基片温度对FeN化合物薄膜制备及磁性能的影响

1、24基片温度对fe- n化合物薄膜制备及磁性能的影响基片温度对fe- n化合物薄膜制备及磁性能的影响郭治天，韩 奎（中国矿业大学理学院，江苏徐亦i 221008摘要：用x射线衍射仪和振动样品磁强计研究了双离子束溅射法制备的fe- n薄膜的相组成和磁性能。结果表明，基片温度对不同基片上制得的薄膜的结构和磁性能有显著影响。基片温度为250c和300c时，在（111）硅片基片上制得无晶粒择优取向的单一！ - fan相；基片温度为160c时，可在玻璃基片上制得具有（100）面晶粒取向的单一 ！ - f8n相薄膜。薄膜磁性测量表明，与无晶粒择优取向的！ -f8n相比较，具有（100）面晶粒取向的！ -

2、f8n相的矫顽力较低，易达到磁饱和，但二者的饱和磁化 强度基本一致。关键词：基片温度；fe- n薄膜；晶粒取向；磁性能中图分类号：tm201.45文献标识码：a 文章编号：1671- 8887 2004） 01- 0024- 04the effects of substrate temperature on theformation and magnetic properties of fe - ncompound thin filmsguo zhi-tian,han kui(college of science,china university of mining and technolog

3、y,xuzhou jiangsu 221008, china)abstract: the structuresand magneticpropertiesof the single! - fan thin films preparedon by dual ion beam sputtering have been studied using x - ray diffaction and vsm. the effects of substrate temperature on the structuresand magnetic properties of the thin films were

4、 investigated. the single phase! - f& n film with the random crystal orientation was prepared when the substrate was si(lll ) at ts = 250c & 300c , and the single phase! - fei n film with the (l00 ) plane crystal orientation was obtained on the glass substrateat ts = l60c. the magnetic propertiesof

5、the thin films shows that compared with the !- fan thin films with random orientation, the! - fan thin films with (l00) crystal orientation have the lower coercive force and are seen to saturate easily.key words: substratetemperature; fe- n thin films; crystal orientation; magnetic properties1引言氮化铁化

6、合物中-f牝m相具有“巨磁矩”特 性1,21,近年来引起了诸多研究者的兴趣，但由于 -fe6 n2相是亚稳相，目前尚未见制得单一的-fe6n2相的报道,这使它的应用受到了一定的作者简介：郭治天（1964-），男，讲师，主要从事物理教学及材料科学方面的研究。地址：中国矿业大学理学院物理系，电话：（0516）3884491, e - mail: gzzzttsina. com收稿日期：2003- 11- 01限制。而！ - f&n相不仅具有较强的磁性、 耐磨性， 还具有良好的热稳定性，可在磁记录、 薄膜磁头材 料和微波吸收材料等领域得到应用。！ - fan相是 面心立方结构， 它的n原子占据面心立

7、方结构-fe相的体心中心位置。制备 fe - n薄膜的方法 主要有射频磁控溅射31、离子注入法41、分子束外 延生长51等。本实验采用双离子束溅射法制得了单 一的！ - f&n相薄膜，并且研究了基片温度对不同 基片上所制得的 fe- n薄膜的相组成及磁性能的 影响。电工材料2004 no.1基片温度对 fe- n化合物薄膜制备及磁性能的影响250二汕二式下依2实验方法双离子束溅射法的特点是在整个溅射镀膜过 程中，主源溅射镀膜，辅源同时轰击清洗基片上的 薄膜，达到改善薄膜的微观结构，使膜层致密的效 果。本实验选用抛光的（lll ）硅片和玻璃片为基片， 基片温度为80 300c ,溅射时所用的气体

8、为高纯 僦气和氮气，溅射前，沉积室预抽真空至1. 0x10-3 pa, 辅源通入僦气，流量为4 x10-5 m3/s;主源通入氮气和 僦气的混合气体，流量为7x10 -5m3/s主源氮气和僦气 的比例为1/4,工作气压为0.1pa。实验以纯铁（纯度99. 9%）为靶材，用银胶把 硅片或玻璃片粘在基片底座上，以主源产生的离子 束轰击铁靶，在基片上形成薄膜，同时辅源产生的 离子束对基片上的薄膜进行不断的轰击。制样时， 辅源离子的能量为 400ev,束流为25ma;主源离子 的能量为900ev,束流为90ma本实验膜厚的测量采用日本kosaka laboratoryltd 公司的 surfcorde

9、ret350 series勺台阶仪， xrd 分析采用日本 rigaku公司的d /max- 3c全自动x 射线衍射仪，铜靶。样品的磁性能测量在日本理研 公司的bhv - 55振动样品磁强计（vsm）上进行， 最大外加磁强强度为159. 6ka/m,与薄膜平面平行。3实验结果与讨论3.1 xrd分析以（111 ）硅片为基片，基片温度为80 300c , 其xrd衍射图见图1。在基片温度为80c时，没有 发生氮化反应，只有铁靶上的fe被溅射到基片上形成fe膜；在xrd衍射图上表现为只有！ - fe的 衍射峰，见图1曲线a。当基片温度为160c时， xrd中出现与- fe，-3 n相对应的衍射峰,

10、见图1 曲线b,薄膜成分为单一的- fe3n相。当基片温度升到 200c时，- fe3n相的衍射 峰强度减弱，只能看到相的（101 ）面的衍射峰，主 要是# - fen相的（111 ）、（200）和（311 ）面衍射峰, 见图1曲线c。这表明在基片温度为 200c时，所 制得薄膜成分主要是 # - f&n相，还有少量的- fe3 n 相。基片温度为250c和300c时，- fa3 n相的 衍射峰消失，只有#-fan相的（111 ）、（200）和 （311 ）面的衍射峰，见图1曲线d和图1曲线e,表明 在基片温度为250c和300c时,所得到的薄膜成分 为单一的# - f& n相。从图1曲线d或

11、图1曲线e 中# - fa n相的（111 ）面和（200）面白xrd衍射 峰强度之比可知，在以（111 ）硅片为基片所制得的# - fa n相晶粒取向是无序的。图1中fe- n薄膜 的xrd衍射图有较强的散射背底， 表明在（111 ）硅 片基片上制得的fe- n薄膜有较大的晶格畸变6,这 是由于基片的晶格常数与薄膜中各相的晶格常数 相差较大，有较大的晶格失配度造成的。图1（111 ）硅片为基片时fe-n薄膜的x射线衍射谱随基片温度的变化根据xrd衍射图的- fe2 3 n和# - fe n 相衍射峰的位置，还可计算出它们的晶格常数， - fa3n相是hcp结构，晶格常数为！= 0. 277n

12、m, = 0. 4447 nm; # - fe n 相是 fcc 结构， 晶格常数为！ = 0. 3796 nm,它们与标准卡片上的数据 都很接近。以玻璃为基片，不同基片温度下薄膜的xrd衍射图见图2,在基片温度为80c时，就可制得单 一的- fe3n相，从其衍射峰的宽化可以认为所 制得的- fe3 n相是由无规则排列的小晶粒组成 （根据sherrer公式可计算出小晶粒尺寸约为 6. 5nn这与基片温度低，造成基片表面原子的迁移 率低有关）。随着基片温度的升高，在基片温度为 160c时，xrd的衍射图上只有对应于 # - fen相 （200）面的衍射峰，而无（111 ）面的衍射峰，表明此 时薄

13、膜的成分为具有100% （100）面晶粒取向的单 一# - fa n相。t. yamaguchi 7噌以气体氮化法 在玻璃基片上制得在（100）方向有约80%晶粒取向 度的# - fa n薄膜。显然以双离子束溅射法可制 得在（100）方向有更大的晶粒取向度的单一 # - fan 相。27基片温度对fe- n化合物薄膜制备及磁性能的影响图2玻璃为基片时fe- n薄膜的x射线衍射谱随基片温度的变化基片温度升高到 200c和250c时，开始出现新 的衍射峰，位于！ - fe（110）衍射峰2角左移约 0.32的位置，根据jack的结构模型8,是！ - fe（n） 相的（110）面衍射峰位置。它是！

14、- fe晶格的间隙 位置含有氮原子引起铁原子晶格在ab晶面收缩，在c 轴方向膨胀，形成四方结构的马氏体！ - fe（n）相。从 xrd衍射图可看出，此时薄膜的成分以！ - fe（n）相 为主，#- fan相较少；# - fan相除（200）面衍 射峰外，同时出现（111）面的衍射峰，表明#相在 （100）面方向的择优取向度降低。当基片温度升高 到300c时，# - f4 n ！ - fe（n）相中的氮原子 完全逸出，转变为！ - fe,薄膜的成分为单一的！- fe0在非晶基片上薄膜的晶粒取向是由于在不同 晶面上膜料原子的生长速率不同而产生的，显然以非晶玻璃为基片时，制得的# - fa n相在（

15、100）方 向有最快的生长速率，使所制得的# - fa n相具有 （100）方向的择优取向，在基片温度为160c时制得 的# - fa n相有几乎单一的（100）面择优取向，表 现在xrd图上只有单一的# -（200）衍射峰。随着 基片温度的升高，由于其它晶面上膜料原子的生长 速率提高，在xrd衍射图上出现# -（111）面的衍 射峰，# - fa n相在（100）方向的择优取向度降 低。比较图1与图2,可以发现，随着基片温度的升 高，以（111）硅片为基片时，薄膜成分的转变过程为： ！ - fe ！ $ - f-3n ！ $ - fn +# - f8n！ # - fa n相；以玻璃为基片，则

16、薄膜成分的转变过 程为：$ - fe3m # - fam # - fan+! - fe（n） ! ! - f8可见，基片温度影响fe - n薄膜的形成及 其成分，而且基片选取不同，基片温度对fe- n薄膜的影响也表现出较大差异。从图1可看出，当基片温度较低时，基片表面原子的迁移率较低，不利 于铁氮化合物的形成；当基片温度升高，其表面原 子的迁移率提高，活性增大，则容易形成稳定性较 高的fe- n化合物，且薄膜晶粒取向无序，如 $ - fa3 n和#- fan。图2表明，在非晶基片上，较低 基片温度下即可制得单一 $ - fa3 n相或# - fa n 相薄膜，薄膜的晶粒有一定取向，且随温度升高

17、晶 粒择优取向度发生变化。因此，在制备fe- n薄膜时，基片温度是一个重要因素。3.2 薄膜的磁性能图3是无序取向的单一 #-fen相（图1e样 品）和具有（100）面择优取向的单一 # - f& n相 （图2b样品）的磁化曲线，外加最大磁场强度为 159.6ka/m。比较图3a和图3b可看出，无择优取向 的# - fan相和具有（100）面取向的# - fan相 的矫顽力分别为11.07 ka/m和4. 561 ka/m,表明 有（100）面取向的# - fa n相易磁饱和；但二者的 饱和磁化强度！ s基本一致，分别为1393.3 emu/cc和 1401.2 emu/cohllotka/m

18、xkaan)(a)(b)-1600加0(b)so-图3 #- fen薄膜的磁化曲线a一无序取向的# - fet n薄膜b一具有（100）面择优取向的# - f&n薄膜电工材料2004 no.1基片温度对fe- n化合物薄膜制备及磁性能的影响4结论2fe- n化合物薄膜的结构和磁性能受基片温度影响。与（111）硅片基片相比，以玻璃为基片时，可3在较低的基片温度下制得！ - fe3 n相和-f&n相。不同的基片对薄膜的晶粒取向影响不同，以（111）硅片为基片所制得的-fa n相无晶粒择优4取向；以玻璃为基片，所制得的-f&n相在（100）面方向具有晶粒择优取向。在基片温度为160c时，、 5可制得

19、晶粒取向度为100%的单一 -fan相。与无晶粒取向的-fe n相比较，具有完全（100）面晶粒取向的-f&n相有较低的矫顽力，且易磁化6饱和，但二者的饱和磁化强度无明显差别。、7参考文献1 bezdicka p, klarikova a, pasekai, et al. magnetic properties of# - fenx and# - f6 n2 nitridesj.j alloys compounds,81998,274:10- 17.okamoto s, kitakami o, shimada y, effect of lattice distortionon magnetic

20、 and electronic state of # - fei6n2 j .j appl phys, 1999,85: 4952- 4954.rissanen l, neubauer m, lieb k p, et al. the new cubic iron - nitride fen prepared by reactive magnetron sputteringj. j alloys compounds,1998, 274:74 - 82.telling n d, jones g a, faunce c a, et al. microstructure of fe- n thin f

21、ilms prepared using an atomic nitrogen beamj . j vac. sci technol, 2001,a19: 405- 408.okamoto s, kitakami o, shimada y, crystal distortion and the magnetic moment of epitaxially grown # - f6 n2 j . j magn magn. mater,2000,208: 102- 114.chen y, williams j s, wang g m, high - temperature phase transformations of iron anhydrous ammonia system realized by ball milling at roomtemperaturj. j appl phys,1996,79(8) :3956- 3962. yamaguchi t, sakita m, nakamura m, et al. synthesis and characteristics of