[发明专利]一种巨磁致伸缩纳米多层膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于薄膜及其制备技术领域，涉及一种巨磁致伸缩纳米多层膜及其制备方法和应用。 

背景技术

随着微机电系统(MEMS)的迅猛发展，低场高灵敏的巨磁致伸缩薄膜材料作为新近发展的新型机电转换智能薄膜材料，有着广阔的应用前景，如利用巨磁致伸缩材料高的机电耦合系数及高的机电转换效率，可用于研制微小型化、可调谐的声表面波(SAW)器件；利用高的磁致伸缩应变系数，可制作各类军用MEMS伺服器，如精密定位装置、微型马达、流体控制系统，可应用于燃料注入系统、生物DNA检测等领域。 

TbFe₂永磁材料在理论上具有最大磁致伸缩性能，由于高的各向异性，TbFe₂材料只有在较高的外磁场作用下才表现出大的磁致伸缩特性，这就给该材料的实际应用带来了较大的问题，特别是对器件的小型化、集成化不利，对MEMS系统用的薄膜材料，这一问题更加突出。因为在由薄膜制成的微型器件中，由于受到加工手段和现有技术的限制，器件中外加磁场一般不超过几百奥斯特。因此，提高材料的低场下的磁致伸缩性能是实现材料实际应用的关键。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于微机电系统的智能转换材料，具有低的饱和磁场强度和矫顽力，优良的低场磁致伸缩性能，结构简单并适合大规模工业生产的巨磁致伸缩纳米多层膜及其制备方法和应用。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种巨磁致伸缩纳米多层膜，该纳米多层膜是在单晶硅表面上磁控溅射巨磁致伸缩性能的多层膜材料， 其特征在于，所述的纳米多层膜包括FeAl、TbFe₂和NdFeB材料层，所述的单晶硅具有(100)取向。 

所述的FeAl、TbFe₂和NdFeB材料层的溅射沉积厚度：FeAl为5～8nm、TbFe为8～12nm、NdFeB为5～8nm。 

所述的多层膜总层数为20～100层。 

一种巨磁致伸缩纳米多层膜的其制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤： 

(1)调整靶台与基片转台的距离为100mm～200mm；安装FeAl、TbFe₂、NdFeB靶材于各自的靶台上； 

(2)将单晶硅(100)基片用浓硫酸煮沸后，用丙酮超声波清洗，然后在氢氟酸溶液中浸泡30min，再用去离子水和丙酮依次超声清洗后，将单晶硅(100)基片放在滤纸上晾干，安装在基片转台上； 

(3)抽真空； 

(4)将高纯氩气引入溅射腔室，使氩气的分压值达到0.2～1.2Pa； 

(5)将各靶材进行预溅射1～10min； 

(6)对单晶硅基片进行反溅射5～15min； 

(7)依次打开各自所需溅射沉积靶材的靶电源，调整基片转台，并按FeAl、TbFe₂、NdFeB顺序进行溅射沉积靶材； 

(8)利用多靶磁控溅射技术在单晶硅基片上交替沉积FeAl/TbFe₂/NdFeB/TbFe₂/FeAl/TbFe₂/NdFeB，单晶硅基片温度为100℃～300℃，溅射沉积完成，取出已溅射有纳米多层膜的单晶硅基片； 

(9)将溅射有纳米多层膜的单晶硅基片放入真空退火炉中进行热处理，然后随炉冷却即得产品。 

所述的步骤(3)中的抽真空使溅射腔室真空度低于1.4×10^-4Pa。 

所述的步骤(5)中的溅射的功率为20～150W。 

所述的步骤(6)中的溅射的功率为100～150W。 

所述的步骤(7)中各层沉积条件为：FeAl层：溅射功率50～100W，溅射氩气压0.2～0.6Pa，薄膜溅射速率0.1～0.2nm/s，薄膜沉积厚度5～8nm：TbFe₂ 层：溅射功率40～100W溅射氩气压0.2～0.6Pa，薄膜溅射速率0.1～0.2nm/s，薄膜沉积厚度8～12nm；NdFeB层：溅射功率80～150W，溅射氩气压0.2～0.6Pa，薄膜溅射速率0.1～0.2nm/s，薄膜沉积厚度5～8nm；所述的溅射有纳米多层膜的单晶硅基片的多层膜总层数为20～100层。 

所述的步骤(9)的热处理工艺的退火温度为：200℃～600℃，升温速度为1℃/s，退火时间：30min～120min；真空度：低于5×10^-4。