Sm2Co17稀土永磁薄膜磁性和交换偏置现象研究

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SmCo稀土永磁材料具有高的磁晶各向异性、低的温度系数和良好的温度特性,在很多领域,包括手机、电脑、汽车、航空航天、武器装备等地方都发挥着重要的作用,是一类重要的功能材料。针对SmCo稀土永磁薄膜材料的研究具有重要的应用价值和丰富的科学意义。本文利用脉冲激光沉积(PLD)技术,在SiO2基片上制备了 SmCoCr/Cu/Cr系列薄膜,制备出的SmCo薄膜样品主要是以SmCo的2:17合金相形式存在,在室温下具有稳定的晶体结构。通过改变不同元素的含量以及退火温度,我们系统地研究了薄膜的结构、磁性、磁光性能以及温度特性。同时,深入地研究了Sm2Co17/Cr薄膜的磁交换偏置效应,并且对其机理进行了深入的讨论。为优化Sm2Co17薄膜的结构与磁性能,寻找能够应用于薄膜器件的工艺方案,提供了有参考价值的理论和实验结论。取得了以下的主要研究成果:1、采用脉冲激光沉积(PLD)技术在SiO2衬底上制备出掺Cr元素Sm2Co17晶体薄膜,晶体在室温下具有稳定的钐钴2:17合金相结构。系统研究了制备工艺对薄膜生长和结晶质量的影响,探索和优化了 2:17合金相结构的成膜工艺条件。实验发现,在背景真空度为4×10-5Pa,生长温度为400℃条件下,保持激光脉冲能量为190 mJ/plus和频率8Hz时,通过控制Sm、Co的沉积时间,可以获得钐钴2:17合金相晶体结构,为制备掺杂SmCo17合金薄膜奠定了实验基础。2、系统研究了 Sm2Co17Cr(x)/Cu/Cr(x = 0nm、1nm、2nm、3nm)薄膜磁性层中Sm、Co、Cr和Cu含量对织构与磁性的影响。实验发现,控制Sm含量是制备Sm2Co17磁性薄膜的关键因素之一,过量的Sm不仅不利于2:17合金相结构的形成,而且还会降低薄膜的磁化强度和矫顽力。因此,保证适量的Sm含量,才可以得到稳定的Sm2Co17磁性能。同时发现,在严格控制Sm、Co沉积时间的条件下,少量Cr掺杂可以提高Sm2Co17薄膜的结晶质量,并且具有比较高的矫顽力。此外,在镀SmCo磁性薄膜之前,蒸镀一层Cu种子层,形成Cu<200>结晶取向,有利于促进Sm2Co17磁性相的生长。我们还发现,在Cu种子层和衬底之间加镀Cr层,可以获得更好结晶质量的Sm2Co17磁性薄膜。这是因为Cr层在种子层Cu生长过程中起到了缓冲层的作用,提高了 Cu种子层的结晶质量,从而保证了 Sm2Co17取向更加稳定。另外,通过调节退火温度研究了 Sm2Co17薄膜结构和磁特性。实验发现,较高的退火温度,可以提高Sm2Co17薄膜的结晶质量,而且薄膜的矫顽力也有较明显的提升。3、系统研究了 SmCo/Cr薄膜交换偏置现象和交换机理。我们发现,在SmCo薄膜中出现了正的交换偏置现象,并且反铁磁层Cr厚度、磁性层SmCo厚度以及温度都对交换偏置有影响。这是由于铁磁层(FM)与反铁磁层(AFM)之间存在相互竞争作用的结果。掺杂Cr以后,Sm2Co17薄膜的交换偏置场越来越大,说明一定量的Cr可以增强对铁磁层的钉扎,使得铁磁相与反铁磁相交换偏置效应增大;随着磁性层厚度的增加,交换偏置现象减弱,这也符合HE∝1/tFM理论;温度变化会影响Sm2Co17薄膜交换偏置场,通过零场冷却和场冷却(ZFC/FC)曲线分析可知,在变温过程中,低温区主要表现为铁磁性,随着温度的提高,反铁磁性逐渐增大,最后在接近室温时转变成顺磁性;适当降低退火温度后,饱和磁化强度的变化不是很大,而偏置场出现递增,因此,获得高的矫顽力和结晶度的SmCo薄膜,选取适当的退火温度是十分重要的。
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