α-Fe/TbFe2纳米晶交换耦合效应及磁致伸缩性能研究

论文摘要

巨磁致伸缩薄膜在微泵、微阀、微开关等MEMS系统以及微型器件中有着广阔的应用前景。本论文以提高TbFe薄膜的低场磁致伸缩性能为主要研究目标，利用TbFe2磁致伸缩相和α-Fe软磁相纳米晶交换耦合效应降低TbFe薄膜的饱和场，进而提高TbFe薄膜的低场磁致伸缩性能。主要开展了薄膜磁致伸缩系数测试系统发计和构建、非晶态TbFe磁致伸缩薄膜的制备及性能研究、α-Fe／TbFe2纳米晶交换耦合一维模型的建立，以及快速循环退火对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响等几个方面的系统研究。根据材料力学原理对磁致伸缩薄膜-基片悬臂梁结构进行了分析，推导得到了薄膜磁致伸缩系数与悬臂梁自由端挠度的关系式。基于激光光杠杆放大法，实现了薄膜磁致伸缩系数的计算机辅助测试。通过标定，测试系统的分辨率小于1ppm。采用磁控溅射法制备非晶TbFe薄膜，系统研究了Ar分压和溅射角度对TbFe薄膜微结构、磁性能以及磁致伸缩性能的影响。研究结果表明：随Ar分压的增大，TbFe薄膜中Tb含量增加，薄膜的磁畴结构由垂直于膜面逐渐转向平行于膜面，薄膜的垂直各向异性逐渐减小，面内各向异性逐渐增强。在适当的Ar分压范围内，Ar分压的增加有利于改善薄膜的软磁性能，提高薄膜的低场磁致伸缩性能。倾斜溅射可显著改善TbFe薄膜的软磁性能，提高薄膜的低场磁致伸缩性能。随溅射角度的减小，TbFe薄膜的软磁性能逐渐提高、饱和场逐渐降低、低场磁致伸缩性能逐渐提高。基于能量最小原理，首次建立了α-Fe／TbFe2纳米晶交换耦合一维模型，采用微磁学方法深入分析了α-Fe／TbFe2纳米晶交换耦合作用、α-Fe磁各向异性角、软磁相磁晶各向异性常数以及晶粒尺寸对TbFe薄膜磁性能以及磁致伸缩性能的影响。模拟结果表明：与单一的TbFe2相相比，α-Fe／TbFe2纳米晶交换耦合效应可显著改善TbFe薄膜的软磁性能，提高TbFe薄膜的低场磁致伸缩性能；α-Fe的磁各向异性角对TbFe薄膜的性能几乎没有影响；软磁相磁晶各向异性常数的减小，有利于TbFe薄膜软磁性能的改善，有利于提高TbFe薄膜低场磁致伸缩性能；α-Fe和bFe2相晶粒尺寸显著影响TbFe薄膜的性能，在交换耦合尺度范围内，随晶粒尺寸的增大，TbFe薄膜的软磁性能提高，在低场下，TbFe薄膜的磁致伸缩性能提高，而高场下，TbFe薄膜的磁致伸缩性能却降低。首次从理论上解释了α-Fe／TbFe2纳米晶交换耦合效应可提高TbFe薄膜的低场磁致伸缩性能。系统研究了快速循环退火对TbFe2和α-Fe纳米晶相的形成、TbFe薄膜微结构、磁性能以及磁致伸缩性能的影响。研究表明：在一定的温度和时间范围内，快速循环退火可在TbFe薄膜中获得纳米晶TbFe2磁致伸缩相和α-Fe软磁相；在交换耦合尺度范围内，TbFe2磁致伸缩相和α-Fe软磁相纳米晶交换耦合效应可显著改善TbFe薄膜的软磁性能，提高TbFe薄膜的低场磁致伸缩性能，实验研究结果与理论研究结果定性吻合。首次从实验上证实了α-Fe／TbFe2纳米晶交换耦合效应可提高TbFe薄膜的低场磁致伸缩性能。本论文得到的制备TbFe薄膜优化工艺参数为：Ar分压0．6Pa，溅射功率80W，靶基距70mm，溅射角度15°，退火温度550℃，退火时间240s，升温速率50℃／s。采用优化工艺制备的TbFe薄膜在外场为16kA／m时，薄膜的磁致伸缩系数为280ppm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁致伸缩效应及其发展
• 1.2 磁致伸缩薄膜研究背景
• 1.3 磁致伸缩薄膜的研究现状
• 1.3.1 磁致伸缩薄膜的实验研究现状
• 1.3.2 磁致伸缩薄膜的理论研究现状
• 1.3.3 薄膜磁致伸缩系数测试研究现状
• 1.4 磁致伸缩薄膜研究中存在的主要问题
• 1.5 论文的选题和主要研究内容
• 1.5.1 论文的选题
• 1.5.2 论文的主要研究内容
• 第二章 薄膜磁致伸缩系数测试系统的设计与构建
• 2.1 引言
• 2.2 磁致伸缩理论概述
• 2.2.1 磁致伸缩的唯象理论
• 2.3 薄膜-基片悬臂梁结构自由端挠度与薄膜磁致伸缩系数的关系推导
• 2.4 薄膜磁致伸缩系数测试系统的设计与构建
• 2.4.1 激光光杠杆放大法设计原理
• 2.4.2 测试系统的构建
• 2.4.3 测试系统的标定
• 2.4.4 应用实例
• 2.5 小结
• 第三章 非晶态TbFe磁致伸缩薄膜的制备及性能研究
• 2晶体结构与磁致伸缩原子模型'>3.1 RFe₂晶体结构与磁致伸缩原子模型
• 2晶体结构'>3.1.1 RFe₂晶体结构
• 3.1.2 磁致伸缩原子模型
• 3.2 TbFe薄膜的制备
• 3.3 TbFe薄膜的微结构及性能的表征
• 3.3.1 Ar分压对TbFe薄膜微结构、磁性能及磁致伸缩性能的影响
• 3.3.2 溅射角度对TbFe薄膜微结构、磁性能及磁致伸缩性能的影响
• 3.4 本章小结
• 2纳米晶交换耦合一维模型的建立'>第四章 α-Fe/TbFe₂纳米晶交换耦合一维模型的建立
• 4.1 微磁学理论概述
• 4.1.1 微磁学基本能量
• 4.1.2 能量最小化
• 4.1.3 动态方程
• 2纳米晶交换耦合模型的建立与求解'>4.2 α-Fe/TbFe₂纳米晶交换耦合模型的建立与求解
• 4.2.1 交换耦合模型的建立
• 4.2.2 模型的求解
• 4.2.3 求解算法
• 4.3 模拟结果与讨论
• 2纳米晶交换耦合效应对TbFe薄膜磁性能及磁致伸缩性能的影响'>4.3.1 α-Fe/TbFe₂纳米晶交换耦合效应对TbFe薄膜磁性能及磁致伸缩性能的影响
• 4.3.2 α-Fe磁各向异性角对TbFe薄膜磁性能和磁致伸缩性能的影响
• 4.3.3 软磁相磁晶各向异性常数对TbFe薄膜磁性能和磁致伸缩性能的影响
• 4.3.4 晶粒尺寸对TbFe薄膜磁性能和磁致伸缩性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 快速循环退火对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响研究
• 5.1 快速循环退火方法及设备
• 5.2 快速循环退火制备纳米晶薄膜机理
• 5.2.1 快速循环退火细化薄膜晶粒机理
• 5.2.2 快速循环退火对薄膜晶化分数的影响
• 5.3 快速循环退火温度对TbFe薄膜微结构、磁性能及磁致伸缩性能的影响
• 5.3.1 快速循环退火温度对TbFe薄膜微结构的影响
• 5.3.2 快速循环退火温度对TbFe薄膜磁性能的影响
• 5.3.3 快速循环退火温度对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响
• 5.4 快速循环退火时间对TbFe薄膜微结构、磁性能及磁致伸缩性能的影响
• 5.4.1 快速循环退火时间对TbFe薄膜晶粒尺寸的影响
• 5.4.2 快速循环退火时间对TbFe薄膜磁性能的影响
• 5.4.3 快速循环退火时间对TbFe薄膜磁致伸缩性能的影响
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 论文工作主要创新点
• 6.3 论文工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 作者简介