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六角钡铁氧体薄膜的制备及其结构和磁性能的研究

作　者: 郑润华
导　师: 李言荣
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 钡铁氧体薄膜种子层逐层生长界面应力振动样品磁强计
分类号: TM277
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

M型六角钡铁氧体材料BaFe12O19(BaM)由于具有高的电阻率、大的高频磁导率、强的单轴磁晶各向异性和稳定的物理、化学性质等特点倍受关注,它在单片微波集成电路(MMIC)、高密度垂直磁记录介质等方面都有着广泛的应用。这些应用的实现都要求获得结晶性良好、高度c轴取向、剩磁比大(MS/Mr>0.9)的钡铁氧体厚膜(>10μm)。然而制备这样的厚膜在实际工艺中和理论研究中均有一定的困难。本论文首先从研究BaM薄膜在蓝宝石衬底上的c轴生长过程出发,运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、振动样品磁强计(VSM)表征其结构、形貌、磁性能,得出了微观生长过程中的工艺参数与宏观磁性能的规律。然后研究出了一组优化的热处理条件,以结晶的BaM为种子层,“逐层生长”出微米级钡铁氧体厚膜。同时,采用了TiN、MgO薄层替代结晶BaM种子层,并系统地研究了运用“逐层生长”模式制备具有高度c取向性、磁性优良的厚膜钡铁氧体。最后,借鉴“逐层生长”模式下获得的相关实验结论,初步研究了钡铁氧体材料与宽禁带半导体GaN的集成生长。因此,本论文获得了以下几点结论:(1)在750oC以下,原位沉积钡铁氧体薄膜均呈现非晶状态,且只有微弱的M-H磁滞回线;通过后位退火工艺条件的研究,得到了一组优化的退火条件:1个大气氧压下1000oC退火1小时,制备出了结晶良好、高度c取向、具有一定磁性能(饱和磁化强度为3000 G,剩磁比为0.6)的钡铁氧体种子层;(2)以结晶BaM为种子层,通过“逐层生长”的模式制备厚膜钡铁氧体,获得了在种子层上生长厚度为2μm的c取向、饱和磁化强度为3500G、剩磁比为0.65左右的钡铁氧体厚膜。当薄膜厚度进一步增加到3.4μm时,样品表面出现了微孔、裂痕,阻碍了厚膜钡铁氧体的磁性改善。(3)选取了TiN、MgO薄层替代结晶种子层,得到了在MgO薄层缓冲的钡铁氧体厚膜具有最高饱和磁化强度为4006 G,剩磁比为0.7。(4)成功地在GaN外延片上通过MgO薄层制备了钡铁氧体薄膜,最高饱和磁化强度为3208 G,剩磁比为0.7。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-21
  1.1 引言  10-11
  1.2 微波铁氧体材料发展历史  11
  1.3 六角钡铁氧体薄膜的结构与性质  11-13
    1.3.1 钡铁氧体的结构  12
    1.3.2 钡铁氧体的性质  12-13
  1.4 钡铁氧体薄膜的研究现状  13-19
    1.4.1 溶胶-凝胶（sol-gel）法  13-14
    1.4.2 对向靶溅射法与射频溅射法  14-16
    1.4.3 脉冲激光沉积（PLD）法  16-19
  1.5 论文选题及研究方案  19-21
    1.5.1 论文选题依据  19
    1.5.2 论文技术路线及方案  19-21
第二章钡铁氧体薄膜的制备方法与表征原理  21-31
  2.1 钡铁氧体薄膜的制备方法  21-22
  2.2 脉冲激光沉积（PLD）以及系统简介  22-25
    2.2.1 PLD 制膜原理[38]  23-24
    2.2.2 PLD 设备系统简介  24-25
    2.2.3 PLD 用陶瓷靶材的制备  25
  2.3 薄膜的微结构分析方法  25-31
    2.3.1 XRD 原理  25-27
    2.3.2 AFM 原理  27-28
    2.3.3 SEM 原理  28-29
    2.3.4 磁滞回线的测试  29-31
第三章钡铁氧体薄膜的PLD 工艺研究  31-47
  3.1 实验靶材的制备  31-32
  3.2 钡铁氧体薄膜的沉积参数研究  32-36
    3.2.1 温度系列  32-33
    3.2.2 气氛气压系列  33-35
    3.2.3 激光功率系列  35-36
  3.3 退火工艺对钡铁氧体薄膜结构和性能的影响  36-39
    3.3.1 退火温度  37-38
    3.3.2 退火时间  38-39
  3.4 种子层诱导的厚膜钡铁氧体的工艺研究  39-43
    3.4.1 原位温度对厚膜钡铁氧体的结构和磁性的影响  40-41
    3.4.2 原位氧气压对厚膜钡铁氧体的结构和磁性的影响  41-43
  3.5 膜厚对钡铁氧体形貌的影响  43-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章缓冲层对钡铁氧体薄膜特性的影响研究  47-58
  4.1 引言  47
  4.2 TIN 缓冲层对钡铁氧体结构和磁性的作用  47-52
    4.2.1 TiN 缓冲层的制备  47-49
    4.2.2 TiN 缓冲的蓝宝石上薄膜钡铁氧体的制备  49-51
    4.2.3 TiN 缓冲的蓝宝石上厚膜钡铁氧体的制备  51-52
  4.3 MGO 缓冲层对钡铁氧体结构和磁性的作用  52-57
    4.3.1 MgO 缓冲层的制备  53-54
    4.3.2 MgO 缓冲的蓝宝石上薄膜钡铁氧体的制备  54-55
    4.3.3 MgO 缓冲的蓝宝石上厚膜钡铁氧体的制备  55-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章钡铁氧体薄膜与GAN 的集成生长初探  58-64
  5.1 引言  58
  5.2 钡铁氧体直接沉积在GAN 外延片上  58-60
  5.3 钡铁氧体沉积在MGO 缓冲的GAN 外延片上  60-63
    5.3.1 在MgO 缓冲的GaN 上制备薄膜钡铁氧体  60-61
    5.3.2 在MgO 缓冲的GaN 上制备厚膜钡铁氧体  61-63
  5.4 本章小结  63-64
第六章主要结论及展望  64-67
  6.1 主要结论  64
  6.2 展望  64-67
    6.2.1 存在的问题及可能的解决方案  65
    6.2.2 钡铁氧体薄膜的结构、界面及磁性能的表征手段  65-67
致谢  67-68
参考文献  68-72
攻硕期间取得的研究成果  72-73

六角钡铁氧体薄膜的制备及其结构和磁性能的研究

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