α-Fe-TbFe-,2-納米晶交換耦合效應(yīng)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(kāi)關(guān)等MEMS系統(tǒng)以及微型器件中有著廣闊的應(yīng)用前景。本論文以提高TbFe薄膜的低場(chǎng)磁致伸縮性能為主要研究目標(biāo)，利用TbFe<,2>磁致伸縮相和α-Fe軟磁相納米晶交換耦合效應(yīng)降低TbFe薄膜的飽和場(chǎng)，進(jìn)而提高TbFe薄膜的低場(chǎng)磁致伸縮性能。主要開(kāi)展了薄膜磁致伸縮系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)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(duì)TbF

2、e薄膜磁致伸縮性能的影響等幾個(gè)方面的系統(tǒng)研究。 根據(jù)材料力學(xué)原理對(duì)磁致伸縮薄膜一基片懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)得到了薄膜磁致伸縮系數(shù)與懸臂梁自由端撓度的關(guān)系式。基于激光光杠桿放大法，實(shí)現(xiàn)了薄膜磁致伸縮系數(shù)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試。通過(guò)標(biāo)定，測(cè)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(duì)TbFe薄膜微結(jié)構(gòu)、磁性能以及磁致伸縮性能的影響。研究結(jié)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(jié)構(gòu)由垂直于膜面逐漸轉(zhuǎn)向平行于膜面，薄膜的垂直各向異性逐漸減小，面內(nèi)各向異性逐漸增強(qiáng)。在適當(dāng)?shù)腁r分壓范圍內(nèi)，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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)逐漸降低、低場(chǎng)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(xué)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(duì)TbFe薄膜磁性能以及磁致伸縮性能的影響。模擬結(jié)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(yīng)可顯著改善TbFe薄膜的軟磁性能，提高TbFe薄膜的低場(chǎng)磁致伸縮性能；α-Fe的磁各向異性角對(duì)TbFe薄膜的性能幾乎沒(méi)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(chǎng)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(nèi)，隨晶粒尺寸的增大，TbFe薄膜的軟磁性能提高，在低場(chǎng)下，TbFe薄膜的磁致伸縮性能提高，而高場(chǎng)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(yīng)可提高TbFe薄膜的低場(chǎng)磁致伸縮性能。系統(tǒng)研究了快速循環(huán)退火對(duì)TbFe<,2>和α-Fe納米晶相的

6、形成、TbFe薄膜微結(jié)構(gòu)、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(shí)間范圍內(nèi)，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(nèi)，TbFe<,2>磁致伸縮相和α-Fe軟磁相納米晶交換耦合效應(yīng)可顯著改善TbFe薄膜的軟磁性能，提高TbFe薄膜的低場(chǎng)磁致伸縮性能，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與理論研究結(jié)果定性吻合。首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了α-Fe/TbFe<,2>納米晶交換耦合效應(yīng)可提高TbFe