强磁场退火对Co基磁性薄膜微观结构和性能的影响

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Co基磁性薄膜因为其较高的饱和磁化强度以及极易获得的磁晶各向异性,被广泛地应用在高频磁记录和垂直磁记录领域。电沉积是一种经济而高效的制备Co基膜层的方法,此外通过合理地控制溶液以及电参数(脉冲电沉积)还可以获得纳米晶的膜层,达到进一步优化膜层性能的目的。为了消除电沉积过程中非平衡电结晶过程所带来的应力以及提高膜层的化学有序度,一般电沉积制备的膜层都需要进行热处理。然而,传统的热处理方式往往会导致纳米晶膜层晶粒的异常长大从而破坏膜层原有的优良性能。因此研究者们开始考虑在热处理过程中引入各种外场条件,以达到合理控制晶粒异常长大的目的。最近几年,研究者们发现在热退火过程中施加一种无接触的磁场,可以在有效地控制退火过程晶粒长大的同时还能优化膜层的组织结构以及相关性能。然而,这些研究通常是在较弱的磁场(B<1T)下进行,磁场的作用效果往往因为被热扰动效果所覆盖而不十分显著。许多已经获得的结果也需要进行深入的分析,这种分析应当被拓展到存在强磁场的情况,以期待产生确定性的结论。基于以上原因,本文采用在退火过程中施加不同强度强磁场的方法来研究强磁场退火对电沉积Co基薄膜的微观组织以及性能的影响。膜层的表面形貌分别使用场发射扫描电镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)进行了观察,并用AFM附带的Nova软件对膜层的晶粒尺寸和粗糙度进行了统计分析,膜层的晶体结构使用X射线衍射仪(XRD)进行了检测,膜层的力学性能和磁性能分别使用纳米压痕法和振动样品磁强计(VSM)进行了测试。所得结论如下:(1)对于不同磁场强度(0,0.5T)下直流电沉积的Co单金属薄膜的磁退火研究表明:退火过程中施加磁场之后,膜层的颗粒边界均变得清晰,颗粒尺寸和粗糙度也降低。(2)对于单向脉冲电沉积的CoNiP膜层的磁退火研究表明:膜层的颗粒尺寸和粗糙度在6T时与未施加磁场退火时相比明显增加。然而随着退火磁场强度的继续增加,膜层的颗粒尺寸和粗糙度都降低,在9T时拥有最小值。退火之后膜层中出现hcp结构的ε-Co合金,在磁场强度为12T时,其含量最多。此外在磁场强度为9T时,膜层中还出现了fcc-Ni的衍射峰。(3)对于双向脉冲电沉积的CoNiP膜层的磁退火研究表明:退火过程中施加磁场之后,膜层展现出两种完全不同的表面形貌,6T时为肠状,12T与0T时为豆状。0T和6T退火后膜层展现出(111)方向的择优取向,而磁场强度为12T时为(220)的择优取向。膜层的硬度随着退火磁场强度的增加而增加,杨氏模量在6T时最小,12T时最大。退火过程中施加磁场之后,膜层的饱和磁化强度降低,矫顽力增加。磁场强度为6T时拥有最小的饱和磁化强度和最大的矫顽力。总的来说,本文研究发现在退火过程中施加强磁场可以有效的控制Co基膜层微观结构以及性能。对于不同工艺所得到的不同成分膜层,不同强度磁场在退火过程中的影响也是非线性的。因此,为了扩大强磁场退火技术在新兴的微加工领域的应用,还需要针对不同种类膜层进一步深入研究,找出强磁场作用的普遍规律,通过优化磁场参数提高膜层的表面质量和综合性能。
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