途径之一。 本论文中着重研究了一种极具发展潜力的用于高频的薄膜电感材料：铁 氧体薄膜材料帅一z n 铁氧体薄膜。块体材料m n z n 铁氧体的电阻率高、软 磁性能好、使用频率宽适于作高频软磁材料。目前对于晡n z n 铁氧体薄膜 材料存在的主要问题就是饱和磁化强度鼢较块体材料低，矫顽力施较块体 材料高。因此在这里我们致力于解决的问题是尽量提高薄膜的饱和磁化强度 眙、降低矫顽力舱，使其性能尽量与块体材料接近。 1 m n 铁氧体薄膜 采川刺频溅射方法制备了m n 铁氧体溥膜，研究了热处理过程及溅射氧分 压对薄膜微结构和磁性能的影响，主要结论如下： a 沉积态薄膜为非晶态，在低真空中经过不同温度热处理后，得到了晶 化的薄膜，并且5 5 0 左右晶化较为完全。 b 随热处理温度的升高，低于5 5 0 时饱和磁化强度眙增加矫顽力 h c 下降。 c 适当延长热处理时间有利于薄膜晶化更加完全，改善了游膜的磁性 能。 d 研究了溅射氧分压对其性能的影响，综合饱和磁化强度肟、矫顽力 胞两方面考虑。找到溅射时最合适的氧分压为5 。 2 m n z n 铁氧体薄膜 采j1 1i g n f e ：0 。和z n f e ：0 靶交替溅射法制备了骱一z n 铁氧体薄膜，主要讨 兰州大学硕士论文 论了薄膜成分、薄膜制备过程、衬底层等因素对薄膜磁性能和微结构的影响 得到了以下丰要结论： a 对于成分为mn 1 z nf e = 0 的铁氧体薄膜，发现随z n 含量的增大，饱和 磁化强度眙先增大而后减小，且当x - - 0 4 0 时，胎有最大值为 4 2 0 k a m i 矫顽力肋随z n 含量的增大单调减小。 b 对n 。5 z n o 。f e = 0 。薄膜，随热处理温度的升高饱和磁化强度眙增加而 矫顽力肋下降。并在5 5 0 。c 时有最高的饱和磁化强度肟和最低的矫 顽力舱。 c 研究了溅射过程中氧分压对薄膜磁性能的影响。找出了最合适的氟分 压为5 ( 压强比) 。 d 研究了薄膜厚度对不同成分薄膜磁性能的影响，表明大于3 0 0 n = 后薄 膜磁性能变化不大。 e z n f e ：0 衬底层的使用，使薄膜的磁性能得到了大大改善，表明z n f e 2 0 , 不仅可以阻止薄膜与基片之间的扩散，还可以有效降低矫顽力船， 是一种较好的衬底层。 兰州大学硕士论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i r c u i ti n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n i c d e v i c e ss u c ha sc a p a c i t o r s ，r e s i s t o r sa n di n d u c t o r sw i l lb ed e c r e a s i n gi ns i z ea n d d i m e n s i o n s b u l km a t e r i a l sc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s m a g n e t i ct h i nf i l m s w i t h h i g hm s i s t i v i t yw e r e a d v a n c e df o ra p p l i c a t i o n st o m i c r o i n d u c t o r sa n d m i c r o - t r a n s f o r m e r s m e t a l a l l o y sh a v eh i g hc o n d u c t i v i t y a n ds e r i o u se d d y c u r r e n c yl o s sf o rh i g hf r e q u e n c i e ss ot h a tt h e i ra p p l i c a t i o n sa r el i m i t e d s oas o f t f e r r i t et h i nf i l mi soneo ft h ep r o m i s i n gc a n d i d a t e sa p p l i e da taf r e q u e n c yo f s e v e r a lg h zb e c a u s eo fi t sh i g hr e s i s t i v i t y i nt h i sp a p e rw er e p o r tt h es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h i nf i l m so fs p u t t e r e d m n - z nf e r r i t ed e p o s i t e do ns is u b s t r a t e s t h eb u l km n z nf e r r i t ei sa g o o ds o f t m a g n e t i cm a t e r i a lu s e df o rh i g hf r e q u e n c i e s h o w e v e r , f o rf e r r i t ef i l mm a t e r i a l s t h em a i nd i f f i c u l t i e sa r et h a tf e r r i t ef i l m sh a v el o w e rs a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nm s a n dh i g hc o e r c i v i t yh c ，w h i c hi sc o m p a r a b l et ot h eb u l km a t e r i a l s s ow ef o c u s e d o ni m p r o v i n gt h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nm sa n dc o e r e i v i v yh co f t h ef i l m s 1 m n f e 2 0 4f i l m s t h em n f e 2 0 4f i l m sw e r of a b r i c a t e du s i n gr fs p u t t e r i n gt e c h n i q u e w eh a v e s t u d i e dt h ee f f e c t so fa n n e a l i n gp r o c e s sa n do x y g e np r e s s u r eo nt h em a g n e t i c p r o p e r t i e sa n d s t r u c t u r eo f t h ef i l m s t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： a t h ea s d e p o s i t e df i l m sw e r ea m o r p h o u s b u ta f t e ra n n e a l i n gi nt h e e v a c u a t e df u m a c ew i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，c r y s t a l l i n ef e r r i t ef i l m s w e r eo b t a i n e d i np a r t i c u l a r , t h ea n g l eo f t h e ( 3 1 1 ) x r a yd i f f r a c t i o np e a k o f af i l ma n n e a l e da t5 5 0 cf o r9 0 m i na l m o s ta g r e e dw i t ht h a to f t h e ( 3 1 1 ) r e f l e c t i o nf r o mt h es p i n e ls t r u c t u r eo fm n - z nf e r r i t e b w i t ht h e i n c r e a s i n g o f a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，t h e s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nm si n c r e a s e dw h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew a sb e l o w 5 5 0 0 c c a n n e a l i n gf o rl o n gt i m ep r o p e r l yc a l lm a k et h ef i l m s c r y s t a l l i n eb e t t e r 兰州大学硕士论文 摘要 a n dc a ni m p r o v et h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f t h ef i l m s d t h ee f f e c t so fo x y g e np r e s s u r eo nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ef i l m s w e r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n d i c a t e dt h a to x y g e np r e s s u r es h o u l db er e m a i n e d a t5 2m n z nf e r r i t ef i i m s m n - z nf e r r i t ef i l m sh a v eb e e np r e p a r e db ya l t e r n a t e l ys p u t t e r i n gm e t h o d t h e e f f e c t so f f i l mc o m p o s i t i o n ，p r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sa n du n d e r l a y e ro nt h e m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dt h es t r u c t u r eo ft h ef i l m sw e r ed i s c u s s e d 1 1 1 eo b t a i n e d r e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： a f o rm n l x z n x f e 2 0 4f i l m s ，t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nm si n c r e a s e d f i r g l ya n dt h e nd e c r e a s e d , b u te o e r e w i t yh cd e c r e a s e dm o n o t o n o u s l y w i t ht h ei n c r e a s i n go fz nc o n t e n t a t 工20 4 0m ss h o w e dam a x i m u m 4 2 0 k a m b f o rm n 05 z n os f e 2 0 4f i l m s ，t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nm si n c r e a s e d a n dc o e r e i v i t yh cd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew a sb e l o w5 5 0 0 c i np a r t i c u l a r l y , w h e n t a _ 5 5 0 0 ( ：m sh a dt h em a x i m u ma n dh ch a dt h em i n i m u m c t h ee f f e c t so fo x y g e np r e s s u r eo nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ef i l m s w e r ed i s c u s s e d i tw a ss h o w nt h a to x y g e np r e s s u r es h o u l db er e m a i n e da t 5 d t h ee f f e c t so ft h i c k n e s sdo nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ef i l m sw i t h d i f f e r e n tc o m p o s i t i o nw e r ed i s c u s s e d w h e nd 3 0 0 n mt h em a g n e t i c p r o p e r t i e so f t h e f i l m s d i dn o tc h a n g eo b v i o u s l y e b yg o m p a r i n gt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f t h ef i l m sd e p o s i t e do nz n f e 2 0 4 u n d e r l a y e rw i t ht h a to ft h ef i l m sw i t h o u tz n f e 2 0 4u n d e r l a y e r ，i ts h o w e d t h a tz n f e 2 0 4w a sag o o da n d e f l a y e r ，w h i c hn o to n l yc a ni m p e d et h e d i f f u s i o nb e t w e e nm a g n e t i cl a y e ra n ds u b s t r a t e ，b u ta l s oc a nd e c r e a s et h e c o e r e i v i t yh co f t h ef i l m s 原创性声明 y7 3 2 0 ( j z 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童d 生 日期：型篮。坠 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：刘客导师签名：拯日期：丝! ：! ：! ? 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 第一章绪论 生活在当今这样的信息时代，电子产品已经成为人们牛活中不可缺少的 重要组成部分。电子系统向高集成度、高复杂方向的发展，也为满足电子系 统的表面贴装技术、微组装技术发展的需要，势必要求在更小的耩片上集成 更多的元器件，对器件片式化、小型化、微型化的要求越来越高，即半导体 集成技术的快速发展迫切要求电子元器件向小型化、集成化方向发展，部分 器件将由三维的体材料向二维的薄膜材料发展。由于薄膜很薄，加之结构因 素和表面效应，会产生许多块体材料不具备的新特性、新功能。例如微波及 毫米波器件、可调滤波器、限幅器等器件使用了单晶外延薄膜；高密度、大 容量的薄膜磁记录介质、薄膜型磁头、磁传感器及薄膜电感器等都需要膜厚 均匀且具有合适电、磁性能的薄膜。作为最重要的磁性元器件之一的电感， 它不仅在滤波电路、扼漉圈、天线中必不可少，也是构成变压器的基本组成 单元，其片式化、薄膜化将带动磁性元件向小型化发展，故其片式化、薄膜 化势在必行。然而对于平面电感的设计和研究历史并不是很长，首次对平面 薄膜电感设计和制备的尝试大概源于3 0 年代以前【1 】，其薄膜电感磁性层介 质多采用金属或金属合金材料，但由于金属及金属合金具有高导电性的内禀 特点，在高频应用时会产生较为严重的涡流损耗及趋肤效应以致其使用频率 范围受到一定的限制，所以很难将金属及金属合金介质的使用频宽进一步拓 展。而提高工作频率面临的主要问题是降低高频工作条件下的能量损耗，其 有效途径是提高电阻率。因此，探索和研究具有高电阻率的磁性材料就被提 上日程。而电阻率高的铁氧体磁性材料可以大大降低高频下涡流损耗，因而 成为解决高频磁性材料的途径之一。本论文中我们将致力于一种具有发展潜 力的高频平面电感用铁氧体薄膜材料的研究。 1 1 平面薄膜电感的发展历史及现状 首次对平面薄膜电感设计和制备的尝试源于3 0 年代以前【1 】。s a i e h 和 q u r e s h i 采用坡莫合金制备了方螺旋型( s q u a r es p ir a i ) 薄膜电感，其q 值约 为1 8 ，使用频率达i o m h z 2 ；s o o h o o 等人对薄膜电感的绕线和磁芯的设计 作了系统研究【3 】。在过去的1 5 年里，主要致力于制备高效率的i c 兼容磁性 薄膜电感使其频率范围由1 一i o u h z 提高到1 0 0 - - 1 0 0 0 b i z 1 。s h i r a e 等人设 兰州大学硕士毕业论文 第一章绪论 计了几种不同结构的薄膜电感，但是由于薄膜层间电容的缘故其q 值约为1 ， 频率范围也只有几十i h z 4 】。y a m a g u c h i 等人将薄膜电感设计成回纹型 ( m e a n d e r s ) 和螺旋型( s p ir a i s ) 结构，其q 值为2 3 ，频宽也扩展到i o o m h z 5 ， 6 】。k o r e ni v s k i 和v a nd o v e r 采用坡莫合金和c o - 一z r 合金作为磁性介质 层，使频率范围拓展到2 5 0 m h z ，其q 值为2 ，另外s h i r a k a w a 等人制得了频 率范围l o l o o m h z 、q 值为1 0 1 5 的电感器【7 ，8 ，9 】。i ；i 前大多制成厚膜 螺旋结构的电感器，例如美国报道的薄膜电感器其电感量为1 1 2 0 0 。q 值为1 0 0 ，使用频宽为o 5 1 5 i h z 。而且近十年来日本东芝公司、t d k 公司、 e t 本t o h o k u 大学、贝尔实验室、美国斯坦福大学等著名研究机构在这一领域 已进行了一系列基础性研究和相关实用化产品的开发，并已取得了较为显著 的成果。而在国内，对此领域的研究还基本处于实验阶段。目前，就其介质 材料而肓，平面薄膜电感的磁性介质材料多采用金属及金属合金，但是由于 金属磁性材料电阻率低，在高频应用时会产生较为严重的趋肤效应及涡流损 耗，其使用频率很难得到突破性提高用阻满足g h z 范围内的使用要求。因此， 迫切需要能应用于高频并有低损耗的磁性材料，为提高平面薄膜电感高频工 作性能，在介质的选材上应进行新的探索和研究。而铁氧体材料基本上是绝 缘体，电阻率高、涡流损耗小，所以探索高电阻率的铁氧体磁性材料，成为 解决高频磁性材料的途径之一。 1 2 平面薄膜电感简介 平面薄膜电感作为电感的一个新的发展方向，对其的研究和开发是相当 重要的。利用它不仅可以实现电感器的平面化，而且也是射频通讯电路实现 片上系统的关键。到目前为止，就其结构和类型而言，薄膜电感主要有以下 几种： 编织结构型电感 编织结构型电感的结构如图1 2 1 所示。这种电感的磁芯为c o f e s i b 材料，采用r f 磁控溅射的方法在光敏微晶玻璃基片上制成。 由于采用这种编织结构，使得电感的结构更为紧密，在单位体积内可获 得更高的电感；并且磁芯闭合使得磁路闭合，漏磁大大减小，这样可以使电 感量大大提高；另外由于其结构特点，整个电感采用了无数多个薄膜磁芯， 兰州大学硕士毕业论文 第一章绪论 各自分离的磁芯使随频率增高而增大的涡流不能形成整体的闭合回路，有效 地抑制了涡流损耗，使电感的品质因数q 得到了一定的提高。但其制作过程 复杂、工艺难度高，重复性不太好。 一 西亘匦 辫团囝鄹 图1 2 1 编织型电感结构图 由日本t o h o k u 大学研制的这种编织型薄膜电感，其尺寸为2 3 2 3 m m ， 在i o o m h z 附近其品质因数达到最大值，电感量为4 0 5 0 n h ，比其空芯电感 ( 3 0 n h ) 有了大幅的提高。 另一种结构的编织型电感其磁芯采用若干超细软磁丝线，线圈采用若干 细铜丝，以平行的非晶丝带为经，平行的铜丝为纬构成编织状。构成这种电 感磁芯的超细非晶丝带可通过化学刻蚀方法得到，刻蚀液稀h n o , 要控制在较 低的温度，并由刻蚀时间长短来决定非晶丝带的直径大小，因而工艺难度较 高，重复性较差，目前尚处于实验阶段。 ”之“字形薄膜电感 图1 2 - 2 “之”字型薄膜电感绕线 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 ”之”字型电感是下述螺旋型薄膜电感的变形，其绕线如图1 2 2 所示， 这种线圈具有众多的转角，增大了有效面积，大大地节省了空间，从而使单 位面积内的电感量大大增高。但随着转角的增多，导线长度随之增长，进而 导致电阻增大，使q 值有所下降。 螺旋线圈型薄膜电感 螺旋线圈型薄膜电感是最常见的一种薄膜电感，是目前有芯与无芯电感 的主要绕线形式。磁芯可选用c o n b z r 、f e t a n 、f e s i a i 等磁性薄膜材料。其 绕线采用掩膜或光刻，易于实现，因此是各种薄膜电感中研究最广泛的一种。 其结构如图1 2 3 所示，具体制作方法如图1 2 - 4 所示。 画 图1 2 - 3 螺旋线圈型薄膜电感 图1 2 - 4 薄膜电感制作流程 日本富士电气公司 1 0 1 6 将上述结构的平面电感集成到一微型 ( 4 5 m m ) d c d c 开关电源上，在开关频率为3 m h z 时，得到功率密度为 5 6 w c m 3 ，转换效率为8 0 的优良性能。对于该种结构还可采用磁控溅射与离 子刻蚀相结合的方法，使磁芯与导线具有相同的形状，这样可以大大减小漏 感，使电感量有大幅的提高 1 7 ，1 8 ，但其工艺难度高。 螺旋型薄膜电感具体有以下几种结构： 夺螺旋型和回纹型( s p ir a i sa n dm e a n d e r s ) 1 9 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 夺平面螺旋型( p i a n a rs o i e n o i d s ) 【2 0 】 夺三明治型( s a n d w i c h e ds t r i p ) 2 1 】 夺双螺旋型( t w i ns p i r a lt y p e ) 【2 2 】 夺双螺旋三明治型( s p ir a is a n d w i c h e dt y p e ) 【2 1 】 夺v 槽型( v g r o o v et y p e ) 2 3 对于三明治螺旋结构( s a n d w i c h e ds p i r a i s ) 电感器，其主要优点是存在 一套较为完善的制备工艺：缺点是在磁性层之间嵌入导线时需要一层绝缘层 而导致层间电容的存在，以致极限频率为1 g h z 很难进一步提高。平面螺旋 ( p i a n a rs o l e n o i d ) 电感器，其优点是制各工艺成熟，可以通过改变磁芯的厚 度控制涡流效应：缺点是电容较大、复杂的绕线结构可能会降低品质因数q 。 带状三明治( s a n d w i c h e ds t r i p ) 电感器，特点是制备简单、磁性层产生的磁 场大部分位于面内，涡流效应可通过改变磁性层的厚度控制。 轴) ( c )( d ) ( a ) ( b ) 为两刺r 丛率类型的警街 b 惑 ( c ，一i ，碰鲧旋型( d ) v 措受 p c b 板上制作的双面耦合薄膜电感 前面几种薄膜电感均为单面，我们利用p c b 板制版的优势可制作双面耦 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 合电感，其基本绕线形式为螺旋形( 图1 2 - 3 ) 。由于在p c b 板上制作线圈比 采用光刻、离子刻蚀等方法简单、方便，且成本低；而且由于可以制作双面 板、多层板。不但可以增大电感之间的耦合度，还可以在单位面积内获得比 单面高2 倍的电感量，因而对于在更小的平面内获得更大的电感是一条极有 利的途径。我们在7 x 7 m r n 的p c b 板上制作出了线宽为0 2 咖、线间距为0 2 5 1 1 的薄膜电感，其电感量在i o o m h z 时可达到3 0 0 n h 左右，比单面板的几十n h 高出了许多。但由于p c b 板的平整度、光洁度都不如s i 基片和光敏微晶玻璃 基片，造成了膜的附着性不太好，进而影响电感量和品质因数的进一步提高。 以上各种薄膜电感器都有其利弊，我们可以根据实际需要选择符合要求 的电感形式，以获得满足应用要求的电感。我们相信随着薄膜技术的发展， 以及通讯频段向高频扩展的需求，薄膜电感必将在移动通讯、阻抗匹配器、 笔记本电脑、集成控制i ) c d c 变换器等领域得到广泛的应用。 在短短的几十年中，为提高平面薄膜电感性能进行了大量的研究和尝 试，但突破g h z 范围内的要求面临的主要问题是降低高频工作条件下的能量 损耗。铁氧体材料具有高电阻率的内禀特点，可以大大降低高频下的涡流损 耗。铁氧体材料能否像金属材料一样在应用上一展风采，通过科学工作者们 坚持不懈的努力以期在不远的将来会有许多的创新。 1 3 对薄膜电感磁性层介质的要求 从以上我们知道，为了改善薄膜电感的高频工作性能，无论在介质的选 择上还是结构的设计上都在不断地进行研究和探索。图1 - 3 - 1 为平面薄膜电 感截面结构的示意图，而薄膜电感的性能攸关于薄膜电感的核心部分一磁性 层介质，面临的主要问题是降低磁性层介质在高频条件下的能量损耗。对薄 膜而言，高频情况下的能量损耗主要是磁滞损耗和涡流损耗。薄膜磁滞损耗 与畴壁移动及磁矩转动有关而且是频率的非线性函数，分析较为复杂，可以 参看文献【2 4 】。但与块体材料相似，降低高频下的磁滞损耗要求磁滞回线面 积小，最有效的方法是降低矫顽力c o 降低矫顽力胞要求介质含杂质和缺 陷少，应力小且磁晶各向异性和磁致伸缩系数小，饱和磁化强度肟高，其中 后三项主要由化学成分控制，而其它主要由微结构控制 2 5 】。与涡流有关的 有效磁导率为： 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 p = 概 ( i - i 1 0 4 ，用于宽频带变压器、低频变压器、小型环形脉冲变压器和微型电 潞( 2 ) 低赚黼桃槲高舳低肛( 一硼j l - - j 2 ) a ”( 矿丛云丝石i ) 值，用于中频载波机，高频、甚高频调谐电路，扫频 电路与集成电路组装的通信用滤波器。( 3 ) 高频大磁场用材料，在磁通密度变 化幅度很大的情况下o 值很高，在偏置场作用下，变化大，用于质子同步加速 器及高频加速器中的调谐磁芯、小型电感器，作为发射机终端的级问耦合变 压器，用作跟踪接收机的高功率变压器。( 4 ) 高饱和磁感应强度低功率材料， 用于开关电源、电视机偏转磁芯及u 型磁芯。( 5 ) 甚高频六角铁氧体，使用频 率高、频带宽、磁导率随磁场变化大，用于宽频带变压器磁芯、电视扫描接 收机之扫描磁芯等。 目前国际上批量生产最主要的铁氧体材料包括骱一z n 铁氧体、n i - z n 铁 氧体，其次是l i z n 、n i c u z n 铁氧体等。帅一z n 铁氧体其电阻率可达1 0 5 q 珈 以上，适于作高频软磁材料；而且使用频率高、频带宽可以满足作为高频无 线电电路磁芯的要求，但作为软磁介质也有缺点，饱和磁化强度联低，这对 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 于用来作为转换或储存能量的磁芯是不利的，就其磁导率而言较金属及金属 合金稍低。 1 4 1 尖晶石铁氧体分子结构 骱一z n 铁氧体就其晶体结构来说属于尖晶石型铁氧体，属立方晶系，空 间群为o 一( f 3 d m ) 【2 9 ，其化学分子是可用x 2 + y 2 3 + m 2 ( 或( a ) 【嘲0 ) 表示。 氧离子作面心立方密堆积，存在四面体位( a 位) 和八面体位( b 位) 两类间隙 ( 如图1 - 4 1 所示) ，单位晶胞含有8 个分子即8 ( ) ( y 鼽) ，3 2 个氧原子共组 成6 4 个四面体位，3 2 个八面体位，但仅有部分间隙被金属阳离子占据。图 1 4 2 给出了两个相邻1 8 晶胞的离子分布，凡氧离子均处于1 8 晶胞的体 对角线的1 1 4 处，a 位离子处于四角及中心处，b 位离子处于与氧离子相辅的 体对角线1 1 4 处。整个晶体可由这两个1 8 晶胞平移得到，凡以面相隔的相 邻1 1 8 晶胞其离子分布不同，以边相隔的离子分布相同 3 0 3 2 。不同金属离 子对a 位和8 位问隙的占有情况不同，一般其离子分布可写为 ( x “y ，一? ) 【x 1 1 2 y ，? + 】0 4 ，影响离子分布因素很多如温度、离子半径、离子问相 互作用等。对于锌铁氧体，z n 2 + 倾向于占a 位a p ( z n ) f e 2 】0 ；锰铁氧体，理 论上m n 2 也倾向于占a 位即( t n ) 【f e 2 仉，而采用( u n o 。f e qz ) 【_ n oz f e m 】0 这 种离子分布的分子磁矩和实验值符合的最好 3 1 】；对于锰锌铁氧体，z n “、m n 2 + 比f e ”更倾向于占据a 位，故易形成双组分正型尖晶石结构( 骱，z n n ) f e z 0 。 ( a ) 四面体位 图1 - 4 1 铁氧体四面体位和八面体位 ( b ) 八面位 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 图1 - 4 2 尖晶石铁氧体晶体结构示意图 1 4 2 尖晶石铁氧体磁性 铁氧体磁性起源有三个：( 1 ) 未成对的3 d 电子；( 2 ) 相邻金属离子间的 超交换作用：( 3 ) a 和b 晶位数不等价。铁氧体中由于轨道角动量冻结，其 原子磁矩主要由自旋提供。饱和磁矩是铁氧体磁性材料各种物理特性的基础， 饱和磁矩的大小取决于铁氧体的结构特性。铁氧体的磁性来源于没有抵消的 离子磁矩的反向排列。尖晶石铁氧体的磁化强度是由p a u t h e n e r 和g o it e r 用n e e l 理论给出的，晶格内存在a 位b 位两种次点阵，存在三种超交换作用 ( 所谓超交换相互作用就是阳离子之间的相互作用通过阴离子的激发态间接 形成) ：即a a 、a 。b 、b b 相互作用。其中a b 相互作用最强，根据n e e i 线性模型，强的a b 超交换作用导致a 位晶格与b 位晶格上阳离子磁矩彼此 反平行排列，而a 晶格内或8 晶格内的阳离子磁矩则彼此平行排列，因此其 分子总磁矩是a 位晶格与b 位晶格磁矩抵消后的净磁矩。 例如对于m f e ：0 。其离子分布为c f e 。【眠。f e 。】，分子磁矩可用下列方式 计算： ( - | l 阢。) 【。f e ，。】 - - - - 一 总的分子磁矩( 以玻尔磁子肋为单位) m = 【l o x + ( 1 2 x ) 扭。，图 e k k 萨 涨 洫 增 一 酊 x 久 b 似 a b o 下m上 兰州大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 - 4 3 为单一铁氧体分子磁矩理论值与实验值的对比，表明理论和实验符合 得较好说明超交换作用基本上正确的。 5 4 q3 导2 l 0 54321o h 1 f e c on ic u z n 图1 4 3 单一铁氧体_ f e 2 0 分子磁矩理论值与实验值之对比 ( 横坐标表示元素未成对电子数，纵坐标代表分子磁矩) 1 4 3 含z n 复合铁氧体磁性 单一铁氧体其性质有很宽的范围，为得到具有实际应用价值的铁氧体常 常加入其它组分构成复合铁氧体。多数复合铁氧体含有z n “，z n “为非磁性离 子，在尖晶石结构中，z n 2 占据 位的倾向非常强烈。加入z n 2 时将原来占据 位的离子挤到b 位上去，从而导致磁性发生变化。对于。z n 。f e ：0 假如离 子分布为( z n 。f e l 一。) 【，f e m o i ，根据f l e e l 理论其分子磁矩为 r r = 【1 0 x + o x ) l 如，可知厨随x 线性增加。图1 4 - 4 给出了峨z n 。f e 2 0 | 复合铁氧体不同z n 含量的分子磁矩理论值与实验值的对比，由图可以看出， 在z n 含量小于5 0 时实验值和理论值基本一致，而大于5 嘣时差别越来越大。 这是因为随着a 位非磁性离子z 矿的加入，导致a b 相互作用逐渐减弱，而 b b 相互作用开始上升为占支配作用的强作用力，导致b 晶格内离子磁矩反 平行排列从而使反铁磁性的倾向增大，因此z n 2 + 含量越大其分子磁矩反而越 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 小。对于z n f e ：o 其分子磁矩可表示为： ( z n “) f e 3 f e “】仇总分子磁矩为= o p e 一 对于含z n 复合铁氧体，随z n 含量的增加在一定范围内可以增加饱和磁 化强度肟；对于翻z n 铁氧体，在u n f e = o 单元铁氧体中融入非磁性z n f e ：0 | 后，z n 2 + 将取代_ n 2 + 优先进入a 位，原来处在a 位的一部分f e “被迫进入b 位， 从而使其净磁矩增大，宏观上体现为眙升高。但当z n 含量高于5 0 5 时，随 着z n 2 + 的增加，加交换作用将减弱，原来不起主要作用的陷交换作用增强成 为主要作用，因此处于b 位的磁性离子磁矩由平行态转化为自发反平行态， 使分子磁矩随z n 含量的增加而减小，导致饱和磁化强度鼢减小。另外随z n 含量的增加，磁晶各向异性降低因而导致矫顽力肋降低、初始磁导率增加。 但同时注意在增加z n 含量的同时，a b 相互作用将会降低，居里温度将会 下降 3 3 】，所以限制了z n 含量不能过高。 ： i 子 图1 4 - 4 含z n 复合铁氧体分子磁矩与z n 含量的关系 ( 取自g u i l l a u d ，1 9 5 1 ) 1 5 锰锌铁氧体材料的介绍 锰锌系软磁铁氧体主要是具有尖晶石结构的a m n f e 2 0 4 n z n f e , o 与少量 f e , o 组成的单相固溶体，用锰锌系铁氧体磁性材料做成的电感磁芯及磁性器 1 4 兰州大学硕士毕业论文 第一章绪论 件，应用频率从数百赫兹到几千兆赫兹，是最重要的软磁铁氧体材料，其产 量占了软磁铁氧体磁性材料总产量的6 0 以上，因此，锰锌铁氧体的发展更 为引人注意。 锰锌铁氧体材料主要分为高频低功耗铁氧体( 又称功率铁氧体) 和高磁 导率即高，铁氧体两类。 ( 1 ) 功率铁氧体 功率铁氧体的主要特征是在高频( 几百千赫) 高磁感应( 几千高斯) 的 条件下，仍旧保持很低的功耗，而且其功耗随磁芯的温升而下降，在8 0 左 右达到最低点，从而可以形成良性循环。功率铁氧体的主要用途是以各种开 关电源变压器和彩电回扫变压器为代表的功率型电感器件，用途十分广泛， 是目前产量最大的软磁铁氧体。 7 0 年代初，日本、欧洲厂商为适应开关电源市场的需要，开发出第一代 功率铁氧体，这类材料由于功耗较大，且使用时温升显著，故一般只用于 2 0 k h z 左右的民用开关电源。年代初，经改进的第二代功率铁氧体被开发 出来，其最大特点是呈现负温度系数功耗( 2 0 8 0 c ，随温度升高，功耗呈下 降趋势) ，能有效防止升温造成的电磁性能下降，且综合指标较好。8 0 年代 中后期，为适应高频开关电源的发展，国外又开发出高频功耗大幅降低、实 用频率一般可达1 0 0 5 0 0 k h z 的第三代材料，这类材料特别适用于频率为数 百k h z 的开关电源，现在被广泛应用于工业类的开关电源中。进入9 0 年代后， 由于信息技术对器件小型化、片式化的要求，第四代功率铁氧体又开发成功， 向着高频、低耗方向发展，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般可达 5 0 0 1 0 0 0 k h z ，可望满足显示器用回扫变压器等器件向小型化、高频化和低 损耗发展的要求，是今后功率软磁铁氧体的发展方向。 ( 2 ) 高磁导率铁氧体 磁导率是衡量软磁铁氧体材料性能的主要基本参数之一，通常将初始磁 导率( ui ) 大于5 0 0 0 的u n - - z n 铁氧体材料称为高磁导率铁氧体，高磁导率 铁氧体的主要特性是磁导率特别高，一般均达到1 0 0 0 0 以上，从而可使磁芯 体积缩小很多，适应元器件向小型化、轻量化放行发展的需要。另外为了满 足使用要求，这类高磁导率小磁芯的表面质量必须很好，平滑圆整，没有毛 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 刺，而且在其表面上必须涂覆一层均匀、致密、绝缘、美观的有机涂层，这 是一个技术难点。高磁导率铁氧体在电子工业和电子技术中是一种急需和应 用广泛的功能材料，可以做通讯设备、测控仪器、家用电器及新型节能灯具 中的宽频带变压器、微型低频变压器、小型环行脉冲变压器和微型电感元件 等更新换代的电子产品。真正意义上的高pi 软磁铁氧体材料，其ui 值应在 1 0 0 0 0 以上，这样才能满足通讯、计算机等l t 产业和电子整机对各种器件超 小型化、微型化的需求。 锰锌系软磁铁氧体薄膜材料的探索和研究1 日l n i 起步，处于实验阶段。目 前薄膜的磁性能与块体相比，远远不如块体材料，所以对锰锌系软磁铁氧体 薄膜材料的研究任重而道远。 1 6 兰州大学硕士毕业论文第一章绪论 参考文献： 【l 】t o s h i k a z ut a n a k a ，i e e et r a n sm a g n ，1 9 9 8 ，3 4 ：1 3 7 2 1 3 7 4 【2 】v k o r e n i v k s i ，j m a g n m a g n m a t e r2 1 5 2 1 6 ( 2 0 0 0 ) 8 0 0 8 0 6 3 1n s a l e h ，a h q u r e s h i ，e l e c t r o n l e t t 6 ( 1 9 7 0 ) 8 5 0 【4 】r f s o o h o o ，i e e et r a n s m a g n m a g 一1 5 ( 1 9 7 9 ) 1 8 0 3 5 】k k a w a b e ，h k o y a m a k s h i r a e ，i e e et r a n s m a g n m a g - 2 0 ( 1 9 8 4 ) 1 8 0 4 【6 】m y a m a g u e h i ，m m a t s u m o t o ，h o z h e k i ，k i a r a i ，i e e et r a n s m a g n 2 7 ( 1 9 9 1 ) 5 2 7 4 【7 】m y a m a g u e h i ，s a r a k a w a ，h ，o z h e k i ，y h a y a s h i ，k 工a r a i ，i e e et r a n s 。 m a g n 2 7 ( 1 9 9 2 ) 3 0 1 5 【8 】vk o r e n i v k s i ，r b v a nd o v e r ，j a p p l p h y s 8 2 ( 1 9 8 7 ) 5 2 4 7 f 9 】k s h i r a k a w a ，h k u m t a ，j t o r i u ，h m a t s