离子束溅射制备磁传感FeGa薄膜
2017-04-17 23:24:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传感器是物联网技术发展的核心组件之一，产业升级和薄膜技术发展要求磁性传感器具有高灵敏度、小型化、易集成、低成本等特点。近年来，基于压电材料和磁致伸缩材料制备的磁电耦合磁性传感器引起人们广泛关注。

压电材料和磁致伸缩材料的发展历程

据报道，采用 MEMS工艺制备的CoFeSiB/AlN磁电耦合传感器分辨率能够达到pT量级，有望在心、脑磁图扫描方面得到应用。然而，该材料体系中，压电/铁磁的耦合效应并未达到高灵敏磁场传感器的要求。因此，选择适当的材料，加强压电/铁磁之间的耦合，成为提高磁性传感器灵敏度的关键技术。

一方面，在磁致伸缩材料的选择上遵循两个原则：（1）磁致伸缩效应要强，进而获得较大的磁电耦合；（2）软磁性能要优，进而保证磁场探测的高灵敏度。软磁铁氧体材料成本低廉，但是软磁性能远不及金属材料；传统 Terfenol-D 具有最佳的磁致伸缩性能，但其价格昂贵、饱和磁场高，不利于弱磁场探测；软磁坡莫合金（Fe20Ni80）或者 CoFeSiB 等材料具有优异软磁性能，但其最大磁致伸缩仅为 20-50 ppm，磁电耦合性能较差。

FeGa材料

FeGa合金是近年来广受关注的一种新型材料。在 Fe、Ga 原子比例约为 Fe80Ga20时，其磁致伸缩能够达到 400 ppm，饱和磁化强度约 1.7 T，矫顽力低于 100 Oe，能够满足磁性传感器高灵敏度的要求。另一方面，采用环境友好型 BNTO-BTO 陶瓷等作为压电材料，并在压电材料上生长磁性 FeGa 薄膜，有望获得更好的磁电耦合性能，进而为制备出高灵敏度的磁电耦合磁性传感器打好基础。

离子束溅射制备FeGa薄膜

离子束溅射法，简称IBS，是用离子源发出离子，经引出、加速、聚焦，使其成为束状，用此离子束轰击置于高真空室中的靶，将溅射出的原子进行镀膜。北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司双离子束薄膜沉积系统，拥有溅射靶材的主源离子束和作用于样品表面的辅助离子源。由于主源选用离子束溅射，相比磁控溅射和电子束蒸发等手段更具有广泛的材料适用性，包括磁性材料、高熔点材料等，可用于溅射沉积各种金属、合金、化合物及半导体材料的单层薄膜、多层薄膜。

离子束溅射示意图

上海师范大学的研究人员采用离子束溅射法，系统研究了薄膜生长的溅射速率和薄膜组分比，成功制备出了 FeGa 薄膜，在该条件下 FeGa 薄膜的生长速率约为 0.3nm/s，FeGa元素组分比约为 Fe:Ga=87:13。通过调节不同溅射参数，发现选择合适的溅射气压和衬底与靶材之间的距离对薄膜的晶体结构和静态磁性有较大影响，其最优溅射参数为本底真空小于 2.0 x 10-4Pa，溅射气压 0.3Pa，衬底温度为室温，托盘转速为2.5rpm，Ar 气流量 10sccm，靶材和衬底之间距离为 10-15cm。

此外，为了进一步提高磁性材料的灵敏度，研究人员通过在片溅射靶材上放置单晶 Si、非晶 Fe 基薄带，使Si、B 等元素能够掺杂进入晶格，实现 FeGa薄膜的纳米晶化，进而降低材料的矫顽力，优化了其软磁特性。

最后，研究人员还研究了在 FeCuNbSiB 上生长 FeGa 薄膜，研究其巨磁阻抗效应的变化，结果发现通过在非晶带表面生长 FeGa，能够有效增大其巨磁阻抗效应；另外，通过在 0.89（Bi0.5Na0.5）TiO3-0.11BaTiO3陶瓷上生长FeGa薄膜，观察到了典型的应力传递的磁电耦合效应，该结果也为未来实现基于FeGa的磁电耦合传感器奠定了良好基础。