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2024年10月11日， 题为“Microstructure, Phase Compositions, and Coercivity Evolution in Micron-Thick SmCo-Based Permanent Magnetic Films”的研究论文在线发表于《Journal of Alloys and Compounds》，该论文由华南理工大学、法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学、Gent Materials 、华南师范大学、哈尔滨工业大学（深圳）、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、美国德克萨斯大学阿灵顿分校等单位完成，通讯作者为华南理工大学邱兆国教授。该研究深入探讨了微米级SmCo基薄膜的微观结构、相组成以及随着薄膜厚度增加其矫顽力的变化规律，为微电机系统（MEMS）中高性能SmCo基薄膜的制备提供了重要指导。在微电机系统（MEMS）设备中，永磁厚膜的使用日益增多，但关于磁性质、微观结构和膜厚之间相互作用的研究尚不充分。传统的烧结工艺与MEMS制造的微型化要求不兼容，而薄膜沉积被认为是集成到MEMS的理想方法。然而，大多数关于SmCo基薄膜的研究集中在几十到几百纳米的厚度范围，对于微米尺度的薄膜，其表面磁场不足，且随着厚度的增加，矫顽力不可避免地下降。本研究的创新之处在于，系统研究了从纳米到微米尺度不同厚度下SmCo薄膜的微观结构、相组成和矫顽力的演变，这在高性能微米级SmCo基薄膜的制造中至关重要。采用直流磁控溅射技术在室温条件下制备了Cr/Sm(Co, Cu)/Cr薄膜，沉积在单晶硅（100）衬底上。通过精确控制沉积时间，Sm(Co, Cu)层的厚度被精确控制在350纳米至1300纳米的范围内，而Cr帽层和缓冲层的厚度均保持在大约70纳米。溅射过程中，保持了80W的恒定功率和0.3 Pa的沉积压力，靶材与衬底之间的距离设定为70毫米。薄膜制备完成后，进行了原位退火处理，具体条件为在580℃下加热35分钟，且在高真空环境（8×10^-4 Pa）中进行。
实验结果显示，随着薄膜厚度的增加，表面形貌由相对完整和紧凑逐渐转变为出现宏观裂纹，表明由于SmCo基薄膜（9.5×10^-6/K）和硅基底（2.3×10^-6/K）的热膨胀系数不同，累积的内应力超过了薄膜的弹性极限。透射电子显微镜（TEM）图像显示，薄膜由细小的纤维结构组成。随着厚度的增加，薄膜的沉积速率逐渐降低，这是由于薄膜中的应力状态变化，导致薄膜的生长状态转变为生长-剥离竞争状态。XRD结果显示，当SmCo层厚度小于350纳米时，难以生成晶态SmCo5相，且具有较强的氧化倾向。随着厚度的增加，薄膜中的氧化物相消失，晶态硬磁相逐渐显现。当厚度大于500纳米时，SmCo5(111)峰出现，表明SmCo5占据了SmCo层的大部分。随着厚度的增加，矫顽力从33 kOe显著下降至8 kOe，这是由于SmCo5相的分解和磁畴尺寸的减小。磁力显微镜（MFM）和微磁模拟分析表明，矫顽力的降低主要是由于SmCo5相的分解和磁畴尺寸的减小。![]()
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综上，本研究揭示了微米级SmCo基薄膜的微观结构、相组成以及矫顽力随厚度增加的演变规律。薄膜在特定沉积条件下形成了致密的细纤维结构，与典型的柱状生长不同。随着SmCo5薄膜厚度的增加，矫顽力从33 kOe降低至8 kOe，这是由于相分解所致。这项研究为微米尺度应用中的SmCo基薄膜的磁性质影响提供了新的见解，对于高性能微米级SmCo基薄膜的制造具有重要意义。引用格式：Yuan Hong, Yansong Gong, Zhaoguo Qiu, Xinrui Zheng, Hongxia Meng, Zhigang Zheng, Deyang Chen, Haoliang Liu, Weixing Xia, Dechang Zeng, J. Ping Liu. Microstructure, Phase Compositions, and Coercivity Evolution in Micron-Thick SmCo-Based Permanent Magnetic Films. Journal of Alloys and Compounds, 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177023.
