纳米晶conife软磁薄膜的电化学制备与其结构、性能的分析

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1、第一章绪论处于试验研究的新型功能材料，己显示了巨大的应用潜力，是应用磁学领域研究开发的一个热点。磁性纳米材料以低也永磁和综合应用二者的磁记录、磁存储、高磁能及永磁材料而最具有特征性。在成分上以磁性基本元素Fe、Co、Ni和众多性质与作用各不相同的非磁性元素及其化合物之间的组合，采用新的工艺技术制作出具有优异磁性和综合技术特征的新型材料【2】。纳米晶软磁薄膜属于二维纳米材料，该类薄膜是由纳米量级的晶粒或颗粒构成，膜的性能强烈依赖于构成的晶粒，体现了一定的纳米结构特征。软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米晶态三个历程。1970

2、年Fe．Si．B非晶态合金研制成功，1988年Fe．Si．B．Nb．Cu纳米微软磁材料问世，都表现出了非常优异的软磁特性，引导软磁材料的研制进入另一个极端，要求晶粒尺寸尽可能小，以致达到纳米量级。根据无规各向异性理论，当晶粒尺寸小于交换作用长度时，有效磁各向异性常数与晶粒的6次方成反比，因此晶粒超微化将有利于降低材料的矫顽力，提高其磁导率【2】。纳米晶软磁材料具有十分优异的性能，目前沿着高频、多功能的方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，在高科技领域的应用日益显示出其重要性。软磁材料的特点是：磁导率高、矫顽力鼠低，

3、在外磁场较弱时，磁化强度即可达到较高值，取消外磁场时，材料保留的剩余磁感应值很小，很容易退磁，宏观上不显磁性。随着现代电子仪器、电子设备小型化、轻量化的发展，纳米晶软磁合金以其较高饱和磁感应强度历、高磁导率、低高频损耗等性能特点，表现出越来越大的优势【3】。在材料改进领域最成功的革新之一就是1979年电沉积法得到的坡莫合金permalloy(Ni80Fe20)薄膜，它在生产制造磁记录和微型发动机中起着至关重要的作用【4】。目前普遍使用的高B。软磁薄膜包括由电沉积得到的CoFe基合金【5-8l并llCoNiFe合金【9-111

4、以及溅射法制备的Fe基纳米剐t2-15]和FeN薄膜[16-18]。电沉积CoNiFe合金由于具有较高的饱和磁感强度和低矫顽力而被引起广泛关注，研究者们还发现细化晶粒会进一步优化它的各项性能。要想更加全面和深入地了解纳米晶软磁薄膜在制备中的各种技术、工艺问2第一章绪论题及其深层的影响因素，首先有必要对纳米材料的基本特征以及软磁材料的研究动态作进一步的了解。1．2纳米材料的基本特征由于纳米材料的特殊结构使之产生四大物理效应，即小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应，从而使之具有传统材料所不具备的光、电、

5、磁、热、声、力等物理性质。当金属或非金属被制备成小于100纳米的粉末时，其物理性质就发生了根本的变化，其强度、韧度、比热容、电导率、扩散率、饱和磁化强度、磁化率及对电磁波的吸收等都会发生巨大变化；据此可制造出具有特定功能的产品。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体在纳米材料中的扩散速率比在普通材料中快几千倍；磁性纳米材料的磁记录密度比普通磁性材料高10倍；纳米颗粒材料与生物细胞结合力很强，为人造骨质的应用拓宽了途径等119-21】。1．2．1小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干波

6、长或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的特性。例如：磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相转变等r19-21l。纳米粒的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，纳米尺度的强磁性颗粒(Fe．Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙等【2J。3第一章绪论1．2．2表面效应表面效应指纳米粒表面原子数与总原子数之比随粒子粒径的减小而大幅度增大，纳米粒的表面能和表面张力也随之大幅度增加，从而导致纳米粒性质发生重

7、大变化的现象。纳米粒表面的原子晶场中有许多空键，呈不饱和状态，易于其他原子结合而趋于稳定，使纳米材料具有极高的活性，材料的表面吸附特性也很突出。例如：金属纳米粒在空气中会燃烧，无机纳米粒暴露在空气中会吸收气体，并与气体反应。当粒径为10nm时，比表面积为90m2儋；粒径为5nm时，比表面积为180m2／g：粒径下降到2nm，比表面积猛增到450mE／g。这样高的比表面积使处于表面的原子数越来越多，同时使表面能迅速增加【19-2H。1．2．3量子尺寸效应当粒子尺寸下降到纳米级时，金属费米能级附近的准连续电子能级变为离散能级，半

8、导体纳米粒存在不连续的最高占有轨道和最低空轨道能级，而使能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。这会导致纳米粒的磁、光、声、热、电以及导电性等与宏观物体特性的显著不同。1．2．4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如为颗粒的磁化强度、量子相干器件中