一种磁性纳米颗粒复合膜及其制备方法与流程

本发明属于薄膜材料磁性控制技术领域，具体涉及一种磁性纳米颗粒复合膜及其制备方法。

背景技术：

数字化电子工业和通信技术的发展要求电子元器件向着高集成度、高频率和纳米化方向发展。作为核心材料的磁性薄膜在纳米化后，会产生如巨电导效应、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等特殊的电磁现象。这使磁性纳米薄膜在高密度存储、磁电阻传感器、高频传感器、微机电系统、微变压器、抗电磁干扰和微波吸收等领域具有广泛的应用。

纳米化是指将晶粒尺寸控制在1～100nm的范围内。有时为了获得满足应用要求的性能，晶粒尺寸甚至小于5nm。然而，晶粒尺寸的减小会使薄膜的磁性受热扰动的影响，产生超顺磁效应。而且晶粒尺寸减小，会影响磁信号的信噪比，对传导电子的散射增强而影响薄膜的电阻率和高频性能。同时，小尺寸的晶粒容易产生不同于块体的相变，降低薄膜的磁性能。因此，将纳米颗粒嵌入到绝缘介质(如：sio、sio2、mgo等)中形成纳米颗粒复合薄膜，利用绝缘介质对复合膜颗粒耦合作用、磁各向异性和退磁效应等的作用提高颗粒细化后薄膜的磁性。而且电子在颗粒间的隧道效应还会影响纳米颗粒复合膜的磁性和磁电阻性能，产生霍尔效应和隧道磁电阻等特殊效应。然而，纳米颗粒复合膜合并生长和尺寸难以控制、颗粒大小及分布不均匀等问题，限制了纳米颗粒复合膜磁性的进一步提高。因此，需要开发新的制备方法通过复合膜中纳米颗粒的控制来提高磁性能。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁性纳米颗粒复合膜及其制备方法。本发明所制备的磁性纳米颗粒复合膜能够控制纳米颗粒的合并生长、颗粒大小及分布均匀性等，从而在颗粒细化的同时实现磁性的提高。使用此发明所制备的复合膜特别适用于数字化电子工业和通信技术领域的电子元器件。

一种磁性纳米颗粒复合膜，所述复合膜由磁性层和绝缘层连续交替沉积而成，复合膜厚度为15～100nm；

所述磁性层是由尺寸均一的磁性颗粒均匀嵌入绝缘介质中形成的层膜，所述磁性颗粒成分为fe或fe-ni，磁性颗粒体积分数为80～95％，磁性颗粒的直径为1～20nm，磁性层厚度为1～20nm；

所述绝缘层是由绝缘介质组成，厚度为0.1～10nm。

本发明中磁性层由绝缘介质sio包裹磁性颗粒，磁性颗粒在磁性层中的绝缘介质中整齐排布。

本发明中磁性颗粒是尺寸均一的，即磁性层中的磁性颗粒尺寸分布集中，变化范围为磁性颗粒尺寸的1～2％。

优选地，所述fe-ni为fe20ni80。

优选地，所述绝缘介质为sio。

本发明的另一目的是提供一种磁性纳米颗粒复合膜的制备方法，包括以下步骤：以预处理的石英片或单晶硅片为基片；以金属颗粒和sio颗粒为原料沉积复合膜，所述金属颗粒和sio颗粒直径为1～3mm、纯度≥99.99％，所述金属颗粒为fe或fe-ni颗粒；沉积参数：镀膜室的真空度优于或等于5.0×10^-5pa，分子束蒸发源温度900～1600℃，样品台温度25～500℃；磁性层与绝缘层连续交替沉积至复合膜厚度为15～100nm；

所述磁性层的沉积：同时打开放有金属颗粒和sio颗粒的分子束蒸发源挡板和基片挡板，金属颗粒和sio颗粒的沉积速率比为1:1～20:1，控制磁性层厚度为1～20nm；

所述绝缘层的沉积：将放有金属颗粒的分子束蒸发源挡板关闭，单独沉积sio，控制绝缘层厚度为0.1～10nm。

本发明中连续交替沉积磁性层与绝缘层，实现对磁性纳米颗粒复合膜中纳米颗粒的合并生长、颗粒大小及分布均匀性等方面的控制。

本发明中由于基片距离蒸发源较近，且位于均匀区，在该区域内，沉积速率即为蒸发速率。

优选地，所述磁性层和绝缘层的沉积中，通过蒸发时间控制膜层厚度。

优选地，所述fe-ni为fe20ni80。

优选地，所述预处理的石英片或单晶硅片为选择表面粗糙度小于0.5nm的抛光石英片或单晶硅片，依次在丙酮、去离子水和酒精溶液中超声清洗15min，用高纯氩气的高压喷枪吹干。

优选地，所述沉积复合膜后关闭分子束蒸发源挡板，将基片温度降至室温，降温速率小于15℃/min，取出复合膜。

本发明中磁性层是由两个分子束蒸发源共蒸发金属颗粒和绝缘介质，使磁性颗粒均匀嵌入到绝缘介质中，使磁性纳米颗粒横向整齐排布；在绝缘层制备中，分子束蒸发源单独蒸发绝缘介质，纵向上将金属颗粒分离，从而控制磁性颗粒大小。

本发明一种磁性纳米颗粒复合膜及其制备方法，与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明一种磁性纳米颗粒复合膜及其制备方法，通过交替沉积磁性层与非磁性层制备出磁性颗粒尺寸大小可控、排布整齐的磁性纳米颗粒复合膜；

2、磁性层制备过程中，利用分子束源共蒸发金属和绝缘介质使复合膜的金属磁性颗粒均匀嵌入到绝缘介质中，影响磁性颗粒的大小，使颗粒横向排布整齐；交替沉积层生长的方法则能够通过磁性层与非磁性层表面能的不同形成磁性颗粒，使颗粒纵向排布整齐，并且可以控制磁性层的厚度达到控制磁性颗粒大小的目的；

3、通过束源温度调节生长速率，可影响颗粒的合并生长，能控制颗粒的大小及其分布的均匀性和磁性颗粒在复合膜中的体积分数；

4、本发明的一种磁性纳米颗粒复合膜，实现了复合膜饱和磁化强度的提高和矫顽力从几奥斯特到几百奥斯特的变化；使在颗粒尺寸为3.6nm时仍具有磁性，降低发生超顺磁效应的晶粒尺寸；改变了纳米颗粒复合膜的电性能；

5、本发明的一种磁性纳米颗粒复合膜及其制备方法，设备简单重复性好，薄膜生长可控性好，制备的复合膜纯度高、质量好，成本低廉。

附图说明

图1为本发明实施例制备的一种磁性纳米颗粒复合膜的截面结构示意图；其中，1-磁性层；2-sio绝缘层；3-磁性层中的磁性纳米颗粒fe20ni80-sio；4-磁性层中的绝缘介质sio。其中磁性层厚度为6nm，绝缘层sio厚度为1nm；

图2为本发明实施例1制备的fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜截面tem图；

图3为本发明实施例1制备的fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜截面高分辨tem图；

图4为fe20ni80的金属膜(a)与本发明实施例1制备的fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜(b)的磁性对比图；

图5为fe20ni80的金属膜(a)与本发明实施例1制备的fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜(b)表面形貌对比图；

图6为fe20ni80的金属膜(a)与本发明实施例1制备的fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜(b)磁畴对比图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方式；所用试剂与材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

fe20ni80在1375℃时的蒸发速率为0.916nm/min，sio在为982℃时的蒸发速率为0.238nm/min。fe20ni80-sio层以上述速率沉积6min33s，绝缘层sio以上述速率沉积4min12s，交替沉积5次。磁性纳米颗粒复合膜的制备方法包括以下步骤：

步骤1，基片选择及预处理：

选择表面粗糙度小于0.5nm晶体取向为(100)的抛光硅片，将硅片依次在丙酮、去离子水和酒精溶液中超声清洗15min，并用高纯氩气的高压喷枪吹干；

步骤2，原料准备：

所用原料为直径1mm的fe20ni80颗粒和直径为3mm的sio颗粒，原料纯度均为99.999％，将两种原料分别放入2个定制的大口坩埚内，将坩埚分别放入两个束源内，并关闭束源挡板；

步骤3，复合膜制备：

将步骤1中处理的基片放入样品台上。当镀膜室的真空度优于5.0×10^-5pa时，将样品台以15℃/min的速率升温至200℃；将放有fe20ni80颗粒的分子束蒸发源升温至1375℃，将放有sio颗粒的分子束蒸发源升温至982℃，沉积复合膜：

(1)磁性层制备：同时打开两个分子束蒸发源挡板，待蒸发速率稳定后，打开基片挡板，同时开始计时，沉积时间为6min33s，计时结束后关闭基片挡板；

(2)绝缘层制备：将放有fe20ni80颗粒的分子束蒸发源挡板关闭，放有sio颗粒的分子束蒸发源挡保持打开状态，打开基片挡板，同时开始计时，沉积时间为4min12s，计时结束后关闭基片挡板；

重复(1)(2)5次，关闭基片挡板，关闭束源挡板，即可实现磁性层与绝缘层的交替生长；

步骤4，基片温度降至室温后，取出复合膜，其中降温速率为15℃/min。

制得fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜样品的结构如图1所示，截面tem图及截面高分辨图分别为图2和图3；其中图2可以看出，复合膜出现明显分层，纵向上每层之间有明显的sio层，即图中白色亮线部分。图3可以明显地看出fe20ni80-sio磁性颗粒，并且磁性层内颗粒排布均匀。

制得fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜样品与fe20ni80的金属膜的磁性能、表面形貌、磁畴结构的对比图分别为图3、4和5，通过对比可以看出，图3中fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜的矫顽力大于金属膜fe20ni80，两者饱和磁化强度差别不大。图4中由于纳米颗粒的合并，fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜的表面颗粒大于纯feni薄膜。从图5中fe20ni80-sio磁性纳米颗粒复合膜可以看出明显的磁畴结构。