论文摘要
本文利用磁控溅射技术在（100）取向单晶硅衬底上沉积了Ni-Mn-Ga-Gd合金薄膜。采用X射线衍射分析、能谱分析、扫描电子显微观察和原子力显微镜表面形貌分析等手段研究了溅射工艺和晶化工艺对Ni-Mn-Ga-Gd合金薄膜相结构、化学成分和表面形貌的影响规律;探明了快速加热冷却环境下的马氏体相变特征,建立了快速加热过程中的相变动力学机制,揭示了表面状态和相结构对薄膜光学反射率的影响规律及其机制。研究表明,溅射工艺对Ni-Mn-Ga-Gd合金薄膜的化学成分有显著影响。保持功率不变,薄膜中稀土Gd的含量随Ar工作压强的增大而减少,对于Ni-Mn-Ga薄膜,随溅射功率的增大,薄膜中Ni和Mn的含量减少,Ga的含量显著增加。试验结果表明,沉积于未加热衬底上的Ni-Mn-Ga-Gd薄膜退火处理前处于部分结晶状态;经550℃退火1小时后薄膜完全晶化,其晶化激活能为183.7kJ/mol。550℃退火1小时的Ni46.0 Mn27.1Ga25.6Gd1.3薄膜室温下为奥氏体相,为立方L21型有序结构;Ni47.4Mn26.3Ga24.8Gd1.5和Ni52.6Mn24.6Ga22.8薄膜室温下为四方结构的5M马氏体; Ni54.6Mn24.6Ga20.8薄膜是7M正交结构马氏体相。研究发现, Ni-Mn-Ga-Gd薄膜在加热和冷却过程中发生两步热弹性马氏体相变,马氏体相变温度和相变激活能随退火速率的增加而增加。在相同的退火速率下,第二步相变的激活能高于第一步相变激活能。光学反射率测试结果表明,在200nm～850nm波段内,合金薄膜光学反射率均随着入射光波长的增加而增大,在380nm附近由于存在等离子体震荡而发生光学反射率突变。同种结构和相近表面粗糙度的薄膜,Gd的添加降低了薄膜的反射率,其原因可能在于Gd的添加降低了薄膜的电子密度,电子浓度的增大有利于获得高反射率的合金薄膜。不同结构的马氏体相与母相间反射率差较大。在400nm的蓝光波段,5M马氏体相与母相的光学反射率差约为7%;7M马氏体相与母相的光学反射率差约为10%;T型马氏体与母相的光学反射率差约为17%。