电沉积磁性合金薄膜材料的制备、结构与性能研究

1、钢铁研究总院博士学位论文电沉积磁性合金薄膜材料的制备、结构与性能研究姓名:刘天成申请学位级别:博士专业:材料学指导教师:卢志超;李德仁20070601 第一章文献综述1.1磁性材料研究开发的现状与进展磁性材料是功能材料的重要分支,利用磁性材料制成的磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能,广泛地应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域己成为不可缺少的组成部分。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能化方向发展,从而对磁性材料提出了更高的标准,要求磁眭材料制造的元器件不仅大容量、小型化、高

2、速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。并以应用磁学为技术理论基础,与其他科学技术相互渗透、交叉、相互联系,成为现代高新技术群体中不可缺少的组成部分【”。磁性材料产业也飞速发展起来,1999年的市值达到了300亿美元,不同磁性材料所占市场份额如图1.1所示【2j。 图1.1磁性材料的全球市场分配图按照磁性的种类,磁性材料可以分为软磁材料、硬磁材料、半硬磁性材料;按照材料的化学组成,可以将磁性材料划分为金属磁性材料和非金属(陶瓷铁氧体磁性材料;按照使用形态,又可分为块状体、粉末和薄膜型磁性材N.t3J。磁性材料按磁性分类如下:1软磁材料主要是既容易受外加磁场磁化,又容易退磁,矫顽力很

3、低的磁性材料。 翊毯班盈基医攫±堂僮监室20406020,Ft妊,图1.4电沉积NiFe合金中内磁场与Fe含量的关系2晶粒度。采用电沉积法制备的纳米合金薄膜材料经过适当的后处理,其微观组织结构是由直径为1030nm的单相金属晶粒和非晶基体构成的双相结构。由于非晶基体没有层错、位错等晶体缺陷和晶间相,导致材料具有很好的力学性能和很高的耐腐蚀性能。弥散在非晶基体上的单相金属晶粒又使材料具有晶体结构,导致材料的电阻率明显小于非晶态合金。这种双相结构导致材料具有高强度、高韧性、高耐腐蚀性能,同时又具有接近相应晶态合金的电阻率。很小的晶粒尺寸导致很小的磁晶各向异性,这是使纳米合金薄膜材料获得优

4、异软磁性能的主要原因。郭占成等人用电沉积法制备的铁镍合金箔,背面不经腐蚀处理,电镜下看不到晶界;而其正面,即使不经腐蚀处理,其晶粒形状和大小十分清晰,如图1.5所示酬。从合金箔表面形貌看,随着合金元素Ni含量的增加,晶粒缺陷越来越少。Ni-Fc合金箔表面图像显示只有一种晶体,说明Ni与Fe形成了一种固溶体结构。镍对铁有细化晶粒的作用,随着镍含量的增加,晶粒越来越小。电沉积铁基和镍基合金箔有很好的磁性能,较熔铸SLN铁基和镍基合金带,其磁性能显著提高,主要原因可能是由于其晶粒细小,接近纳米晶的原故。较熔铸轧制坡莫合金,电沉积坡莫合金的剩磁很小,表现出很好的超顺磁性。这也说明其晶粒非常小,因为一般

5、超顺磁性出现在颗粒临界尺寸10rim量级。 图1.5电沉积铁镍基合金箔的组织形貌 组送丑盔!总医建±堂僮论塞电沉积过程中施加磁场能够改变电沉积过程,影响NiFe合金薄膜的各种性能f58】。温艳玲等在镍.铁膜沉积过程中施加了与电流方向平行的强磁场,研究了稳恒磁场对电沉积镍.铁膜微观形貌的影响,图1.7是不同磁场下电沉积镍一铁合金膜的表面和截面微观形貌照片。无磁场下电沉积镍.铁合金样品,呈树枝晶状生长,主轴粗大,间距宽,二次枝晶发达,表面上则为长条状晶粒均匀分布;随着外加磁场增强。样品虽然仍以树枝晶形式从基片端向外连续生长,然而主轴逐渐细化,间距明显减小,且二次枝晶的生长受到抑制,逐渐变

6、短或消失,表面晶粒也由长条状逐渐断为块状,且晶粒越来越小;12T强磁场的电沉积样品,主轴进一步变细,且出现断裂趋势。与无磁场相比,强磁场下电沉积样品的厚度明显增加。 施加外磁场后,磁致对流影响了扩散层内带电粒子向阴极表面的传质,使Fe”的传质速度相对于Ni2+更大,并且磁场越强,差值越大,从而镀层中铁含量越高。Ibro 等【删也曾指出搅拌速率和电流密度不同,可以导致铁含量的增加或减小。其实质也是指传质的影响。图1.8所示为电沉积样品中铁含量及饱和磁化强度与制备磁场的关系曲线。随制备磁场的增强,样品的铁含量线性增大,同时饱和磁化强度也线性增铂鲑班宜总医盟±堂位!佥塞加。因为饱和磁化强度

7、只与样品成分有关,测试结果与磁化理论相一致川。o钿盘g o 墨芒￥图1.8薄膜铁含量及饱和磁化强度与制备磁场的关系曲线有文献ss,62提出在H/J条件下电沉积Ni.Fe合金薄膜过程中,镀液中金属阳离子受到电场力向阴极运动(FE-岛,由于溶液扰动和离子所处原始位置不同,部分初速度存在水平方向分量的离子,在强磁场中受到洛伦兹力(凡的作用,会转变为如图1.9N示的螺旋运动形式,最终到达阴极表面放电。Ni2+和Fe2+带电荷数相同,原子质量相似,且磁场下所受洛伦兹力与阴极表面平行,其传质速度不受平行磁场的影响。因此镍一铁合金膜的成分随磁场变化不明显。 图1.9平行磁场下电沉积的传质过程示意图、时暑咖日

8、 钢铁研究总院博士学位论文 图2.3多功能电位滴定仪硫代硫酸钠标准溶液1L,配制l%的淀粉溶液作为指示剂,配制盐酸溶液(HCI:H20体积比为1:1。(2将不锈钢阴极经过砂纸研磨,清洗干净后烘干,将待镀表面封成6mm×5mm面积大小,其余部分用塑料胶布密封。待镀表面用丙酮除油后,将阴极放入干燥器中待用。(3在水浴锅中将镀液加热至指定温度并保持恒温。将与电源连接好的电极放入装有镀液的烧杯中,按计算好的电流值开始通电,并开始计时。(4根据不同的电镀时间从烧杯中取出少许镀液,每次分别准确量取镀液2ml置于三个150ml的锥形瓶中。(5在每个锥形瓶中加入去离子水5mL,加入配制好的盐酸溶液5mL,再加入固体碘化钾29。(6在每个锥形瓶中加入约70"C的去离子水50ml,加入l