随着微波技术的发展,下一代微波器件,如环行器、隔离器、移相器和滤波器等,要求应用于其中的铁氧体材料具有片式、非互易、自偏置、低损耗等特点。而磁铅石型(M型)钡铁氧体(BaFe12O19,BaM)薄膜由于具有较高的饱和磁化强度、强的单轴磁晶各向异性场、高电阻率和介电常数、良好的化学稳定性和机械强度等特点,被认为是下一代微波铁氧体器件中最具应用潜力的材料。因此,研究并制备出具有强单轴磁晶各向异性场、高饱和磁化强度、高剩磁比和低铁磁共振线宽的BaM铁氧体薄膜是目前的热点之一。本论文基于射频磁控溅射法制备BaM铁氧体薄膜,从实验入手对BaM铁氧体薄膜的制备工艺、显微结构、磁性能以及薄膜的残余应力做了详细研究和讨论,并在此基础上制备出了具有强单轴磁晶各向异性场、高饱和磁化强度、高剩磁比和低铁磁共振线宽的BaM铁氧体薄膜。主要的研究内容及结果如下:1、采用射频磁控溅射法,在Si(100)基片上直接溅射沉积BaM铁氧体薄膜,探索了制备c轴垂直膜面取向的BaM铁氧体薄膜的优化工艺参数,结果表明:适宜的溅射功率、溅射气压和基片温度可以使溅射粒子获得足够的能量在基底表面进行迁移,并运动到合适的位置形成稳定的结构,而过高或过低的溅射功率、溅射气压和基片温度会导致薄膜内部缺陷增多,生成的晶粒大小不均匀,薄膜的平整度和c轴垂直膜面取向下降;溅射过程中通入适量的氧气,会影响薄膜中Fe元素的离子价态和氧空位的数量,进而影响薄膜的显微结构和磁性能。当采用如下优化的工艺参数:溅射功率为140 W,溅射气压为1.4 Pa,氧分压为1%,基底温度为300℃,并在空气中于800℃退火2 h,所沉积制备出的BaM铁氧体薄膜具有较好的显微结构和c轴垂直膜面取向。2、研究了不同类型的基片和缓冲层对BaM铁氧体薄膜的显微结构和性能的影响,结果表明:不同于Si(100)基片,选用热氧化SiO2/Si(100)或单晶Al2O3(001)基片作为基底能够有效阻止基片与BaM铁氧体薄膜之间的原子扩散,进而改善薄膜的显微结构和磁性能;通过在薄膜与基片之间引入一层20 nm左右的AlN(001)或BaM薄层作为缓冲层,可以使薄膜中c轴垂直膜面取向的片状晶粒增加,进而显著提高薄膜的c轴垂直膜面取向。3、采用拉曼光谱分析仪和XRD分析了在不同基片和缓冲层上沉积制备的BaM铁氧体薄膜,结果表明:通过在薄膜与基片之间引入一层20 nm左右的BaM薄层作为自缓冲层,所制备得到的BaM/BaM(20 nm)/Al2O3(001)和BaM/BaM(20 nm)/SiO2/Si(100)薄膜的拉曼光谱中并未出现E1g散射峰,表明薄膜均为高度c轴垂直膜面取向;对比经过800℃退火和未经退火的BaM/BaM(20 nm)/Al2O3(001)薄膜的拉曼光谱,证实了未经退火的BaM/BaM(20 nm)/Al2O3(001)薄膜并非完全处于非晶无序状态,而是存在一些短程有序的微晶。这些短程有序的微晶尺寸大小为10~40 nm,它们的取向决定了在后续的退火过程中所生成晶粒的晶体结构和c轴取向。4、研究了不同厚度BaM铁氧体薄膜的显微结构和磁性能,并对不同厚度BaM铁氧体薄膜中的残余应力进行了计算和形成机制分析,结果表明:当薄膜厚度≤150nm时,薄膜中的残余应力以外延压应力为主,表现为压应力,此时“基底效应”较强,在界面处易诱生出与基底相同取向的晶粒,因此薄膜中的晶粒沿c轴垂直膜面取向生长,薄膜具有高度的c轴垂直膜面取向和良好的外延织构;随着薄膜厚度的增加,薄膜中产生的缺陷、位错、氧空位等数量增多,外延应力逐渐得到释放减小,而本征应力则逐渐增大,薄膜中生成的c轴随机取向晶粒逐渐增多;当薄膜厚度≥200 nm时,薄膜中的残余应力以本征应力为主,表现为张应力,生成的c轴随机取向的晶粒进一步增多,导致薄膜的c轴垂直膜面取向降低,磁性能变差。5、采用分层溅射和先退火工艺在Al2O3(001)基片上制备出(BaM/BaM)n(n=1~7)多层薄膜,研究了多层薄膜的显微结构和磁性能之间的关系。XRD和FESEM分析表明多层膜中绝大多数的晶粒为均匀的片状晶粒,且具有高度的c轴垂直膜面取向。通过对(BaM/BaM)n(n=1~7)多层膜的静态磁性能和微波性能进行测试,结果表明:多层薄膜的饱和磁化强度(Ms)为320~345 k A/m,剩磁比(Mr/Ms)为0.81~0.92,在55~67 GHz范围内的铁磁共振线宽(△H)为1.51~3.50 kA/m(或19~44 Oe)。其中,当n=1时,得到的BaM薄膜在67 GHz时铁磁共振线宽有最小值,仅为1.51 kA/m;当n=7时,得到的(BaM/BaM)n多层膜厚度可达1050 nm左右,且具有较高的饱和磁化强度(Ms=335 kA/m)和剩磁比(Mr/Ms=0.81),在67 GHz时铁磁共振线宽为2.08 kA/m。