Fe3N納米晶薄膜退火過程的結構演變及其磁性

王麗麗,閆 巖,安 濤,盧 歆,譚 芳,王立杰,鄒 林

(長春大學 理學院,長春 130022)

磁性薄膜在高密度磁記錄、磁流體、磁傳感器和微波材料以及催化和環境治理等領域應用廣泛.由于Fe-N具有結構穩定、耐蝕、耐磨和良好的磁性,已引起人們廣泛關注[1-7].文獻[4]采用對靶磁控濺射研究了退火對不同氮含量Fe-N薄膜磁學性能的影響;文獻[5-6]研究了γ′-Fe4N薄膜的外延生長和晶格失配與飽和磁化強度的關系;文獻[7]研究了晶粒尺寸為40 nm的ε-Fe3N單位質量飽和磁矩.但關于具有六方晶系結構的納米晶ε-Fe3N薄膜在退火過程中的晶格畸變過程與磁學性能的關系研究目前未見文獻報道.因此,本文采用磁控濺射方法制備ε-Fe3N納米晶薄膜,并考察ε-Fe3N納米晶薄膜在退火過程的結構演變及磁性.

1 實 驗

1.1 薄膜的制備 在沈陽科學儀器研制有限公司生產的JGP-560B型高真空磁控濺射設備上制備納米晶Fe-N薄膜,濺射靶采用Fe靶(質量分數為99.99%),襯底采用Si(100)單晶片,并在丙酮、乙醇和去離子水中分別超聲清洗10 min,吹干,將其置于真空室內的樣品架上.在濺射過程中,襯底溫度為350 ℃,濺射壓強為0.8 Pa,濺射功率為96 W,以純N2氣(體積分數為99.99%)作為反應氣體,純Ar氣(體積分數為99.99%)作為濺射氣體,通過質量流量計和閘板閥控制N2氣流量為6.7 mL/min,Ar氣流量為60.3 mL/min,N2氣在Ar氣與N2氣混合氣體中的流量比為10%,濺射2 h即可得到薄膜樣品.

1.2 退火實驗 利用真空磁控濺射設備對薄膜樣品進行退火實驗,退火溫度為500～800 ℃,壓強為2×10-4Pa,保溫2 h后,隨爐降溫得到一系列樣品.

1.3 薄膜的表征 采用德國Bruker公司生產的D8tools型X射線衍射儀表征納米晶Fe-N薄膜的相結構,用Cu靶Kα射線源,管電流200 mA,管電壓40 kV;采用美國LakeShore公司生產的7407型振動樣品磁強計(VSM)測量薄膜室溫條件下的磁滯回線;采用梅特勒/托利多儀器(上海)有限公司生產的AB135-S型電子天平測量薄膜質量,天平精確度為0.01 mg.

2 結果與討論

圖1 N2氣分壓為10%所得薄膜樣品及其在真空中不同溫度退火后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of Fe-N samples deposited at N2 pressure 10% and annealed at different temperatures

2.1 退火過程的結構演變 氮氣分壓為10%所得薄膜樣品及其在真空中不同溫度退火后所得樣品的XRD譜如圖1所示.由圖1中曲線a可見,樣品為單相ε-Fe3N,但樣品的衍射峰較寬、強度較弱,即樣品的晶化度較低,晶粒尺寸較小.利用Scherrer公式計算ε-Fe3N樣品(111)衍射峰可得樣品的晶粒尺寸約為10 nm.由圖1中曲線b和c可見:退火后的樣品均保持單相的ε-Fe3N結構特征,其衍射峰變窄、強度增加,其中ε-Fe3N(111)衍射峰的相對強度明顯增大;隨著退火溫度的增加,樣品晶化程度提高,晶粒尺寸變大,并沿(111)方向擇優生長;經500 ℃退火樣品的(111)衍射峰位置較退火前向低角度方向有微小移動,600 ℃退火樣品的(111)衍射峰較500 ℃退火樣品有向高角度移動的趨勢,表明本文制備的ε-Fe3N薄膜樣品在經過500 ℃和600℃退火后,其晶格分別經歷了膨脹和收縮兩個過程,這是由于初始樣品的晶粒尺寸較小,比表面能和內壓力較大,經過500 ℃退火后晶粒尺寸增大,比表面能和內壓力減小,使得晶格發生膨脹[8],經過600 ℃退火后的晶格收縮,這是由于真空中高溫退火使得ε-Fe3N結構中的少量N原子脫出,形成結構上N空位的結構缺陷[9]所致.由圖1中曲線d可見,大部分ε-Fe3N相變為γ′-Fe4N.由圖1中曲線e可見,樣品除有少量的γ′-Fe4N外,大部分轉變為α-Fe.

2.2 退火過程的磁性分析 氮氣分壓為10%所得薄膜樣品及其在不同溫度退火后樣品的室溫磁滯回線如圖2所示.薄膜樣品的比飽和磁化強度和矯頑力列于表1.

由表1可見,未退火ε-Fe3N薄膜樣品的比飽和磁化強度和矯頑力分別為145 A·m2/kg和20.5 kA/m,各樣品在磁場的作用下均很快達到飽和,經過500 ℃退火的薄膜樣品矯頑力遠小于未經過退火的樣品矯頑力,比飽和磁化強度變化較小,與文獻[3,10]的結果相符.當退火溫度為600 ℃時,矯頑力明顯增大,這是由于高溫退火使得ε-Fe3N結構中的少量N原子脫出,形成N的空位結構缺陷所致.樣品在700 ℃和800 ℃退火時的磁性能變化是由于結構上的相轉變所致.

圖2 N2氣分壓為10%所得薄膜樣品及其在不同溫度退火后樣品的室溫磁滯回線Fig.2 Hysteresis loops for as-deposited ε-Fe3N film and the Fe-N films annealed at different annealing temperatures

綜上可見,氮氣分壓為10%所得ε-Fe3N單相薄膜樣品在退火溫度小于600 ℃時可保持結構穩定,隨著退火溫度的增加,晶格先膨脹后收縮.比飽和磁化強度變化較小,矯頑力先減小后增大,經過500 ℃退火的ε-Fe3N樣品軟磁性能最佳.

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(責任編輯：王 健)

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