一般需附于弱磁性材料的基片上。根据其磁特性、磁效应和制造方法,已研究和开发出许多种磁性薄膜材料。
1901年J.莫雷恩(Maurain)最早用电镀方法制备出铁(Fe)和镍(Ni)的薄膜。1946年C.基特尔(Kittel)从理论上研究了磁性薄膜中磁畴的特点。1955年M.J.Jr.布鲁瓦(Blois)研究了Ni-Fe薄膜的快速反磁化过程,指出其在电子计算机中应用的可能性,推动了磁性薄膜研究和应用的发展。1965年J.C.布鲁耶尔(Bruyere)和L.奈耳(Néel)等又开创了多层磁膜的研究。
厚度在10微米以下的强磁性(铁磁性和亚铁磁性等)薄膜的总称。简称磁膜材料。
一般需附于弱磁性材料的基片上。根据其磁特性、磁效应和制造方法,已研究和开发出许多种磁性薄膜材料。
1901年J.莫雷恩(Maurain)最早用电镀方法制备出铁(Fe)和镍(Ni)的薄膜。1946年C.基特尔(Kittel)从理论上研究了磁性薄膜中磁畴的特点。1955年M.J.Jr.布鲁瓦(Blois)研究了Ni-Fe薄膜的快速反磁化过程,指出其在电子计算机中应用的可能性,推动了磁性薄膜研究和应用的发展。1965年J.C.布鲁耶尔(Bruyere)和L.奈耳(Néel)等又开创了多层磁膜的研究。
各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。通常按其电磁特性或构造特点分为5类:①金属磁膜材料,研究和应用较早的一类磁膜材料。可用作传统的软磁和永磁材料,特种的矩磁、压磁(磁致伸缩)、磁泡、磁光、磁传感和磁记录材料。最常见的有Ni-Fe系、Ni-Co系、Fe-N系、Fe-Si-Al系、Gd-Co系、Tb-Fe系和Mn-Bi系等磁膜材料。②非金属磁膜材料,主要是铁氧体系统的磁膜材料。应用最多的是磁记录、旋磁(微波)、磁泡和磁光等磁膜材料,如γ-Fe2O3系,RIG(稀土铁石榴石)系、RFeO3(稀土正铁氧体)系、BiIG(铋铁石榴石)系等。③非晶磁膜材料,主要是金属非晶磁膜材料,如a-Fe-B(Si)系、a-Fe-Ni-B(Si)系、a-Co-Fe-B(Si)系、a-Gd-Co系、a-Tb-Fe系等(a指非晶态)。④多层调制磁膜材料,为(强磁)/(弱磁)、(强磁Ⅰ)/(强磁Ⅱ)等类型的多层磁膜材料,如(YIG/SiO2)n(n为层数)等。⑤微晶磁膜材料,又称纳米磁膜材料。一般由非晶磁膜经一定热处理制成微晶粒(约1~100纳米)磁膜,具有优良的磁性和稳定性。
磁性薄膜的磁特性取决于其制备方法和工艺条件。磁性薄膜的制备方法主要有真空蒸发法、电沉积法、化学镀膜法、溅射法和外延生长法。
①真空蒸发法,在真空(优于10-3帕)中将加热蒸发的磁性金属或合金淀积在基片上,从而制成磁性薄膜。其磁特性取决于真空度、蒸发速度和基片性质、温度等条件。在优于10-7帕超高真空下制成的薄膜,其磁性因受污染少而更接近其内禀磁性。一般加热的方法有电阻加热、高频加热、电子束加热和激光加热等。蒸发入射角小于20°(直射蒸发)时,容易生成较均匀的或纤维状结构;蒸发入射角大于20°(斜射蒸发)时,会产生自阴影效应,容易生成锁状或柱状结构。
②电沉积法,又称电解沉积法。将磁膜材料作为阳极,导电或有导电层的基片作为阴极,再将阴、阳电极插入电解液中,并通以电流,则由于电化学作用,在阴极基片上得到沉积的磁膜。这一方法的优点是装置简单,容易控制电解条件和生成的磁膜参量;其缺点是容易掺入杂质,难于实现重复性和稳定性,膜内缺陷较多,基片与膜间附着力较弱。
③化学镀膜法,又称非电解镀膜法。在含有磁性离子的金属盐水溶液中,利用化学置换反应,使析出的磁性离子沉积于基片上;或在含有磁性离子的金属盐浴中加还原剂,通过化学还原作用,将析出的磁性离子沉积于基片上。
④溅射法,是应用较多的方法。将磁膜原材料作为阴极,载膜的基片置于阳极上,阴阳电极都放置在高度抽真空后再加入惰性气体(如氩气)的密封容器中。在两电极间施加电压时,惰性气体电离成离子,并高速轰击阴极,使阴极表面放出原子(阴极溅射)而附着于基片上形成磁膜。根据施加的电压和电极形状,又可分为直流溅射(二极、三极或偏压)、交流(射频)溅射(非对称交流或射频)、闸门式溅射、等离子体(四极)溅射和反应式溅射等。溅射法既可用于制备金属磁膜,又可用于制备非金属、半导体和氧化物薄膜;既可用于制备晶态磁膜,又可用于制备非晶态磁膜。
④外延生长法,适宜于制备单晶磁膜。将具有与待制磁膜相同或相近晶体构造和晶格常数及一定晶面的单晶基片,置于含有待制磁膜组分、缓慢冷却或处于过饱和状态的熔体或溶液中,在基片上沉积出具有一定晶面的单晶磁膜;也可将这种单晶基片置于通有含待制磁膜组分及伴送气体的气流的容器中,在基片上沉积出具有一定晶面的单晶磁膜。前者称为液相外延生长;后者称为气相外延生长。磁泡材料一般都采用后者制备。
此外,制备磁膜的方法还有化学蒸发法、多温度蒸发法和等离子体喷涂法等。
磁性薄膜材料应用广泛,可用于制作电子计算机的磁膜存储器;磁记录技术中的磁记录薄膜介质和薄膜(多层膜)磁头;电子计算机和自动控制技术中的磁泡存储器和垂直布洛赫(Bloch)线存储器;光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等;磁光记录盘;微波技术中的各种静磁波器件等。