一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法
【专利摘要】一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，涉及纳米复合薄膜。将两片Fe65Co35靶安装在对向靶装置上；将Ni0.5Zn0.5Fe2O4靶安装在单靶上，将硅基片固定在沉积室内样品架上并抽真空；产生Fe、Co原子蒸汽，气相Fe、Co原子在溅射室中形成Fe65Co35合金纳米颗粒，经过过滤区喷嘴的筛选后得纳米粒子束流，进入沉积室并沉积到基片上；制备Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜；在旋转系统作用下使基片交替沉积Fe65Co35合金纳米颗粒和Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜，使Fe65Co35合金纳米颗粒在真空中直接原位组装到Ni0.5Zn0.5Fe2O4薄膜中形成双磁性相纳米复合薄膜。
【专利说明】一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米复合薄膜，尤其是涉及磁性金属/合金纳米粒子与常规铁氧体复合薄膜材料的一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]为了满足人们对电子器件轻便、小巧、高频(GHz频段)应用等的使用需求，致使其电磁元器件向着高频化、微型化、薄膜化、集成化等方向发展。虽然现有的集成电路制造工艺可以显著缩小处理器尺寸，但是仍有一部分核心部件比如集成电感、噪音抑制器等射频磁性器件在高频化、微型化和集成化等方面面临诸多困难。为了解决以上难题，具有高饱和磁化强度、高磁导率、高共振频率以及高电阻率(以便能有效抑制涡流损耗)的软磁薄膜材料引起了人们越来越多的关注。
[0003]金属软磁薄膜材料尽管具有比较高的饱和磁化强度，但其较低的电阻率限制了在高频器件上的应用。铁氧体作为传统的高频用软磁材料，虽然具有很高的电阻率，但由于其饱和磁化强度低，根据 Snoek 理论((μ s_l) fr = (2/3) Y 4 n Ms) (J.L.SNOEK, GyromagneticResonance in Ferrites, Nature, 1947, 160, 90),在 GHz 使用频率下无法保持高的磁导率。因此铁氧体为作为单一相高频磁性材料已经不能满足现代射频集成电路向高频化、微型化等的发展的要求。目前，提高磁性薄膜材料高频性能的一个重要途径是将具有高饱和磁化强度的铁磁性颗粒(如Fe65Co35合金纳米颗粒)复合封装到软磁铁氧体薄膜(如Nia5Zna5Fe2O4薄膜)中形成新型的(Fe65Co35)i(Ni0.5Zn0.5Fe204)双磁性相纳米复合薄膜，这种复合薄膜不仅具有铁磁性颗粒的特性(高的饱和磁化强度)，而且可以保持常规铁氧体薄膜的重要性质(高的电阻率)。
[0004]然而，传统的共溅射的方法不能用来制备这种新型复合薄膜，这是因为从高饱和磁化强度的磁性金属(Fe、Fe-Co、Fe-Ni等)靶上溅射出来的Fe、Co、Ni等磁性原子会与从铁氧体靶上溅射出来的各种原子一起，形成另一种成分比例的铁氧体薄膜或者一种复杂的混合结构，而不能得到所期望的双磁性相纳米复合薄膜，进而影响其高频性能。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有共溅射方法制备纳米复合薄膜的技术难题，提供一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法。
[0006]本发明包括以下步骤:
[0007]I)将两片Fe65Co35靶安装在对向靶装置上，接直流电源；将Nia5Zna5Fe2O4靶安装在单靶上，接射频电源，将硅基片固定在沉积室内可旋转的样品架上并抽真空；
[0008]2)产生Fe、Co原子蒸汽，气相Fe、Co原子在溅射室中通过与惰性气体的碰撞损失能量而形成Fe65Co35合金纳米颗粒,形成的Fe65Co35合金纳米颗粒在压力梯度的影响下经过过滤区喷嘴的筛选后得到纳米粒子束流，最终进入沉积室并沉积到硅基片上；
[0009]3)制备 Nia5Zna5Fe2O4 薄膜；
[0010]4)在旋转系统的作用下，使娃基片交替沉积Fe65Co35合金纳米颗粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜,使Fe65Co35合金纳米颗粒在真空中直接原位组装到Nia5Zna5Fe2O4薄膜中以形成(Fe65C035)O(Nia5Zna5Fe2O4)双磁性相纳米复合薄膜。
[0011]在步骤2)中，所述产生Fe、Co原子蒸汽可采用对向靶等离子体溅射的方法产生Fe、Co原子蒸汽；所述形成Fe65Co35合金纳米颗粒的方法可采用等离子体派射惰性气体冷凝法；所述Fe65Co35合金纳米颗粒的尺寸可以通过Ar、He的气体流量和比例来调节所述Fe65Co35合金纳米颗粒的尺寸可为4?18nm。
[0012]在步骤3)中，所述制备Ni。.5Zn0.5Fe204薄膜可通过传统磁控溅射的方法制备Ni0.5Zn0.5Fe204 薄膜。
[0013]Fe65Co35合金纳米颗粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜的沉积速率可分别通过石英晶体膜厚计和台阶膜厚仪来测量，通过改变可调节挡板的间距从而控制Nia5Zna5Fe2O4基体的比例，复合薄膜的厚度通过台阶膜厚仪来测量，复合薄膜中Fe65Co35合金纳米颗粒的含量通过电子探针最终测得。
[0014]本发明将由等离子体溅射惰性气体冷凝法制备的磁性金属或合金纳米颗粒在真空中直接原位组装到铁氧体基体中，并可以实现复合薄膜的结构控制和成分可调。本发明克服了由传统共溅射方法造成的复合薄膜中铁氧体组分会被改变的技术难题。本发明制备的复合薄膜既利用了磁性金属或合金纳米颗粒高饱和磁化强度的特点，又由于低电阻率的磁性金属或合金纳米粒子被高电阻率的软磁性铁氧体薄膜隔离开，从而使得复合薄膜在相比单一软磁性铁氧体薄膜饱和磁化强度大幅提高的前提下，仍然具有高电阻率的特点；并且制备工艺简单，结构和性能调控方便，适合科学研究与工业生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明所提供的纳米颗粒复合薄膜沉积系统示意图。该系统分为三个腔室，分别为溅射室A、过滤区B和沉积室C ;图1中，标记I为对向靶装置；2为溅射室喷嘴；3为一级喷嘴；4为二级喷嘴；5为插板阀；6为纳米颗粒束流；7为单靶装置；8为石英晶体膜厚计；9为可调节挡板；10为娃基片；11为样品架；12为旋转系统；13为沉积室插板阀；14为溅射室插板阀。
[0016]图2为本发明实施例1中所制备的Fe65Co35合金纳米颗粒的透射电镜照片。在图2中，标尺为20nm。
[0017]图3为本发明实施例1中所制备的Fe65Co35合金纳米颗粒含量为24.5%的复合薄膜的Fe2P3/2区域的XPS谱图。在图3中，横坐标为结合能(eV)，纵坐标为强度(arb.units)，曲线a为原始图谱，曲线b为拟合曲线，曲线c为金属Fe的拟合峰，曲线d为Fe2+的拟合峰，曲线e为Fe3+的拟合峰。
[0018]图4为本发明实施例1中所制备的Fe65Co35合金纳米颗粒含量为24.5%的复合薄膜的Co2P3/2区域的XPS谱图。在图4中，横坐标为结合能(eV)，纵坐标为强度(arb.units)，曲线a为原始图谱，曲线b为拟合曲线，曲线c为金属Co的拟合峰。
[0019]图5为本发明实施例1中所制备的Fe65Co35合金纳米颗粒含量为24.5%的复合薄膜的Ni2P3/2区域的XPS谱图。在图5中，横坐标为结合能(eV)，纵坐标为强度(arb.units)，曲线a为原始图谱，曲线b为拟合曲线，曲线c为Ni2+的拟合峰。
[0020]图6为本发明实施例1中所制备的Fe65Co35合金纳米颗粒含量为24.5%的复合薄膜的Zn2P3/2区域的XPS谱图。在图6中，横坐标为结合能(eV)，纵坐标为强度(arb.units)，曲线a为原始图谱，曲线b为Zn2+的拟合峰。
[0021]图7为本发明实施例1中不同Fe65Co35合金纳米颗粒含量a为51%，b为35.4%，c为24.5%，d为18.5%，e为3.1%，f为O的复合薄膜的磁化曲线。在图7中，横坐标为磁场强度(Oe)，纵坐标为磁化强度(emu/cm3)。
[0022]图8为本发明实施例1中复合薄膜的电阻率、饱和磁化强度和矫顽力与？％5&)35合金纳米颗粒含量的关系。在图8中，横坐标为Fe65Co35合金纳米颗粒含量)，纵坐标为电阻率(19 μ Ω cm)、饱和磁化强度(emu/cm3)和矫顽力(Oe)。
【具体实施方式】
[0023]实施例1:参见图1?8，新型(Fe65Co35) @ (Ni0.5Zn0.5Fe204)双磁性相纳米复合薄膜的气相合成方法，其合成步骤如下:
[0024](a)将两片Fe65Co35靶安装在对向靶装置I上，对向靶装置I接维持电路中形成稳恒电流的直流电源D ^Nia5Zna5Fe2O4靶安装在单靶7上，单靶7接等离子体配套的射频电源G ;预先调节好可调挡板9的间距，将清洗好的硅基片10固定在沉积室C内可旋转的样品架11上，打开机械泵抽真空，当真空度达到20Pa左右时，打开沉积室插板阀13和溅射室插板阀14，开启沉积室和溅射室的分子泵E继续抽真空，使各室本底真空达到5 X KT4Pa ；
[0025](b)调节流量计使通入溅射室A的Ar气的流量为300sCCm，关闭插板阀5和溅射室插板阀14，打开罗茨泵F，这时溅射室压强为98Pa，调节样品架11位置，使未安装基片位置对准喷嘴，打开直流电源开始预溅射，溅射功率为400W，预溅射时间为Ih ；
[0026](c)调节流量计使通入沉积室C的Ar气的流量为28.3sccm,调节沉积室插板阀13的开口大小使沉积室压强为0.4Pa,调节样品架11位置，使未安装基片位置对准单靶7，打开射频电源开始预溅射，溅射功率为100W，预溅射时间为20min ；
[0027](d)打开室间插板阀5，Fe、Co原子在溅射室A中形核长大，经过溅射室喷嘴2后进入过滤区B，再经过一级喷嘴3和二级喷嘴4的过滤后，Fe65Co35合金纳米颗粒的尺寸将变得更均一，最后形成纳米颗粒束流6进入沉积室C。将石英晶体膜厚计8传感器降至纳米颗粒束流的轴心位置，利用分子振动膜厚计测量Fe65Co35合金纳米颗粒沉积速率。打开旋转系统12，调节旋转速率，使样品架有节奏的旋转，此时，有基片的位置将会交替出现在纳米颗粒束流轴心与单靶轴心位置方向上，交替沉积Fe65Co35合金纳米颗粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜，通过控制可调挡板9的间距来控制Nia 5Zn0.5Fe204基体在复合薄膜中的比例，通过控制沉积时间来控制复合薄膜的厚度。
[0028]实施例2:新型FeO(Nia5Zna5Fe2O4)双磁性相纳米复合薄膜的气相合成方法，采用与实施例1相同的步骤，两片靶材换为Fe靶。
[0029]实施例3:新型(Fe-Ni)O(Nia5Zna5Fe2O4)双磁性相纳米复合薄膜的气相合成方法，采用与实施例1相同的步骤，两片靶材换为Fe-Ni合金靶。
[0030]本发明的工作原理是:将由等离子体溅射惰性气体冷凝法制备的铁磁性金属或合金纳米颗粒在真空中直接原位组装到铁氧体基体中，通过改变可调挡板的间距来调节纳米颗粒和基体的比例。
[0031]本发明利用等离子体溅射惰性气体冷凝法制备出磁性金属/合金纳米颗粒，同时利用传统磁控溅射的方法沉积铁氧体薄膜，在电控旋转系统的作用下，使磁性纳米颗粒与铁氧体基体在真空中通过原位组装来制备新型双磁性相纳米复合薄膜，克服了由传统共溅射方法造成的复合薄膜中铁氧体组分会被改变的技术难题。这种新型的复合薄膜既保持了铁磁性金属/合金纳米颗粒高饱和磁化强度的特点又具有铁氧体薄膜高电阻率的特点，并且复合薄膜的结构与成分可控，制备工艺简单，适合科学研究与工业生产。
【权利要求】
1.一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤: 1)将两片Fe65Co3^E安装在对向靶装置上，接直流电源^Nia5Zna5Fe2O4靶安装在单靶上，接射频电源，将硅基片固定在沉积室内可旋转的样品架上并抽真空； 2)产生Fe、Co原子蒸汽，气相Fe、Co原子在溅射室中通过与惰性气体的碰撞损失能量而形成Fe65Co35合金纳米颗粒,形成的Fe65Co35合金纳米颗粒在压力梯度的影响下经过过滤区喷嘴的筛选后得到纳米粒子束流，最终进入沉积室并沉积到硅基片上； 3)制备Nia5Zna5Fe2O4 薄膜； 4)在旋转系统的作用下，使硅基片交替沉积Fe65Co35合金纳米颗粒和Nia5Zna5Fe2O4薄膜，使Fe65Co35合金纳米颗粒在真空中直接原位组装到Nia5Zna5Fe2O4薄膜中以形成(Fe65Co35) § (Ni0.5Zn0 5Fe204)双磁性相纳米复合薄膜。
2.如权利要求1所述一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述产生Fe、Co原子蒸汽采用对向靶等离子体溅射的方法产生Fe、Co原子蒸汽。
3.如权利要求1所述一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述形成Fe65Co35合金纳米颗粒的方法采用等离子体溅射惰性气体冷凝法。
4.如权利要求1所述一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述Fe65Co35合金纳米颗粒的尺寸通过Ar、He的气体流量和比例来调节。
5.如权利要求1所述一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述Fe65Co35合金纳米颗粒的尺寸为4?18nm。
6.如权利要求1所述一种双磁性相纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述制备Nia5Zna5Fe2O4薄膜通过传统磁控溅射的方法制备Nia5Zna5Fe2O4薄膜。
【文档编号】C23C14/14GK104451568SQ201510006670
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2015年1月7日 优先权日:2015年1月7日
【发明者】彭栋梁, 王俊宝, 王来森 申请人:厦门大学