功能薄膜及其制備方法

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時間:2018-12-05

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1、功能薄膜及其制備方法采用某種工藝,在一定的基體表面上形成厚度在1000nm以內(nèi)材料,稱為薄膜。功能薄膜之所以成為研究的熱點,并且具有廣闊的應(yīng)用前景,是與薄膜材料的以下特點密切相關(guān):(1)許多情況下,材料功能的發(fā)揮和作用發(fā)生在材料的表面。例如化學(xué)催化作用、光學(xué)反射、場致發(fā)射、熱電子逸出等等物理化學(xué)現(xiàn)象。使用功能薄膜材料比使用體塊功能材料不僅保護資源而且減低成本。(2)薄膜材料往往具有一些其塊體材料所不具備的性能。這是因為薄膜材料容易形成細(xì)晶、非晶狀態(tài);薄膜材料容易處于亞穩(wěn)態(tài);薄膜往往偏離化學(xué)計量比;特殊的材料表面能態(tài)等等。對每一類甚至每一種功能薄膜的研究狀況作出全面完整的評述是困難的。目前實際

2、應(yīng)用和潛在應(yīng)用前景良好的幾類功能薄膜材料如下。超導(dǎo)材料3超導(dǎo)材料1.1超導(dǎo)薄膜1986年以前,超導(dǎo)材料的最高臨界溫度只有23.2K。1986年IBM公司蘇黎世實驗室的Bednorz和Muller報導(dǎo)發(fā)現(xiàn)無機化合物L(fēng)a2-xBaxCuO4-δ在30K下發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變,接著在世界各地很快發(fā)現(xiàn)YBa2Cu3O7-δ系列的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可高達90K,于是引發(fā)世界范圍的高溫超導(dǎo)(HTS)體研究熱潮。很快這一研究熱潮擴大到了高溫超導(dǎo)薄膜,成為電子材料研究領(lǐng)域中的一個熱門課題。至今,已發(fā)現(xiàn)了大量的銅酸鹽高溫超導(dǎo)相化合物薄膜,它們的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度(Tc)從18K~135K變化,制成了許多的外延膜。從國內(nèi)外研究

3、所涉及的超導(dǎo)薄膜種類來看,研究的比較多的還仍然是釔鋇銅氧及其系列的超導(dǎo)薄膜,也就是在YCBO的基礎(chǔ)上添加其他微量元素,這些添加元素大部分為钄系元素,如鐠(Pr)、鉕(Pm)、釤(Sm)、鏑(Dy)、鈥(Ho)等,形成形如Y1-xHoxBa2Cu3O7-δ一類超導(dǎo)薄膜。這樣做的原因是稀土元素具有與釔不同的外層電子結(jié)構(gòu)和離子半徑,它們部分甚至全部替代釔時,可能會引起原子尺度上變化和氧化物超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)的變化,以提高其性能指標(biāo)。在研究和探索上述新型的超導(dǎo)薄膜時,追求的性能目標(biāo)不同:有些是提高臨界超導(dǎo)溫度(Tc)和臨界電流密度(Jc);有些則是提高對磁場的相應(yīng)靈敏度,或頻率寬度等;以便為高溫超導(dǎo)薄

4、膜在微電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。高溫超導(dǎo)(HTS)薄膜生長技術(shù):HTS薄膜的制備包括采用原位生長技術(shù),即材料在沉積過程中就能生成所需的晶相,以及非原位技術(shù)。在這種情況下,材料在沉積中或者呈現(xiàn)非晶態(tài),或者是多晶相的聚合體,并在后續(xù)的退火過程中形成所需的HTS相。HTS薄膜的潛在應(yīng)用很廣,包括射頻(RF)和微波通訊用的高頻電子學(xué)、極弱磁場探測用的超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)以及用于高效輸電和用電系統(tǒng)中的超導(dǎo)電線。1.2磁性薄膜信息的記錄、處理、存儲傳遞越來越受到重視,磁性薄膜主要是用作磁記錄材料。磁記錄材料發(fā)展至今,雖然已有近百年的歷史,它仍然被廣泛地用于錄音、錄像技術(shù),計算機中的數(shù)據(jù)存儲、處

5、理,科學(xué)研究的各個領(lǐng)域,軍事及日常生活中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對磁記錄密度的要求越來越高。作為磁記錄材料一般有以下性能要求:①剩余磁感應(yīng)強度Br高;②矯頑力Hc適當(dāng)?shù)母?;③磁滯回線接近矩形,Hc附近的磁導(dǎo)率盡量高;④磁層均勻;⑤磁性粒子的尺寸均勻,呈單疇狀態(tài);⑥磁致伸縮小,不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應(yīng);⑦基本磁特性的溫度系數(shù)小,不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應(yīng)。磁記錄材料分顆粒(磁粉)涂布型介質(zhì)和連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì)兩種。由于連續(xù)薄膜型介質(zhì)容易做到薄,均勻,不易氧化,同時又無須采用粘結(jié)劑等非磁性物質(zhì),所以剩余磁感應(yīng)強度及矯頑力比顆粒涂布型介質(zhì)高得多,是磁記錄介質(zhì)發(fā)展得方向。制備連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì)的方法

6、有兩種:濕法和干法。濕法也稱化學(xué)法,主要包括電鍍和化學(xué)鍍;干法也稱為物理法,濺射法、真空蒸鍍法及離子噴鍍法等為了提高磁記錄密度,往往采用納米尺度的多層結(jié)構(gòu)的薄膜材料,例如CoCrPt(10nm)/Cr(5nm)/CoCrPt(10nm)材料,加入中間的Cr層目的是使兩層CoCrPt磁膜間產(chǎn)生磁退耦合作用,矯頑力Hc高達295kA/m,晶粒非常小;目前,巨磁阻薄膜是新的研究趨勢中具有代表性的一類薄膜。磁電阻(magnetoresistance,MR)效應(yīng)是指由外磁場改變而引起物質(zhì)電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。對于大部分金屬,MR僅為10-5量級,軟磁坡莫合金(Ni80Fe20)的MR為1%~5%。198

7、8年Baibich等[32]在用分子束外延法制備的(001)Fe/(100)Cr超晶格多層薄膜中發(fā)現(xiàn)其磁電阻變化達50%,被稱為巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR)效應(yīng)?,F(xiàn)已在多層薄膜、顆粒薄膜、非連續(xù)多層薄膜、氧化物陶瓷等多種結(jié)構(gòu)中觀察到GMR。衡量和評價材料GMR性能的兩個基本參數(shù)是:(1)在一定溫度下所能達到的最大GMR值;(2)獲得最大GMR效應(yīng)所需施加的飽和外磁場強度。GM

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