Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x的永磁薄膜性能的研究

王 永，陈 吉

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x的永磁薄膜性能的研究

王 永，陈 吉

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

稀土永磁合金薄膜在微机电系统（MEMS）、磁记录介质、自旋电子元件和医疗科学领域有着重要的应用。SmCo基永磁薄膜，其内禀居里温度高于其他永磁薄膜，高温条件下有更高的稳定性,因而在MEMS 中具有潜在的应用前景。采用复合靶和纯钐靶共溅射制备出SmCo基永磁薄膜样品，研究了薄膜合金中Sm含量以及退火温度等对Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x相结构、微观形貌以及磁性能的影响，得出以下结论：退火温度对薄膜织构也有明显影响。随着退火温度提高，薄膜织构增强，矫顽力提高。随着Sm含量的提高，薄膜中SmCo相析出增多，组织更加均匀，矫顽力明显提高。

稀土；薄膜；矫顽力；微观形貌

随着半导体加工技术的不断进步，人们开始利用微加工技术制造出各种微小尺寸的机械零件，MEMS技术也成为机械等领域的热门研究。微机电系统（Micro Electromechanical System-MEMS）基本上是指尺寸在厘米级以下乃至更小的小型装置，广泛应用于交通、通信、航空航天、生物医学等高新产业技术领域[1]。永磁薄膜是实现 MEMS系统中电磁效应的主要功能材料之一，因此研究制备高性能的永磁薄膜材料对提高MEMS系统的性能以及集成化有着非常重要的意义[2]。

随着近年来，MEMS工作环境温度的提高和微细加工技术中不可避免的高温( ～400 ℃) ,永磁薄膜( 1～ 500 μm)的高温磁学行为日益受到重视[3-7]。由于Sm-Co永磁薄膜的内禀居里温度高于NdFeB等永磁薄膜，从而在高温条件下有更高的稳定性,因而在MEMS 中具有潜在的应用前景。

因此，制备高温用Sm-Co永磁薄膜具有非常重要的应用价值。

我们利用磁控溅射制备SmCo基永磁薄膜，通过纯钐靶和合金靶 Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x共溅射来制备薄膜样品,选取不同 Sm的溅射功率分别为10～35 W，研究 Sm含量以及退火温度对薄膜相结构、表面形貌以及磁性能的影响。

1 Sm含量对薄膜相结构、断面形貌以及磁性能的影响

对于SmCo基合金薄膜，钐元素的含量对薄膜的结构和磁性能有着非常重要的影响。我们利用磁控溅射设备制备永磁薄膜，通过纯钐靶和合金靶Sm共溅射来制备薄膜样品,选取不同Sm的溅射功率分别为10～35 W，研究Sm含量薄膜相结构、表面形貌以及磁性能的影响。

1.1 Sm含量对薄膜相结构的影响

图 1是室温沉积的不同 Sm 含量的Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)x合金薄膜在 700 ℃条件下退火30 min的XRD结果。从图中可以看到的时候，当Sm的溅射功率为10 W时，由于Sm含量太少的缘故，Sm2Co17的衍射峰强度很弱，而且有Fe3Co7相析出，说明此时薄膜合金中的Sm2Co17的相含量比较少，而薄膜合金中的Fe元素与剩余的Co元素反应生成了Fe3Co7的相。随着Sm含量的提高，Sm2Co17的衍射峰也随着增强，说明增多的Sm元素与Co发生反应，形成了更多的Sm2Co17的相，Fe3Co7的衍射峰也消失，这主要是由于Fe元素进入到2:17主相中去了。另外我们发现，随着Sm含量增大，Sm2Co17的衍射峰向低角度发生小角度的偏移，说明Sm2Co17的晶格间距增大，发生Sm2Co17相→SmCo7相→SmCo5相的转变。同时，衍射峰的强度逐渐增强。

图1 不同Sm含量的合金薄膜的X射线衍射谱Fig.1 XRD of films with different Sm content

1.2 Sm含量对薄膜断面形貌的影响

图2 不同Sm含量的合金薄膜的断面貌Fig. 2 The section morphology of films with different Sm content

图2是室温沉积的不同Sm含量的合金薄膜在900 ℃条件下退火10 min的断面形貌。薄膜在900℃退火条件下，随着Sm含量提高，晶粒析出明显增多。而从XRD的分析中我们也看到随着Sm含量的提高，薄膜的结晶度也明显提高。这是由于增多的Sm与薄膜中富余的Co元素发生反应，生成了更多的SmCo相。但是随着Sm含量的提高，薄膜致密度变差，出现了很多空洞。

另外，在900 ℃退火条件下薄膜随着Sm含量的提高，晶粒尺寸也随着变小。这是由于Sm含量增多，薄膜中晶粒表面的Sm2Co17相与Sm原子发生反应转化成SmCo5相，1∶5相增多，会抑制主相2∶17相晶粒尺寸的变大，从而降低了薄膜中的平均晶粒尺寸。

1.3 Sm含量对薄膜磁性能的影响

图3是室温沉积的不同Sm含量的合金薄膜在700 ℃条件下退火30 min的平行面内的磁滞回线。由于薄膜样品磁性较强，VSM测量磁场有限，样品磁化后无法完全退磁，造成磁滞回线不对称现象，我们只能从样品的退磁曲线进行分析。从图中我们可以直观看到，当Sm的溅射功率为25 W时，薄膜获得最大矫顽力1.8 T; 当Sm的溅射功率为30 W时，薄膜获得最大矫顽力1.6 T。与XRD结果对比，虽然Sm含量升高时，薄膜衍射峰增强，但其磁性能并没有随Sm含量增大而变好，分析可能是由于随Sm含量升高薄膜质量变差的原因。

图3 合金薄膜的平行于膜面的磁滞回线Fig.3 In-plane hysteresis loop of films with different Sm content

2 退火温度对薄膜相结构和磁性能的影响

由于沉积态的薄膜是非晶态的，薄膜的磁性能很差，对沉积的Sm-Co薄膜在高温条件下进行退火处理，可以使非晶态的Sm-Co薄膜晶化。而薄膜的晶化会对薄膜的矫顽力等磁性能有很大的影响，因此研究SmCo基薄膜的退火工艺条件对提高薄膜的矫顽力等磁性能有非常重要的作用。我们对Sm溅射功率为20 W的样品进行了700、800、900 ℃条件下退火，其中700、800 ℃条件下退火时，退火时间为30 min；900 ℃条件下退火时，退火时间为10 min。

2.1 退火温度对薄膜相结构的影响

图4是室温沉积的合金薄膜在700、800、900 ℃条件下退火的XRD结果。由图中可知，随着退火温度的升高，薄膜的衍射峰强度明显增强。当退火温度升高到800 ℃时，薄膜合金中有Sm2Co17相生成，而且此时出现 SmCo7相的(200)衍射峰。900 ℃时, SmCo7相(111)晶面的衍射峰明显增强，说明随着退火温度的增加，薄膜的SmCo7相(111) 织构增加。另外发现随着退火温度的提高，薄膜SmCo7相(111) 晶面和Sm2Co17(200)晶面的衍射峰也变的更加锐利，这可能是随着退火温度的升高，两相晶粒长大的原因造成的。虽然900 ℃退火时间短于700、800℃退火时间，但是900 ℃退火时，薄膜的衍射峰强度明显增强，薄膜晶化程度提高，说明退火温度对薄膜织构的影响大于退火时间对薄膜织构的影响。

图4 不同退火温度的合金薄膜的XRDFig.4 XRD patterns of films with different annealing temperature

2.2 退火温度对薄膜磁性能的影响

图5 不同退火温度的合金薄膜的平行于膜面的磁滞回线Fig.5 In-plane hysteresis loop of films with different annealing temperature

图5是不同温度退火的薄膜的平行膜面的磁滞回线的比较。由于薄膜样品磁性较强，VSM测量磁场有限，样品磁化后无法完全退磁，造成磁滞回线不对称现象，我们只能从样品的退磁曲线进行分析。从图4中我们可以直观的看到薄膜的矫顽力随着退火温度的增大获得了明显提高。在700和800℃退火时，矫顽力非常接近，大约有1.7 T，而当退火温度达到 900 ℃，薄膜的矫顽力获得明显的提高，达到了1.98 T。而当退火温度从700 ℃增大到900 ℃时，薄膜的矫顽力已提高到0.28 T，这可能是随着退火温度的提高，薄膜晶粒尺寸长大到合适的尺寸，且晶粒尺寸趋于均匀化，有助于矫顽力的提高；另外，在900 ℃退火条件的薄膜样品比700℃退火的薄膜样品剩磁比M/Ms有所提高。

4 结 论

（1）随着Sm含量增大，发生Sm2Co17相→SmCo7相→SmCo5相的转变。同时，衍射峰的强度逐渐增强；随着Sm含量增大，薄膜中晶粒析出明显增多，平均晶粒尺寸减小，薄膜致密度变差，出现了很多空洞；当Sm的溅射功率为25 W时，薄膜获得最大矫顽力1.8 T。

（2）高温退火时，薄膜的衍射峰强度明显增强，薄膜晶化程度提高，晶粒尺寸趋于均匀化。退火温度达到900 ℃，薄膜的矫顽力获得明显的提高，达到了1.98 T。

［1］都有为.磁性材料进展[J].物理，2000, 29 (6): 323-332.

［2］王亦忠.永磁薄膜的研究现状[J].磁性材料及器件，2001,32(4):27-32.

［3］Cugat O, Delamare J, Reyne G. Magnetic micro-actuators and systems (MAGMAS)[J].IEEE Trans Magn ,2003,39:3608-3612.

［4］Pina E, Palomares F J, Garca MA, et al. Coercivity in SmCo hard magnetic films for MEMS applications[J]. J Magn Magn Mater ,2005, 290-291: 1234-1236.

［5］Weller D, Moser A, Folks, et al. High Ku materials approach to 100 Gbits/in2[J]. IEEE Trans Magn , 2000,36:10-15.

［6］Budde T, Gatzen H H. Patterned sputter deposited SmCo-films for MEMS applications[J]. J Magn Magn Mater, 2002, 242-245: 1146-1148.

［7］Walther A, Givord D, Dempsey N M, et al. Structural, magnetic, and mechanical properties of thick SmCo films suitable for use in microelectromechanical systems[J].J Appl Phys ,2008, 103: 043911-043916.

Study on Sm(CobalNi0.18Fe0.1Zr0.04)xPermanent Magnetic Films

WANG Yong，CHEN Ji
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The flms of rare earth transition metal (RE-TM) alloys have great technological applications in the feld of microelectromechanical systems (MEMS), recording media, spintronic devices and medical science. SmCo permanent magnet films have better high temperature stability because its intrinsic curie temperature is higher than other permanent magnet films; the SmCo permanent magnet films have potential application prospect in MEMS. In this paper, Sm-Co based permanent magnetic films were prepared by co-sputtering composite targets and pure Sm targets. Effect of Sm content and annealing temperature on the film microstructure and magnetic properties of the Sm-Co films was investigated. The results indicate that: the annealing temperature plays an important role in the film texture. With the increase of the annealing temperature, the texture of the films is enhanced and the coercivity is also improved. With the increase of Sm content, the precipitation is enhanced to form uniform films, which can improve the coercivity.

Rare earth; Thin film; Coercive force; Microstructure

TQ 031

A

1671-0460（2014）11-2243-03

2014-04-14

王永（1985-），男，河北唐山人，硕士在读，研究方向：稀土永磁薄膜。E-mail：wy517503479@163.com。

陈吉（1974-），男，教授，博士，研究方向：装备材料的腐蚀与防护。E-mail：Jchen_Lsu@hotmail.com。