α-Fe-TbFe-,2-納米晶交換耦合效應及磁致伸縮性能研究.pdf

1、巨磁致伸縮薄膜在微泵、微閥、微開關等MEMS系統(tǒng)以及微型器件中有著廣闊的應用前景。本論文以提高TbFe薄膜的低場磁致伸縮性能為主要研究目標，利用TbFe<,2>磁致伸縮相和α-Fe軟磁相納米晶交換耦合效應降低TbFe薄膜的飽和場，進而提高TbFe薄膜的低場磁致伸縮性能。主要開展了薄膜磁致伸縮系數(shù)測試系統(tǒng)設計和構建、非晶態(tài)TbFe磁致伸縮薄膜的制備及性能研究、α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換耦合一維模型的建立，以及快速循環(huán)退火對TbF

2、e薄膜磁致伸縮性能的影響等幾個方面的系統(tǒng)研究。 根據(jù)材料力學原理對磁致伸縮薄膜一基片懸臂梁結構進行了分析，推導得到了薄膜磁致伸縮系數(shù)與懸臂梁自由端撓度的關系式?；诩す夤飧軛U放大法，實現(xiàn)了薄膜磁致伸縮系數(shù)的計算機輔助測試。通過標定，測試系統(tǒng)的分辨率小于1ppm。 采用磁控濺射法制備非晶TbFe薄膜，系統(tǒng)研究了Ar分壓和濺射角度對TbFe薄膜微結構、磁性能以及磁致伸縮性能的影響。研究結果表明：隨Ar分壓的增大，TbFe薄膜

3、中Tb含量增加，薄膜的磁疇結構由垂直于膜面逐漸轉向平行于膜面，薄膜的垂直各向異性逐漸減小，面內各向異性逐漸增強。在適當?shù)腁r分壓范圍內，Ar分壓的增加有利于改善薄膜的軟磁性能，提高薄膜的低場磁致伸縮性能。傾斜濺射可顯著改善TbFe薄膜的軟磁性能，提高薄膜的低場磁致伸縮性能。隨濺射角度的減小，TbFe薄膜的軟磁性能逐漸提高、飽和場逐漸降低、低場磁致伸縮性能逐漸提高。 基于能量最小原理，首次建立了α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換

4、耦合一維模型，采用微磁學方法深入分析了α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換耦合作用、α-Fe磁各向異性角、軟磁相磁晶各向異性常數(shù)以及晶粒尺寸對TbFe薄膜磁性能以及磁致伸縮性能的影響。模擬結果表明：與單一的TbFe<,2>相相比，α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換耦合效應可顯著改善TbFe薄膜的軟磁性能，提高TbFe薄膜的低場磁致伸縮性能；α-Fe的磁各向異性角對TbFe薄膜的性能幾乎沒有影響；軟磁相磁晶各向異性常數(shù)的減小，有利于Tb

5、Fe薄膜軟磁性能的改善，有利于提高TbFe薄膜低場磁致伸縮性能；α-Fe和bFe<,2>相晶粒尺寸顯著影響TbFe薄膜的性能，在交換耦合尺度范圍內，隨晶粒尺寸的增大，TbFe薄膜的軟磁性能提高，在低場下，TbFe薄膜的磁致伸縮性能提高，而高場下，TbFe薄膜的磁致伸縮性能卻降低。首次從理論上解釋了α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換耦合效應可提高TbFe薄膜的低場磁致伸縮性能。系統(tǒng)研究了快速循環(huán)退火對TbFe<,2>和α-Fe納米晶相的

6、形成、TbFe薄膜微結構、磁性能以及磁致伸縮性能的影響。研究表明：在一定的溫度和時間范圍內，快速循環(huán)退火可在TbFe薄膜中獲得納米晶TbFe<,2>磁致伸縮相和α-Fe軟磁相；在交換耦合尺度范圍內，TbFe<,2>磁致伸縮相和α-Fe軟磁相納米晶交換耦合效應可顯著改善TbFe薄膜的軟磁性能，提高TbFe薄膜的低場磁致伸縮性能，實驗研究結果與理論研究結果定性吻合。首次從實驗上證實了α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換耦合效應可提高TbFe