[发明专利]一种磁致伸缩薄膜靶材结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种磁致伸缩薄膜靶材结构，包括圆形铁靶和设置在铁靶上的同心刻蚀环，刻蚀环上沿径向交替设置有镝片和铽片，铽片和镝片采用铟固定，铽片与镝片的表面积之和与铁靶表面积之比为1:2α，其中α为相同溅射条件下铽靶和镝靶与铁靶的溅射速率的比值；还公开了其制备方法；本发明可以快速估算得到铽片和镝片的尺寸、数量和摆放位置，方法简单，操作便捷的调节薄膜中各成份的比例，制备出饱和场低、磁致伸缩系数高等性能优异的磁致伸缩薄膜。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种磁致伸缩薄膜靶材结构，以及其制备方法。

背景技术

磁致伸缩材料目前主要分为三大类:第一类磁致伸缩材料主要成分是金属或者合金，如镍基合金和铁基合金等，通常电阻率低，延展性好；二是铁氧体类磁致伸缩材料，如Ni-Zn铁氧体，电阻率会比合金类的高。这两类是发现较早的磁致伸缩材料，它们的磁致伸缩系数很小，在10^-5左右，所以一直没有什么实际应用。直到20世纪70年代，科学家发现了第三类稀土类磁致伸缩材料：最出名的超磁致伸缩材料铽镝铁合金，它的磁致伸缩系数可以达到10^-2，比传统磁致伸缩材料高出2个数量级。

铽镝铁合金（Tb_xDy_1-xFe₂，Terfenol-D）是一种超磁致伸缩材料，具有高的居里温度、高饱和磁致伸缩常数、低饱和场、磁机耦合特性好，磁机转换效率高、输出的应力较大、负载的能力强、且响应速度快等优点而受到研究者的重视。由于Terfenol-D块状材料在使用中存在的涡流损耗高、力学性能差、外驱动磁场较高、价格也十分昂贵等问题。随着现代工业的发展，磁致伸缩材料的小型化和薄膜化应用越来越广泛，而且这种材料脆性大，加工成薄片状十分困难，因此，直接制备Terfenol-D薄膜就显得十分重要。

当前，制备Terfenol-D薄膜的方法有很多，广泛采用的是物理气相沉积法，如真空蒸发、分子束外延（MBE）和脉冲激光溅射（PLD）等方法，但由于其存在明显缺点，不利于沉积较厚的Terfenol-D薄膜制备。真空蒸发制备的薄膜附着力小，易起皮等；MBE设备较为昂贵，且沉积速率小；PLD不能在较大面积上制备均匀薄膜，Terfenol-D薄膜的表面是很重要的，表面的均匀度影响着其输出应力的大小，这会使薄膜在应用中磁致伸缩性能大大的降低。磁控溅射法可用于制备各种金属、半导体、绝缘的氧化物、陶瓷等，制备各种多层膜结构材料也较为便利，它沉积速率稳定，便于控制，膜的附着力强，成膜硬而致密，在较低温下就可获得大而均匀的膜，可生产10nm以下的极薄膜，应用广泛。

Terfenol-D薄膜的成分会影响Laves相的形成、居里温度等，最终直接影响其磁致伸缩性能，因此在磁控溅射中合理的设计TbDyFe复合靶的分布是十分重要的。当前常用方法是按磁致伸缩材料的成分配备原料，并熔炼母合金铸锭，然后将其融化制作合金靶材，如专利CN200810135513.8；CN201510221641.4；CN202010068362.X。这种方法一方面制备Terfenol-D薄膜杂质含量大，且Tb、Dy、Fe均为易氧化的材料，制备的薄膜磁致伸缩系数很难达到实验需求；另一方面，即使溅射工艺条件一样时，不同材料的溅射产额的也不尽相同，溅射速率随原子序数的增大而增大（同一周期），即溅射制备的薄膜成分与靶材成分不一致。

此外，P.I.Williams等人采用在铁板上等间距打孔，然后将Tb、Dy和Fe柱插入孔填充中做成复合靶，沉积薄膜的组成由填充物的表面积和靶材成份的溅射率决定的[P.I.Williams,D.G.Lord,andP.J.Grundy “Magnetostriction in polycrystallinesputterdepositedTbDyFefilms”Journal of Applied Physics 75.5257(1994)]。该方法忽略铁板也会贡献Fe原子，最终导致薄膜成分与需求相差较大，需要多次重复实验验证，工艺较复杂。

发明内容