（材料物理与化学专业论文）tbdyfefeni多层膜及其与光纤复合结构的制备和磁敏性能研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文研究了t b d y f e f e n i 多层膜的磁性能，着重分析了多层膜的磁致伸缩性能，并 使多层膜与光纤结合，对t b d y f e f e n i 多层膜光纤的磁探测性能进行了理论分析及实验 测试。 采用直流磁控溅射工艺，在单晶硅片上镀制f e l - x n i 。薄膜、t b d y f e 薄膜和 t b d y f e f e l - x n i 。多层膜。利用x 射线衍射( x r d ) 、扫描电境( s e m ) 及能谱对薄膜的结 构、成分和微观形貌进行分析。分析表明：薄膜内部成分相当均匀；制备的t b d y f e 薄膜 具有非晶组织结构，f e h n i x 薄膜为晶态结构，t b d y f e ，f e i _ 、n i 。多层膜结构为t b d y f e 薄 膜和f e n i 薄膜的叠加。对薄膜磁性能研究发现，随着x 值的增大，f e l 小i 、薄膜的软磁性 能增强，t b d y f e 薄膜易磁化方向垂直于膜恧，而t b d y f e f e i - x n i 、多层膜和f e h n i x 薄膜 的易磁化方向平行于膜面，f e l x n k 薄膜的引入，使得多层膜的饱和磁场强度降低，软磁 性能增强。对薄膜的磁致伸缩形变测试发现，t b d y f e f e n i 多层膜的磁致伸缩性能远远大 于t b d y f e 薄膜的磁致伸缩性能，多层膜的磁致伸缩性能与f e n i 膜层和t b d y f e 膜层的 厚度有关其大小随着f e n i 膜层和t b d y f e 膜层厚度的减小而增加：另外，外加磁场下 镀膜和进行一定温度真空热处理能有效地提高多层膜的磁致伸缩系数。 利用t b d y f e f e n i 多层膜光纤复合结构模型，研究多层膜光纤复合结构的磁一机光 耦合关系以及影响因素；建立多层膜光纤磁敏传感唯象模型，对复合结构进一步探讨。 并缛出：多层膜厚度和磁致相位之问的关系，研究发现两个模型结果在较低磁场下是相吻 合的。利用a n s y s 分析软件对t b d y f e f e n i 多层膜光纤结构进行模拟计算，得出了光 纤磁致相位和薄膜厚度的数值关系，其变化趋势和前两个模型结果一致，同时计算了外界 磁场对光纤磁致相位影响大小。 制备t b d y f e f e n i 多层膜光纤复合结构。采用马赫曾德尔干涉仪，对t b d y f e f e n i 多层膜光纤传感系统的磁探测性能进行了实验测试。结果表明：在调制频率为4 7 0 0 h z 附近，传感系统对磁场具有最大的信号响应：在磁场强度较小的情况下，系统响应信号大 小随调制磁场强度和直流磁场线性增加；传感系统可探测的最小磁场为2 3 4 1 0 “m ， 其数值大小和a n s y s 模拟结果相吻合。并实验论证了增加薄膜厚度能够有效提高系统的 灵敏度。 关键词：磁控溅射，磁致伸缩，马赫一曾德尔干涉仪，磁传感器，有限元方法 第1 页 国防科学技术丈学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h em a g n e t o s t f i c t i o ni nt b d y f e f e n im u l t i l a y e r sp r e p a r e db yd cm a g n e 圩o ns p u t t e r i n gi s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h ep u r p o s ei st of i n dan e ww a yt oi m p r o v et h em a g n e t o s t r i c t i o no f t b d y f ef i l m s a tt h es a m et i m e ，t h ef i b r e o p t i cm a g n e t i cs e n s o rs y s t e mb ym e a n so f t b d y f e f e n im u l t i l a y e rc o a t i n go nt h ef i b e ri sa l s od e m o n s t r a t e da n d t od e t e c tw e a km a g n e t i c f i e l d s t h r o u g ht h ea n a l y s e st ot h es t r u c t u r e ，a t o m i cc o n t e n ta n ds u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ef e n i f i l m s 、t b d y f ef i l m sa n dt b d y f e f e n im u l t i l a y e r sd e p o s i t e do ns is u b s t r a t e sb yx r a y d i f f r a c t i o n ，e n e r g ys p e c t r u ma n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，r e s p e c t i v e l x t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s t h e f e n i f i l m s a r e c r y s t a l w h i l e t h e t b d y f ef i l m sa r ea m o r p h o u s t h em i c r o s t r u c t u r e o f m u l t i l a y e r si s m a d eu po ff e n ic r y s t a la n dt b d y f ea m o r p h o u s ，t h ei n v e s t i g a t i o no nt h e m a g n e t i cp r o p e r t i e ss h o w st h a tt h ee a s ya x i lo ft b d y f ef i l m si sv e r t i c a lt ot h es u r f a c e ，w h i l e f e n im o n o l a y s a n dt b d y f e f e n im u l t i l a y e r s a r ep a r n l e lt ot h es u r f a c et h ec o e r c i v ef o r c eo f t h ef i l m si sd e d u c e dl a r g e l yt h es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sa r eb o o s t e da sar e s u l to ft h ea d d i t i o n o ft h es o f tm a g n e t i cf e n if i l m st h em a g n e t o s t r i c t i no ft h em u l t i l a y e r si s s u p e r i o r t ot h e t b d y f ef i l m sa n di n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s eo ft h i c k n e s so ff e n if i l m s t h em a g n e t o s t r i c t i o n o fm u l t i l a y e r sp r e p a r e du n d e rt h ea d s c i t i t i o u sm a g n e t i cf i e l da n da n n e a l i n gc a nb ei m p r o v e d t h em a g n e t i c m e c h a n i c a l o p t i c a lt r a n s f e rr e l a t i o n si nt h e o p t i c a l f i b r ec o a t e dw i t h t b d y f e f e n im u l t i l a y e r sa n dt h ei n f l u e n c e so ni ta r ed e m o n s t r a t e dw h e ni ti se x p o s e dt o a p p l i e df i l e dp a r r e lt ot h ea x i a ld i r e c t i o n t h ec o n t r o lm o d e lo ft h es t r u c t u r eo ft b d y f e f e n i m u t i l e y e r s o p t i c f i b r e i sa l s oc o n s t r u c t e dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p h a s ed e l a yo ft i g h t p r o p a g a t i n gi nt h ef i b e ri sr e l a t i v et ot h et h i c k n e s so ft h ef i l m ，a n dt h ec o n c l u s i o n so ft h et w o m o d e l sa r e c o r r e s p o n d e d t h ea n a l y s i so ft h ec o m p o s i t es t r u c t u r eo f t b d y f e f e n i m u l t i l a y e s o p t i c f i b r eu s i n gt h ea n s y ss o f tw a r eh sb e e ns t u d i e d ，a n dt h ef i r f i t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o g r a mt h a tc a nb eu s et os e a r c hm a g n e t o s t r i c t i o ni nt h ef i l si sp r o v i d e d t h er e s u l t so f i ti n d i c a t et h a tt h et h i c k n e s so f m u l t i l a y e r sh a sd i r e c ti n f l u e n c eo nt h ec o u p l i n gr e l a t i o n s ，a n dt h e p h a s ed e l a yi nt h ef i b r ei n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gt h i c k n e s so ff i l m sa tt h es a m et i m e ，t h e m a g n i t u d eo fp h a s ei n d u c e db yd e f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d si sc a l c u l a t e d as e to ft b d y f e f i l m o p t i c a l f i b r es e n s o ri sd e m o n s t r a t e da n d t e s t e du s i n ga m a c h _ z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r i ti sr e v e a l e dt h a tt h es e n s o re x h i b i t st h el a r g e s tr e s p o n s e s a g a i n s t a p p l i e da cm a g n e t i cf i e l d sa tt h ef r e q u e n c yo fa b o u t4 7 0 0 h z t h e r ei sag o o dl i n e a r i t yb e t w e e n t h eo u t p u ts i g n a la n dt h ea cm a g n e t i cf i e l d ，t h es a m et od cm a g e t i cf i e l d s m i n i m u md e t e c t a b l e f i e l d so f2 3 4 10 4 a mi sd e m o n s t r a t e do v e rar a n g e0 k a mt o4 8k a mf o rt h ed cb i a s 第l i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 m a g n e t i c f i e l d t h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ev a l u eo fa n s y ss i m u l a t i o n t h e e x p e r i m e n t a t i o n sa l s oc o n f i r mt h a tt h es e n s i t i v i t yo fd e t e c t i n gs y s t e mc a nb ei m p r o v e db y i n c r e a s i n gf i l m st h i c k n e s s ，b u t i tl e a d st o d i s o r d e r l ya n du n s y s t e m a t i cr e l a t i o n sb e t w e e n r e s p o n s i v i t ya n df r e q u e n c yo f a cm o d u l a t e dm a g n e t i cf i e l d s k e y w o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，m a g n e t o s t r i c t i o n ，m a g n e t i cs e n s o r , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 国防科学技术火学研究生院学位论文 图目录 图i 1 光纤的磁致伸缩套层8 图1 2 光纤磁场传感臂的基本结构l l 图2l 磁控溅射真空镀膜室简图1 4 图2 2 外加磁场镀膜示意图1 5 图2 3 基片预加变形安装示意图1 5 图2 4t b d y f e f e n i 多层膜光纤复合结构制备装置图1 6 图2 5 磁致伸缩测量系统简图1 7 图31 薄膜的s e m 截面形貌1 9 图32f e h n i 、薄膜的x r d 衍射图谱2 0 图3 3t b d y f e 薄膜的x r d 衍射图像2 1 图3 4t b d y f e f e l x n i 、多层膜的x r d 衍射图谱2 2 图3 5f e n i 薄膜能谱2 2 图3 6t b d y f e 薄膜截面s e m 图像及膜表面微区域相应能谱2 3 图3 。7 t b d y f e 薄膜截面s e m 图像及膜中部微区域相应能谱2 3 图3 8t b d y f e 薄膜截面s e m 图像及膜底部微区域相应能谱2 3 图3 9f e 卜x n i 。( x = 0 3 0 ) 薄膜的磁滞回线一2 5 图3 1 0f ej x n i 。( x = 0 4 6 ) 薄膜的磁滞回线2 5 图3 1 1f e h 小i 。( x = 0 7 9 5 ) 薄膜的磁滞回线2 5 图3 1 2 单层t b d y f e 薄膜的磁滞回线2 6 图3 1 3t b d y f e f e h n i 、( x = 03 0 ) 多层膜的磁滞回线2 7 图3 1 4t b d y f e f e h n i 。( x = 0 4 6 ) 多层膜的磁滞回线2 7 图31 5t b d y f e - f e l 一、n i 。( x = 0 7 9 5 ) 多层膜的磁滞回线2 7 图3 1 6t b d y f e 薄膜弹性模量随磁场变化曲线2 9 图3 1 7 不同x 的t b d y f e f e i x n i 。多层膜的磁致伸缩系数3 0 图3 1 8 不同f e n i 膜层厚度的多层膜的磁致伸缩系数一3 l 图31 9 不同t b d y f e 膜层厚度的多层膜的磁致伸缩系数3 2 图3 2 0 不同膜层厚度的多层膜的磁致伸缩系数3 2 图3 2 l 不同退火温度处理条件下的多层膜的磁致伸缩系数一3 3 图3 2 2 外加磁场条件下溅射制备多层膜的磁致伸缩系数3 4 图3 2 3 外加应力条件下溅射制备多层膜的磁致伸缩系数3 4 图3 2 4 马赫- 曾德尔干涉型光纤磁传感器原理简图3 5 图3 2 5 光纤轴向及径向应变随薄膜厚度的变化关系图3 8 图3 2 6 光纤磁致相位位移随薄膜厚度的变化关系3 9 第i “页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 2 7 超磁致伸缩光纤复合结构轴向应变随薄膜厚度变化曲线4 2 图3 2 8 复合结构分析模型 图3 2 9 复合结构有限元分析模型形变图 图3 3 0 光纤轴向及径向应变随薄膜厚度的变化曲线 图3 3 1 光纤磁致相位位移随薄膜厚度的变化曲线 图3 3 2 光纤轴向及径向应变随磁场变化曲线 图3 3 3 光纤磁致相位位移随磁场变化曲线 图3 3 4t b d y f e - f e n i 多层膜，光纤磁敏传感臂的截面s e m 图像 图3 3 5 光纤马赫曾德尔干涉仪系统原理图 图3 3 6t b d y f e f e n i 多层膜磁致伸缩系数随磁场的变化关系 图3 3 7 干涉仪输出信号随调制磁场频率的变化图谱 图33 8 二1 _ = i 涉仪输出信号的时域图和频谱 图3 3 9 干涉仪输出信号随调制磁场频率的变化图谱一 图3 4 0 干涉仪输出信号随较小调制磁场强度变化关系曲线 图3 4 1 干涉仪输出信号随较大调制磁场强度变化关系曲线 图3 4 2 干涉仪输出信号随直流磁场变化关系曲线一 图3 4 3 干涉仪输出信号随调制磁场频率的变化图谱一 图3 4 4 干涉仪输出信号随调制磁场频率的变化图谱一 图3 4 5 干涉仪输出信号随调制磁场振幅的变化图谱 图3 + 4 6 于涉仪输出信号随调制磁场振幅的变化图谱 图3 4 7 干涉仪信号响应随直流磁场变化关系 第v 页 躬甜甜驰舶拍卯钉铝能柏n儿虬铊钇奶 ；| 一 一 一 一 一 l | | | 一 | | 国防科学技术大学研究生院学位论文 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：硒i 盘巡鲤噬吐蔓鳖薹鸽朔函勃鱼龇醚超r - 学位论文作者签名： 墨! 盈墨日期：卯可弘年，月胡日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 玉坦i 型连垒瞳固l 曼幽蔓全堡塑函盛壹叠盘鳌蝗醚鸳空 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 曼! 刍骂 掣一 日期：御婢f 月功日 日期：川年，月z 尹日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章前言 1 1 超磁致伸缩薄膜的研究及其应用 自从焦耳在1 8 4 2 年发现磁致伸缩效应以来，它一直是磁弹性领域中感兴趣的研究课 题。在外磁场作用下，磁致伸缩材料长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作 用下发生反复伸张与缩短，产生振动和声波，从而将电磁能转换成机械能和声能。因此 磁致伸缩材料在所有的磁性材料中起着重要的作用，并被广泛用于磁致伸缩元器件的开 发。磁致伸缩传感器技术的应用发展及其性能的改善取决于磁敏材料。目前新型磁致伸 缩材料的丌发速度已阻碍了其应用领域的扩展。对现有的超磁致伸缩材料进行成分的调 整、掺杂研究、相结构、磁结构转换或将磁致伸缩材料和其它材料的优异性能进行有机 融合，以提高材料的磁致伸缩性能，将是今后超磁致伸缩薄膜发展的主要研究方向。 表11 超磁致伸缩薄膜磁致伸缩性能参数 磁致伸缩材料主要有三大类：即( 1 ) 磁致伸缩的金属与合金，如镍和镍( n i ) 基合金 ( n i ，n i c o 合金，n i c o c r 合金) 和铁基合金( 如fe n i 合金，f e a 1 合金，f e c o v 合金等) ；( 2 ) 铁氧体磁致伸缩材料，如ni c o 和n i c o c u 铁氧体材料等。前两种称 为传统磁致伸缩材料，其磁致伸缩系数 值( 在2 0 8 0 p p m 之间) 过小，它们没有得到 推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如p z t 或称压电陶瓷材料。其电致伸缩系数 比金属与合金的大约2 0 0 4 0 0 p p m ，它很快得到广泛应用；( 3 ) 近期发展了稀土金属间化 合物磁致伸缩材料，称为稀土超磁致伸缩材料。稀土超磁致伸缩材料是以( t b ，d y ) f e 2 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 化合物为基体的合金，t b o3 d y o7 f e l9 5 材料( t b d y f e 材料) 的 达到1 5 0 0 2 0 0 0 p p m ， 比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的 大l 2 个数量级。目前超磁致伸缩 材料主要有：稀土金属。稀土金属，特别是重稀土金属在低温下具有很大的磁致伸缩， 在0 k 和7 7 k 下达到1 0 2 的量级。稀土一过渡金属化合物；非晶态薄膜合金。近年来， 许多研究者采用溅射方法制备了稀土一过渡金属非晶态薄膜，并对薄膜的结构和磁致伸缩 进行了研究，发现非晶薄膜具有良好的软磁性能，其在低磁场下的磁致伸缩显著提高。 表1 i 列出了一系列超磁致伸缩薄膜的磁致伸缩性能试验参数。 1 1 1 超磁致伸缩薄膜低场磁敏性理论研究 提高薄膜的磁致伸缩特性的途径对于超磁致伸缩薄膜材料应用是至关重要的，研究的 重点在于获得高的强制磁致伸缩系数。因此要求薄膜具有高的低场磁导率和低的饱和磁场 强度，而易磁化轴相对于外磁场的方向是获得所需低饱和磁场强度的关键。由于在实际的 应用情况中，外磁场平行于薄膜的长度方向，因此，薄膜的面内易磁化轴有利于获得高的 低场磁致伸缩性能。 磁致伸缩是磁性材料在外磁场作用下，磁畴的磁化状态发生改变进而引起材料的宏 观形变的物理现象。在没有外磁场s u 夕t , 应力的作用下，非晶体薄膜中的总磁各向异性能量 为1 2 】：庐晟+ 岛+ b ，式中e s = k s s i n 2 0 ，是由于柱状微结构导致的磁各向异性能： e d = 一蛳o m 。s i n 2 8 2 ，是与退磁场能相关的形状各向异性能，沿薄膜厚度方向n = i ： f 一3 k s i n l 0 2 ，是由薄膜的层问应力引起的磁各向异性能，0 为聪与膜面法线的央角， o 为真空磁导率， 噍为饱和磁化强度，九为磁致伸缩系数，o 薄膜的层问应力。由此， e = ( k s - 1 2 n , u o m s 2 3 2 l o ) s i n 2 0 ，令k e = - - i 2 n # o 聪一3 2 九o ，疋称为薄膜的有效磁各向 异性常数。根据能量最低原理，可以知道，若挺 0 ，易磁化方向垂直于膜面；反之易磁化方 向平行于膜面。 要使薄膜的易磁化方向平行于膜面，即疋 0 ，薄膜内的拉 应力有利于易磁化轴向平行于膜面方向偏转；提高薄膜的饱和磁化强度m 。可以通过将超 磁致伸缩薄膜与具有高磁化强度且磁致伸缩系数符号相同的软磁薄膜复合来实现，通过交 换耦合作用而使复合薄膜具有高磁导率、低饱和磁场强度。 对于单轴各向异性的磁性薄膜，其磁畴结构主要是由1 8 0 0 畴壁构成，而磁化过程中， 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 18 0 。畴壁位移对磁致伸缩没有贡献。因此，薄膜的磁致伸缩主要由饱和磁化矢量的转动所 决定。假定材料的磁化过程主要是磁畴转动过程，则磁化强度可表示为 胪to m 。2 h 。2 i k 。i ，式中也为作用于材料中的有效磁场 当磁化过程由磁畴转动过程所决定时，沿外磁场方向所产生的磁致伸缩大小为 = 3 2 t ；( jo m 。1 石。幛可以看出，提高薄膜的饱和磁化强度，降低薄膜的有效磁各向 异性常数( 应保持k 。 o ) ，使有效磁场强度增加，有利于薄膜畴转磁化的进行，而使薄膜 的磁敏性能提高。 1 1 2 超磁致伸缩薄膜低场磁敏性实验研究 超磁致伸缩薄膜在微型器件中得到实际应用，除了耿决于超磁致伸缩薄膜本身应具有 较大的磁致伸缩常数 。外，更为关键的是薄膜具有高的磁场灵敏度，即磁致伸缩常数随 磁场的变化d d h 值( 称为强制磁致伸缩系数) 大。 由于磁致伸缩效应是铁磁性材料在磁化过程为了降低系统总能量而产生形变所导致 的效应，薄膜材料的磁化性能决定了薄膜的磁敏性能。由于实际应用中，外加磁场往往平 行于薄膜的表面，薄膜的磁各向异性对薄膜的平行于膜面的磁化性能及磁致伸缩性能有很 大的影响。综述超磁致伸缩薄膜的研究文献，可以知道，提高低磁场下薄膜磁致伸缩值的 途径有： 11 ，2 1 调整薄膜组分 t b 。f e l 。s m 、f e l 。在相当大的成分范围内均具有超磁致伸缩性能，t b 含量变化将影响 t b f e 薄膜的磁致伸缩性能口4 】。在一般情况下，t b 含量小于3 7 a t 时，溅射沉积的t b f e 薄膜易磁化方向垂直于膜面，当t b 的含量大于4 5 a t 时，薄膜的易磁化方向平行于膜面， 磁致伸缩达极大值。s m f e 薄膜的易磁化方向总是平行于膜面，与s m 的含量无关。但磁 致伸缩值却与s m 的含量有关系，s m 含量为3 4 时，磁致伸缩值达到最大值。 研究发现，h i ”、b 队c t 9 】及b e 1 0 l 等元素的添加对t b d y f e 的磁性和结构特性有明显 的影响。b 在t b o , 2 7 d y 0 3 3 f e 2 b 。薄膜中的引入抑制了对材料磁致伸缩有害的富铁相的形成， 从而提高了其磁致伸缩性能。在f e 中常常含有c 元素，导致了t e r f e n 0 1 d 不可避免地存 在c 杂质，造成了f e c 3 相的出现，降低了磁致伸缩系数，研究表明，c 元素的含量最大 不能超过3 才不致于降低磁致伸缩性能。s h l i m l 8 】将f e b 合金条嵌入纯f e 靶材，通过 溅射得到了含微量b 的t b - f e 薄膜，并发现b 使t b - f e 薄膜形成非晶的能力增强，同对 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 提高了薄膜在低磁场下磁致伸缩性能。另外研究结果表明，用n i 、c o 、m n 、c a 和a l 等 元素微量代替f e ，能够在一定程度上降低磁各向异性常数，以提高低磁场下的磁致 申缩 系数。 n h d u c 等人叫对非晶( t b o2 7 d y o7 3 ) ( f o 【- x c o 。) 薄膜中f e ：c o 元素比以及磁场退火处 理对磁性能及磁致伸缩系数的影响进行了研究。发现c o 元素部分取代f e 元素可以明显 降低非晶( t b o2 7 d y o7 3 ) ( f e l x c o ，) 薄膜的矫顽力，并提高薄膜的磁致伸缩系数。当x = 0 4 7 时，在磁场为o 0 6 t 和1 8 t 的条件下，薄膜的磁致伸缩系数分别为3 5 0 x1 0 “、4 8 0 x1 0 一。 采用磁控溅射方法能方便地调整薄膜成分，既可采用相同成分的合金靶，也可在纯铁 靶材上镶嵌一定数量的单质稀土金属条，通过改变稀土金属条的数量来调整薄膜的成分， 后一种方法很方便。另外还可采用多靶共沉积技术，即利用多个单质靶同时溅射沉积 于同个基片上，但这种工艺的设备较复杂。薄膜成分同时还受到镀膜时a r 气压力的影 响，因为稀土金属与铁的的溅射产额不同，在铁靶上镶嵌的稀土金属条数量一定的情况下， 薄膜中稀土含量将随a r 气压力的增强而线性增加。 1 1 2 2 改变薄膜内应力状态及磁各向异性 磁致伸缩是材料满足自由能极小原理的必然结果，通过变形降低磁晶各向异性能和弹 性能，使总能量为最低的过程。当薄膜中存在应力，将使总能量发生变化，从而影响了薄 膜的磁致伸缩性能。薄膜的内应力状态可通过调整工艺条件以及选用不同膨胀系数的基片 加以改变t 1 4 , 15 l ，也可通过真空热处理来进行调整刮。例如在较高的温度下镀膜，然后迅 速冷却到室温，由于薄膜与衬底具有不同的膨胀系数，因而产生应力。对于1 、b 。3 d y o7 f e 2 薄膜来说，内应力为拉应力t b o3 d y o7 f e 2 膜的易磁化方向平行于膜面，而内应力为压应力 的t b 。：。d y 。i f e ? 膜的易磁化方向垂直于膜面，t b o3 d y 07 f e 2 薄膜中形成拉应力能显著提高低 场下的 值，但同时饱和磁致伸缩系数x ，有所降低，两者难以兼顾。薄膜的内应力状态 还与工艺参数a r 气工作压力有关【1 3 】， 当压力为0 4 p a 时，薄膜的内应力为压应力，当 压力为1 p a 时，内应力则为零，而当压力更高时，薄膜的内应力为拉应力。 般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，考虑一立方单晶铁磁体，其最小弹性能为e = 一3 ，2 0 - lc o s 2 口 式中盯为薄膜内应力，口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，负值肘薄膜的易磁 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t 方向雌i j i jt l 2 t f l i 。对于正磁致伸缩的t b 基薄膜，拉麻力使易磁化方向甲行于膜面，l f l j 对1 i 负磁热f | j 缩的s m 接薄膜! l l j j 需要匿应儿卅能使易磁化方向乎行j ：膜面。薄膜的内应力 状念可通过l 发变l ：艺条件，选用小同膨胀系数的衬底以及后续热处理进行调整例如在较 高的温度阳g 】j ：1 1 然后迅速冷卸至审温，l “于薄膜与衬底具有不同热膨胀系数，因而产生 内应力。 应力通过0 磁致伸缩的耦台效应而成为造成磁弹备向异性的个凶素。由于薄膜的超 磁致伸缩，磁弹各向异n 被认为比较人。这就意味薄膜的磁p l c h x , j 应力类型及数值人4 , t t 常敏感。j 越力纳过摆与溅射过耀本身自天。t b ( f e o5 c o n j t ) ls 渺膜溅射条件对薄膜磁状念有 混著影q m “：j 童低溅射氯气胍卜游膜i t 磁并i 砸异性重甑j l | 丽，在其它的条件卜薄膜i ，磁 各向芹批、j 川锄e j 续| ，| j 遐火处理改薄了薄膜的软磁性能：绎过4 5 0 c 的热处理后， 薄膜矫, i , 6 i f 【：cj ：6 m f i ，川时也提高了薄脱低磁场卜磁敛 缩系数和：“。i i = 2 0 r e 、的外场 下， = 3 4 0 i o 一。 i123 薄膜非晶化或纳米晶化 拍：迎：m ，抛j 、 m r l r 态薄膜只有较大的饱和磁致仲缩值x 。和较强的磁晶各向芹1 陛，使 得簿膜在低撒场下的磁致伸缩值 很小。采用溅射法制衔的1 f 品态薄膜磁品备向异胜较 小，托妖聪场卜缺仃较人礅敏f i | l 缩特陀，f ；：【x 。相对较小。s l ；e li o tisa i 。0 1 采用直流磁控 溅射方法制筹丁 j f 态和纳米结 态的( t b oa d y j 7 ) f e m 薄膜，通过对比发观，非甜态薄膜 的矫 【m ，j 羹近为零，托磁场为1 0 0 0 0 e 时，溥倾的磁j t j ( t i t i 缩系数达剑? j o o p p m ，0 洲为4 1 0 - 1 p p m i j m 纳水结l 踊态溥脱的矫坝力商达i4 k o e ，聪敏仲 系数能够达到7 0 0 1 0 。 另外，仃人对( + 。d y 。) 。f e 。( 0 2 x 娆幅) 的f 晴态羊非品念薄膜研究发脱：在磁场强 度1 t 下测量，所有薄膜的磁敛仲缩值 约为4 0 0 1 0 一，i i q ! l t i 念薄膜县柯i ，行膜而的易磁 化方向，低磁场1 f 1 - 平俐艇l ：f 【的方向具有很高的灵敏度，而部分m i i ，态的薄膜任低磁场f i f 行或垂赢腆f f i 方向的灵敏度都f i ；洲”1 。另外通过纳米旧细化 ! f j 剥制挤的1 卜【蟊态薄膜样品 进i j ：遁、。柚0r c 夺热处理，使其形成种特殊的组纵结构，该结构是在非品相的基础 ：乍成 均匀约1 ，j 、的纳水级晶体颗粒。山j 二晶体相被二啦晶棚所包，冈此征低磁场i - 材料的磁致伸 缩仍僳持较快的增长，同时使其结晶各向异性柯f 矫顽力得以- ! f i ! 若f 雠。 1 1 24 磁致伸缩复合镀层 为了挺 ：i f c t 场下的 值，通常采取降低薄膜的磁各向并性常数和提高薄膜的饱和磁化 强度两种疗法求实规。对于稀七一过渡金属薄膜，提高过渡 ； = 属龠馘可以提高饱和磁化强 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 度，但会降低薄膜的饱和磁致伸缩系数。采用超磁致伸缩薄膜和软磁薄膜交替组成的复合 膜在外磁场作用下，需要降低饱和磁场强度，因为： 弘争 故除降低磁晶各向异性常数k i 以外，加大饱和磁化强度m s 也是一条途径。单一稀土一过 渡金属镀层因为其铁磁特性，即当提高过渡会属的含量时，饱和磁化强度会降低，而过多 的稀土含量将使台金的居旱点下降到室温以下。因此提高饱和磁化强度m s 是很难的。采 用稀土和软磁材料的多层膜可达到提高饱和磁化强度的目的。一层为l a v e s 相薄膜，另 一层为具有高饱和磁化强度的软磁膜，周丽复始。每层膜的厚度必须小于铁磁交换作用的 距离，使得不能在层界面上形成畴壁。这样薄膜的饱和磁化强度将为各层的平均值，薄膜 的饱和磁化强度得以提高。从而降低了饱和磁场强度。 c ，p r a d o s 【i 目采用磁控溅射法制备的t b f e f e b 复合薄膜，在0 1 t 下的磁致伸缩系数 最大值可达5 0 0 1 0 一。eq u a n d t 等人通过对t b f “f e n i 复合膜研究也得出了同样的结论。 s , f f i s c h e r 等人采用离子束溅射方法制备了t b d y f e + z r n b 复合膜，对复合膜进行1 0 分 钟真空温度为6 0 0 。c 7 0 0 。c 真空热处理，磁致伸缩系数 从2 6 5 1 0 升高到5 2 0 1 0 。6 。 通常情况下，为了提高纳米晶态m s m m 薄膜软磁性能和磁致伸缩性能，往往在薄膜中间添 加软磁薄膜。q u a n d t 干n f a r b e r 分别制备t t b f e f e c o b s i 复合膜和t b d y f e f e s i b n b c u 复合 膜，并发现其优良的磁致伸缩性能。d h d u c 等人2 0 1 对 1 2 n m t e r f e c o h a n 1 3 n m y o 2 f e 0 ，8 多层膜研究发现，制备态薄膜矫顽力为3 5 m t ，x 最大为3 8 1 0 。2 t ：对薄膜进行热处理 后，其软磁性能和磁致伸缩性能迸一步增强，矫顽力减小为0 3 m y ， 增加到1 3 i 0 七t 。 表1 2 多层膜的磁致伸缩r 陛能试验参数1 i 通过比较表1 1 和表1 2 ，可以看出复合膜的引入大大提高了单层膜的磁致伸缩性能。 目前复合膜研究还处于起步阶段，但已显示出诱人的前景和广阔的应用领域。 6第员 国防科学技术大学研究生院学位论文 11 3 超磁致伸缩薄膜的性能特点与应用前景 稀土超磁致伸缩材料具有许多非稀土材料所不具备的基本物理特性。与传统磁致伸缩 材料相比，有以下优点：( 1 ) 在一定的磁场作用下，磁致伸缩系数大；( 2 ) 高机电转换效率， 比压电陶瓷高6 3 0 倍。( 3 ) 输出应力大。在外加预应力时，在低磁场下材料的磁致伸缩随 磁场产生“跳跃”式增加，其磁化率也随之变化。这一效应对于实际应用具有重要意义。 因为产生巨大磁致伸缩应变所需的磁场很容易达到，可以使器件的结构简单紧凑。输出功 率比p z t 材料高数十倍；( 4 ) 机械响应速度快，仅1 0 6 s 级且可电控；( 5 ) 磁致伸缩变形的 线性范围大：( 6 ) 频率特性好、频带宽可以在低频几十赫兹下工作。 超磁致伸缩材料由于其具有非常强的磁致伸缩效应，很高的机电耦合系数、较高的响 应速度及菲接触式驱动等优点而倍受关注，其典型代表t e r f o n a l d 合金，f 被广泛地应用 于航海声纳、大功率超声、精密机械以及智能材料结构等领域。超磁致伸缩材料的薄膜 化使其在微型化器件上的应用成为可能。将超磁致伸缩材料沉积于衬底材料上即得到薄膜 化磁致伸缩双层膜片，在外加磁场作用下，由于薄膜的磁致伸缩效应而导致膜片产生弯曲， 利用这一现象可以将磁致伸缩膜片用于微传感器和微驱动器领域。在精密机械加工控制、 机器人位移调节器、超声和水声换能器、工程地质、隐蔽工程无损检测等技术领域应用这 些特性，可以精确定位、大幅度减小结构尺寸和重量、提高输出功率。具有极高的实用经 济价值和广。泛的发展前景。因此，这种新材料的出现立即在国际上引起极大关注。美同等 少数工业发达国家对稀土超磁致伸缩材料的研究十分活跃，相关的研究主要集中在材料的 制取工艺技术及其应用，并已取得了重要进展。我国对稀土超磁致伸缩材料的研究相对落 后，尚处于起步阶段，但发展较快，并日益引起科技领域和工程部门的广泛关注，中国的 稀土资源十分丰富储量居世界首位，因此开发稀土超磁致伸缩薄膜及其应用器件具有极 为重要而深远的战略经济意义。 1 2 基于马赫一曾德尔光纤磁场传感器的磁敏传感臂研究及进展 光纤磁场传感器与传统的磁场传感器相比具有灵敏度高、体积小、抗干扰能力强等优 点而受到广泛的关注，目前光纤磁场传感器主要有法拉第式和光纤马赫曾德尔式1 2 。1 1 】 两种形式，前者是利用偏振光在光学介质内传输时在外磁场下因法拉第效应而使其偏扳 面发生转动，检测出该转动的角度即可测量出外磁场的大小但是由于光学介质的法拉第效 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 应系数很小，使得这种传感器灵敏度很低，通常用来测量由大电流产生的较强磁场。而对 于光纤马赫一曾德尔干涉型磁传感器是将磁致伸缩材料粘贴或镀在光纤上，制成与光纤固 接的套层，磁致伸缩套层在磁场作用下产生的轴向变形将直接传递给光纤，使得光纤发生 相应的变化，最终导致光纤中传播光波的相位发生变化。 磁致伸缩薄膜套层 1