中科院金属研究所揭示La-Nd-Dy-Fe-B微米级薄膜的矫顽力机制与磁化反转过程

文摘 2024-11-01 16:00 北京

2024年10月17日，题为“Coercivity mechanism and magnetization reversal of anisotropic La-Nd-Dy-Fe-B micron-sized films”的研究论文在线发表于《Physica B: Condensed Matter》。该论文由中国科学院金属研究所、中国科学技术大学完成，通讯作者为赵晓天博士、刘伟研究员。该研究深入探讨了La-Nd-Dy-Fe-B微米级薄膜的矫顽力机制和磁化反转过程，并发现随着薄膜厚度的增加，矫顽力机制从钉扎机制转变为成核机制。

随着第三代稀土永磁材料的兴起，以Nd-Fe-B磁体为代表的稀土产品在能源和信息领域得到了广泛应用。然而，随着薄膜厚度的增加，其矫顽力和各向异性逐渐恶化，这限制了高性能硬磁材料在微电子机械系统（MEMS）中的应用。本研究旨在解决这一问题，通过改变薄膜厚度和引入Ta间隔层，探索其对La-Nd-Dy-Fe-B薄膜磁性能的影响。研究的创新之处在于系统地研究了薄膜厚度变化和Ta间隔层对薄膜磁性能的影响，并提出了通过优化微结构和引入Ta间隔层来提高薄膜矫顽力的新方法。

实验中，研究者选择了名义成分为(La0.3Nd0.7)17Dy1Fe71B11的实验靶材，通过粉末冶金法制备。所有薄膜均通过磁控溅射法制备，单层薄膜结构为Si(001)/Ta(50 nm)/(La0.3Nd0.7)17Dy1Fe71B11(X μm)/Ta(50 nm)，其中X为硬磁层厚度，分别为0.5、3和6 μm。多层层膜结构为Si(001)/Ta(50 nm)/[(La0.3Nd0.7)17Dy1Fe71B11(3 μm)/Ta(5 nm)]/ (La0.3Nd0.7)17Dy1Fe71B11(3 μm)/Ta(50 nm)。Ta作为缓冲层和覆盖层，纯度为99.95%。基底真空度优于2×10^-5 Pa，溅射气氛为0.11 Pa。溅射速率分别为8.98 Å/S和1.58 Å/S。衬底加热并保持在400°C，沉积50 nm Ta覆盖层后，最终薄膜在650°C下退火20分钟。

实验结果显示，不同厚度的单层薄膜具有垂直磁各向异性（PMA）。随着厚度的增加，三个样品的矫顽力和磁化过程表现出显著差异。X5、X30和X60的矫顽力分别为1.87 T、1.91 T和1.11 T。通过XRD分析，发现随着薄膜厚度的增加，最强峰向(105)方向移动。此外，FORC方法用于表征磁相互作用和矫顽力分布，结果显示X5和X30在-1.2 T和-1.3 T之前磁化反转过程是可逆的。而对于X60，当磁场继续增加到-0.9 T时，开始第二个不可逆翻转过程。EPMA分析显示，X60中La元素的分布更为无序，大部分La倾向于进入晶界而非主相2:14:1。这些结果表明，随着薄膜厚度的增加，La的存在对微结构的影响更大，X60中的软磁性相和无序微结构使得磁化反转过程与X5和X30不同。

本研究详细表征了La-Nd-Dy-Fe-B系列薄膜的矫顽力和磁化反转过程。结果表明，3 μm厚的单层薄膜具有最高的矫顽力（1.91 T），主要由于其垂直磁各向异性、高偶极相互作用和钉扎效应。然而，6 μm厚的单层薄膜矫顽力下降至1.11 T，这是由于其无序的微结构和主相成核场。相比之下，多层层薄膜显示出1.63 T的矫顽力，与6 μm厚的单层薄膜相比有显著提高。Ta间隔层的引入增强了垂直磁各向异性、主相的成核场、偶极相互作用和微结构，从而提高了薄膜的矫顽力。微磁拟合和原位磁畴演化的结果表明，随着薄膜厚度的增加，矫顽力机制从钉扎机制转变为成核机制。FORC分析和原位磁畴演化的结果为微米级薄膜中磁化反转过程的理解提供了更深入的见解。

论文DOI链接：https://doi.org/10.1016/j.physb.2024.416636引用格式：J. Ma, X.T. Zhao, W. Liu, L. Liu, X.G. Zhao, Z.D. Zhang, Coercivity mechanism and magnetization reversal of anisotropic La-Nd-Dy-Fe-B micron-sized films, Physica B: Condensed Matter, 696 (2025) 416636.

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwNjYwNzYwNg==&mid=2247487484&idx=3&sn=53b3634da14ca5732d1d791b85942e3e

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