濺射工作氣壓對Fe/Si3N4多層膜微波磁性的影響

2010-03-13 楊長勝海軍裝備研究院航空裝備論證研究所

　　在不同的濺射氣壓下,采用連續(xù)磁控濺射制備了Fe/Si3N4多層膜,探討了濺射氣壓對多層膜微波磁性的影響。研究發(fā)現(xiàn),濺射氣壓影響著多層膜的沉積速率和微結(jié)構(gòu),在濺射鐵子層時,Ar氣流量控制在300sccm400sccm下,在濺射氮化硅子層時,氬氣與氮氣的流量控制在2∶1,總流量控制在320sccm時制備得到的多層膜具有最好的磁性能。

　　隱身技術(shù)關(guān)鍵基礎(chǔ)之一是吸波材料,當(dāng)前國內(nèi)吸波材料在2GHz～4GHz 的低頻下還存在吸收較弱的缺點,這限制了吸波材料的使用。對單層吸波材料而言,低頻下吸波材料電磁參數(shù)匹配特性的研究表明:較高的磁導(dǎo)率實部是達(dá)到高吸收率的必要條件,而適當(dāng)?shù)偷慕殡姵?shù)有利于電磁參數(shù)的匹配。對納米磁性多層膜的研究表明,其突出優(yōu)點之一就是在低頻下具有較高的磁導(dǎo)率,具備雷達(dá)波強吸收的潛力。　　

　　磁控濺射的工作氣壓主要影響著鍍膜沉積速率和多層膜的結(jié)構(gòu)與性能,不同濺射氣壓下,膜的沉積速率不同,結(jié)構(gòu)與性能也不同。目前國內(nèi)關(guān)于濺射氣壓對多層膜微波磁性的研究還鮮有報道。Wen 等認(rèn)為在金屬/介電多層膜中可能存在著粒子共振(Plasma resonance) 、界面粒子共振、鐵磁共振和自旋波共振。Camley 等認(rèn)為在鐵磁/ 非鐵磁磁性多層膜中存在偶極場耦合、交換耦合作用。當(dāng)非鐵磁子層的厚度非常厚(20nm～200nm) 時,在鐵磁子層間沒有直接的類交換耦合,此時一個鐵磁子層內(nèi)的進動自旋產(chǎn)生了偶極場,該偶極場延伸出來影響到其它鐵磁層內(nèi)的自旋運動。

　　如上所述,被非磁性層分離開的兩層磁性層通過長范圍的偶極場相互作用。但當(dāng)磁性層被非常薄(5A ～50A) 的非磁性層分隔開時,出現(xiàn)另外的相互作用,此相互作用可被數(shù)學(xué)表示成薄膜表面自旋間的有效交換作用。該交換作用被認(rèn)為來源于非磁性中間層中傳導(dǎo)電子的自旋極化并且部分依賴于非磁性層的厚度。

　　在磁控濺射制備納米多層膜鐵子層時,采用直流磁控濺射,本文研究了采用不同Ar 氣流量時對鍍制的多層膜的磁性能的影響。鍍制氮化硅子層時,采用了中頻濺射Si 靶的同時通入N2 反應(yīng)生成氮化硅,此時N2 與工作氣體Ar 的比率將影響到氮化硅層的成份和結(jié)構(gòu),因此本文同時研究了濺射氮化硅子層時N2 與Ar 的比率對磁性納米多層膜磁性能的影響。

1、實驗

1.1、原料

　　Fe 靶采用了太原共同物資公司出售的工業(yè)純鐵,牌號DT4-C;Si 靶采用了有色金屬研究院摻鋁Si 。濺射工作氣體采用了湖南京湘氣體廠生產(chǎn)的高純氬氣和氮氣,氬氣純度99.99 %,氮氣純度99.99 %。

1.2、實驗過程

　　采用磁控濺射法來制備磁性納米多層膜,連續(xù)卷繞制備設(shè)備如圖1 所示。

SC-SJ300 卷繞鍍膜機結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 　SC-SJ300 卷繞鍍膜機結(jié)構(gòu)示意圖

　　制備過程如下:抽真空,使濺射室的真空度達(dá)到要求。在鐵磁靶靶位通入高純氬氣(99.99 %) ,在介質(zhì)靶靶位通入反應(yīng)氣體和高純氬氣的混合氣體。設(shè)定鍍膜機的卷繞速度、卷繞長度、濺射電流和濺射功率等鍍膜參數(shù),在柔性基膜上鍍膜。達(dá)到所需的納米磁性多層膜周期數(shù)后,鍍膜完成。

1.3、測試方法

　　將鍍制的多層膜從基底薄膜上剝離,在研缽中研磨直到變成粉末,然后和石蠟按一定比例配比(重量百分比4∶1) ,用模具壓成同軸樣。樣品的電磁參數(shù)使用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀測試得到。