退火溫度對(duì)Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響*

徐　杰，高　麗，馬駿馳，宋秋紅，王皓輝

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

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退火溫度對(duì)Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響*

徐杰，高麗，馬駿馳，宋秋紅，王皓輝

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

摘要：采用射頻磁控濺射方法在Si(100)襯底沉積Ni-Mn-In磁性形狀記憶合金薄膜。系統(tǒng)研究了退火溫度對(duì)Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜顯微組織結(jié)構(gòu)和磁性能的影響。研究表明，退火溫度為873K時(shí)薄膜已完全結(jié)晶，隨退火溫度增加，薄膜表層顆粒細(xì)化。退火后薄膜的X射線衍射圖表明，Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜均由立方L21奧氏體母相和14M調(diào)制馬氏體相組成。Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜母相晶格常數(shù)、馬氏體相的晶胞體積和薄膜平均晶粒尺寸均隨退火溫度增加而增大。Ni51.33Mn33.23In15.43磁性記憶合金薄膜室溫初始磁化曲線表明，在1.8T磁場(chǎng)下，薄膜均未達(dá)到磁飽和。隨退火溫度增加，薄膜的初始磁化強(qiáng)度先增加后減小，在退火溫度為973K時(shí)達(dá)到最大。室溫磁滯回線結(jié)果表明，Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的矯頑力較小，呈現(xiàn)出典型的軟磁性。

關(guān)鍵詞：鐵磁形狀記憶合金；Ni-Mn-In薄膜；磁控濺射；顯微結(jié)構(gòu)；磁性能

0引言

鐵磁形狀記憶合金同時(shí)存在鐵磁性和形狀記憶效應(yīng)，其形狀記憶效應(yīng)可有溫度、應(yīng)力和磁性驅(qū)動(dòng)，最早由Ullakko等在1996年報(bào)道[1]。在磁性形狀記憶合金中，Ni-Mn-Ga合金由于產(chǎn)生10%磁感生應(yīng)變而得到廣泛的研究[2]。最近Sotu等[3]報(bào)道了一種新型形狀記憶合金Ni-Mn-X(X=In,SnandSb)，其馬氏體相的磁性小于母相的磁性。與Ni-Mn-Ga依靠磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)馬氏體變體重排產(chǎn)生宏觀應(yīng)變不同，Ni-Mn-In基合金的母相與馬氏體相具有較大的飽和磁化差，施加磁場(chǎng)后相變溫度顯著降低，一定溫度范圍內(nèi)施加磁場(chǎng)可使合金從馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槟赶啵瑥亩a(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)[4]。Ni-Mn-In合金的輸出應(yīng)力比Ni-Mn-Ga高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，響應(yīng)頻率高達(dá)5 000Hz。Krenke等[5]報(bào)道Ni50Mn34In16合金呈磁彈性，在室溫下為馬氏體相，在磁場(chǎng)作用下誘發(fā)成奧氏體相，去掉磁場(chǎng)后，合金又重新轉(zhuǎn)變成馬氏體相。Ni50Mn35-xInx的研究表明，只有在x<16時(shí),存在馬氏體轉(zhuǎn)變[6]。然Ni-Mn-In基合金的本征脆性高、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)極大限制了其實(shí)際應(yīng)用。Ni-Mn-In-Co甩帶的研究表明，退火溫度可提高奧氏體的有序度，減小臨界磁場(chǎng)和磁場(chǎng)誘發(fā)馬氏體相變的滯后現(xiàn)象[7]。Gonzalez-Legarreta等[8]研究表明，Ni50.0Mn35.4In14.5甩帶在退火溫度<1 098K時(shí)，奧氏體相的有序度和晶格常數(shù)隨退火溫度增大而增加。綜上所述，退火溫度對(duì)Ni-Mn-In合金和甩帶有重要影響。然退火溫度對(duì)磁控濺射制備的Ni-Mn-In磁性形狀記憶合金薄膜的研究尚少。

本文研究的Ni51.33Mn33.23In15.43磁性形狀記憶合金薄膜通過(guò)射頻磁控濺射技術(shù)沉積在Si(100)襯底上。主要研究退火溫度對(duì)Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜微觀結(jié)構(gòu)和磁性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用多靶磁控濺射儀(ACS-4000-C4)在(100)取向p型單晶硅襯底上沉積Ni-Mn-In薄膜。靶材成分為Ni50Mn35In15，用中頻磁控熔煉爐制備。濺射薄膜的成分采用掃描電子顯微鏡JSM-6380LV附帶的能譜分析儀測(cè)得。對(duì)成分為Ni51.33Mn33.23In15.43的薄膜分別真空密封在3個(gè)石英管中。密封的薄膜分別在溫度為873，973和1 073K電阻爐中退火1h，采用到溫入爐，并隨爐冷卻。采用掃描電子顯微鏡JSM-6380LV觀察沉積態(tài)和退火后薄膜的微觀形貌。退火后的薄膜晶體結(jié)構(gòu)采用D/MAX-2200X射線衍射儀測(cè)得。采用lakeshore7407振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)試室溫下退火后薄膜的磁性能，使磁場(chǎng)方向平行于薄膜表面得到退火后薄膜的磁化曲線。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1微觀結(jié)構(gòu)

圖1所示為Ni51.33Mn33.23In15.43磁性形狀記憶合金薄膜未退火和分別在873，973和1 073K電阻爐中退火1h的二次電子圖像。可以看出，隨退火溫度的增加薄膜表面的顆粒細(xì)化。從圖1(a)、(b)可以看出，未退火薄膜表面較平整，且未結(jié)晶。從圖1(c)、(d)可以看出，873K時(shí)薄膜已完全結(jié)晶。當(dāng)退火溫度為1 073K時(shí)，如圖1(g)、(h)所示，薄膜表面覆蓋一些白點(diǎn)。通過(guò)對(duì)白點(diǎn)部分和其它部分成分進(jìn)行分析，可知白點(diǎn)部分In的含量明顯高于其它部分，為In的析出物。

圖1不同退火溫度Ni51.33Mn33.23In15.43合金薄膜的二次電子圖像

Fig1SecondaryelectronimagesNi51.33Mn33.23In15.43annealedthinfilms

2.2晶體結(jié)構(gòu)

圖2所示為室溫下沉積態(tài)和分別在873，973和1 073K電阻爐中退火1h的Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的X射線衍射圖。可以看出沉積態(tài)薄膜的XRD有一個(gè)銳鋒，但另兩個(gè)峰寬且不銳，說(shuō)明沉積態(tài)薄膜未晶化。退火后薄膜的衍射曲線有較強(qiáng)的峰。通過(guò)對(duì)衍射峰進(jìn)行標(biāo)定，可知退火后薄膜存在超晶格點(diǎn)陣(311)，所有退火后薄膜均由立方L21奧氏體母相和14M調(diào)制馬氏體相組成。隨退火溫度的增加，母相的晶格常數(shù)逐漸增大，分別為0.6054，0.6059和0.6061nm。馬氏體的晶胞體積亦隨退火溫度增加而增大，分別為9.3887，9.90939和10.4484nm3。薄膜的平均晶粒尺寸可根據(jù)Scherrer公式從XRD數(shù)據(jù)得出，分別為37.2, 53和58.8nm。因此，隨退火溫度增加，Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜均由體心L21奧氏體母相和14M調(diào)制馬氏體相組成。母相的晶格常數(shù)、馬氏體相的晶胞體積和薄膜的平均晶粒尺寸均隨退火溫度增加而增大。另圖2所示不同退火溫度的X射線衍射圖，在33.35和36.303°仍有較強(qiáng)峰隨退火溫度的增加而減小。如星號(hào)所示，以及其它一些峰目前尚無(wú)法標(biāo)出其晶格參數(shù)，需要進(jìn)一步研究。

圖2不同退火溫度下Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的X射線衍射圖

Fig2X-raydiffractionpatternsofNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmsdepositedonSisubstanceatdifferentannealtemperature

2.3薄膜磁性能

圖3所示為不同退火溫度下Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的室溫初始磁化曲線。

圖3室溫下不同退火溫度Ni51.33Mn33.23In15.43磁性形狀記憶合金薄膜的初始磁化曲線

Fig3InitialmagnetizationcurveofNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmsannealedatdifferenttemperature

由圖3可看出在1.8T下，薄膜尚未達(dá)到磁飽和，說(shuō)明退火后Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜呈亞鐵磁性。隨退火溫度增加，薄膜的初始磁化強(qiáng)度先增加后減小，在退火溫度為973K時(shí)達(dá)到最大值。以上薄膜的XRD研究表明，晶粒尺寸隨退火溫度增加而增加。眾所周知，晶粒尺寸增加會(huì)使晶界數(shù)量較少，從而降低磁疇移動(dòng)的阻力。因此，973K時(shí)的初始磁化曲線高于873K主要由晶粒尺寸隨退火溫度增加引起。然隨退火溫度進(jìn)一步增加到1 073K，初始磁化曲線強(qiáng)度反而下降。Recarte等[9]在研究Ni-Mn-In合金磁性時(shí)得出原子有序度提高可增強(qiáng)奧氏體的磁性。Miyamoto等[10]報(bào)道表明Ni-Mn-In合金存在一個(gè)從高度有序的立方L21結(jié)構(gòu)向無(wú)序度較高的B2結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的溫度TB2/L21，大約在950K左右。因此，可以認(rèn)為1 073K退火薄膜的初始磁化曲線低于973K退火薄膜是由于存在轉(zhuǎn)變溫度 TB2/L21在973和1 073K之間，當(dāng)退火溫度超過(guò)TB2/L21時(shí)，使薄膜從高度有序的立方L21結(jié)構(gòu)向無(wú)序度較高的B2結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，隨爐冷卻后，部分保留了B2結(jié)構(gòu)，降低了原子有序度，進(jìn)而使薄膜的磁性降低。

圖4 所示為不同退火溫度下Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的室溫磁滯回線。

圖4室溫下不同溫度退火的Ni51.33Mn33.23In15.43磁性形狀記憶合金薄膜的磁滯回線

Fig4 M-HloopofNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmsdepositedatsiliconsubstrateannealedatdifferenttemperature

從圖4可以看出退火后的Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的矯頑力較低，表現(xiàn)為典型的軟磁性。隨退火溫度增加，矯頑力先增加后減小，數(shù)值變化不大。

3結(jié)論

系統(tǒng)研究了退火溫度對(duì)Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的顯微結(jié)構(gòu)和磁性能的影響。結(jié)果表明，Ni51.33Mn33.23-In15.43薄膜在873K退火就已完全晶化，隨退火溫度的增加，薄膜表面的顆粒細(xì)化；退火后Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的均由母相和14M馬氏體相組成，隨退火溫度增加，薄膜的物相不發(fā)生變化。薄膜中奧氏體相的晶格常數(shù)、馬氏體相的晶胞體積及薄膜的平均晶粒尺寸均隨退火溫度增加而增大；退火后的薄膜在室溫，1.8T磁場(chǎng)下，初始磁化強(qiáng)度先增后降，在973K時(shí)達(dá)到最大。退火后的Ni51.33Mn33.23In15.43薄膜的矯頑力較低，表現(xiàn)為典型的軟磁性。隨退火溫度增加，矯頑力先增加后減小，數(shù)值變化不大。

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InfluenceofannealingtemperatureonmicrostructureandmagneticpropertiesofNi51.33Mn33.23In15.43magneticshapememorythinfilm

XUJie,GAOLi,MAJunchi,SONGQiuhong,WANGHaohui

(CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

Abstract:PolycrystallineNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmwasdepositedbytheR.F.magnetronsputteringonwell-cleanedsubstrateofSi(100).TheinfluenceofannealingtemperatureonthemicrostructureandmagneticpropertiesofdepositedNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmareinvestigated.TheincreaseofannealingtemperaturedecreasestheparticlesizeofthesurfaceofNi51.33Mn33.23In15.43thinfilms.Theanalysisofannealedthinfilmsshowthatcrystallizationwasfullycompletedwhenannealedat873Kandalltheannealedthinfilmsareconsistedofparentphaseand14Mmodulatedmartensitephase.Andthelatticeparameterandcellvolumeincreasewithannealingtemperature.TheinitialmagnetizationcurvemanifeststhattheNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmswasferrimagnetism.Withtheincreaseofannealingtemperature,theinitialmagnetizationenhancesfirstlyandthendecreases,andreachesthemaximumvaluewhenannealingtemperatureis973K.ThehysteresisloopindicatesthatNi51.33Mn33.23In15.43thinfilmspresentthetypicalsoftmagnetic.

Keywords:ferromagneticshapememory;Ni-Mn-Inthinfilm;sputtering;microstructureandmagnetization

文章編號(hào)：1001-9731(2016)06-06225-03

* 基金項(xiàng)目：國(guó)家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51401122);上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13ZR1419400)

作者簡(jiǎn)介：徐杰(1989-)，男，山東郯城人，在讀碩士，師承高麗老師，從事磁驅(qū)動(dòng)薄膜材料研究。

中圖分類號(hào)：TG111.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.042

收到初稿日期：2015-06-24 收到修改稿日期：2015-10-26 通訊作者：高麗，E-mail:lgao@shou.edu.cn