一种低温相锰铋薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种低温相锰铋薄膜的制备方法，采用磁控溅射方法共溅射沉积锰铋，然后将所得薄膜进行后期退火处理，保温完成后采用快速降温过程，得到低温相锰铋薄膜。本发明专利技术还公开使用这种制备方法制得的低温相锰铋薄膜。本发明专利技术通过降温速率的增加，使得过冷度增大，导致非自发成核能力降低，形核数目增加，因此晶粒尺寸和颗粒尺寸都变小。而这两个数据的减小则会提高翻转过程以钉扎作用为主要机制的材料的矫顽力。

【技术实现步骤摘要】
一种低温相锰铋薄膜及其制备方法
本专利技术涉及无稀土永磁材料制备
，具体涉及一种低温相锰铋薄膜及其制备方法。
技术介绍
由于具有高矫顽力和高磁能积等优异的磁学性质，稀土永磁材料在实现磁性元器件高效能、小型化、轻重量等方面有着不可或缺的作用，因此被广泛应用于能源、汽车、家电、轨道交通、航空航天、军事武器等各个领域。随着科学技术的发展和稀土性能的进一步研发以及环保意识的增强，稀土材料的应用领域会更加广泛，其发展已成为衡量一个国家和地区科技创新水平的风向标。但稀土资源毕竟是不可再生资源，加上随着政府行为的介入造成的使用成本的大幅度提高，开发低成本高性能的新型低稀土或无稀土永磁材料逐渐成为各国研究者关注的焦点。在诸多新开发的无稀土永磁候选材料中，锰铋合金由于具有优异的性能而备受关注。首先锰铋合金中不包含稀土和贵金属元素，其次锰铋合金的磁学性能颇具吸引力。锰铋合金有多种晶相，其中低温相锰铋即LTP-MnBi合金具有独特的异于其他候选材料的性能，即有大的垂直各向异性和正的矫顽力-温度系数。在一定温度范围内，温度越高，矫顽力越大。高温时MnBi合金的矫顽力比目前最常用的NdFeB基永磁材料的矫顽力还大，这也是锰铋合金最引人注意、颇受研究者追捧的特殊之处。考虑到磁性元器件的高效能，小型化和轻重量发展趋势，薄膜材料更受关注。目前研究者采用多种方法来制备锰铋合金薄膜，包括磁控溅射法，脉冲激光沉积法，旋涂法等等。但无论何种方法，根据锰铋的相图，低温相锰铋合金都需要经过热退火处理过程。因此，目前多是通过调整锰铋含量，锰铋多层膜厚度以及退火温度或退火时的保温时间，来期望提高锰铋合金薄膜的矫顽力，但是提高程度有待提升。
技术实现思路
为此，本专利技术的所要解决的技术问题是低温相锰铋薄膜的矫顽力有待改善的缺陷，提供一种低温相锰铋薄膜及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种低温相锰铋薄膜的制备方法，包括如下步骤：对镀覆在基片上的锰铋薄膜进行退火，所述退火中的降温过程为快速降温，降温速率为4.0-6.0℃/min，制得低温相锰铋薄膜。优选地，所述快速降温是让锰铋薄膜在真空状态由空气进行降温。进一步地，所述退火还包括将锰铋薄膜以2.0-12.0℃/min的升温速率升温至360-390℃，并在该温度下保温20min-2h。优选地，所述退火时的真空不高于6×10-4Pa。进一步地，所述锰铋薄膜的镀覆方法是使用工作气体同时轰击锰靶和铋靶，通过磁控溅射的方式在基片上共沉积锰和铋。优选地，所述锰铋薄膜中锰和铋的摩尔比为(1.00-1.70)：1。优选地，所述磁控溅射的条件为：本底真空6.5×10-5-9.0×10-5Pa，工作气体流量为15-25sccm，溅射压强为1.0-2.9Pa，锰的溅射功率为20-40W，铋的溅射功率为4-8W，溅射时间为1200-3600s，锰靶基距为6-8cm，铋靶基距为4-6cm。优选地，所述工作气体为惰性气体；所述基片为玻璃基片。本专利技术还提供了上述制备方法制得的低温相锰铋薄膜。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术提供的低温相锰铋薄膜的制备方法，采用磁控溅射方法共溅射沉积锰铋，然后将所得薄膜进行后期退火处理，保温完成后采用快速降温过程，得到低温相锰铋薄膜。通过降温速率的增加，使得过冷度增大，导致非自发成核能力降低，形核数目增加，因此晶粒尺寸和颗粒尺寸都变小，而这两个数据的减小则会提高翻转过程以钉扎作用为主要机制的材料的矫顽力，同时快速降温有利于颗粒细化，使颗粒分布更加均匀。2.本专利技术提供的低温相锰铋薄膜，最高矫顽力可达13kOe以上，和慢速降温相比，矫顽力大幅提升，同时该薄膜厚度在纳米级，和磁性器件的小型化、微型化趋势一致，可以和现代新型磁性相关产业相结合。3.本专利技术由于采用快速降温，减少了退火时间，提高了生产效率，适合大规模生产的需求。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1实施例1和对比例1得到的锰铋薄膜的XRD图；图2实施例2和对比例2得到的锰铋薄膜的磁滞回线图；图3实施例3和对比例3得到的锰铋薄膜的扫描电镜与颗粒尺寸分布图；图4实施例4和对比例4得到的锰铋薄膜的磁滞回线图。具体实施方式提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。实施例1本实施例提供一种低温相锰铋薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)磁控溅射镀膜：将直径为60mm、纯度为99.99％的锰靶和铋靶以及提前清洗好的玻璃基片放入磁控溅射室，调整锰靶基距为6.9cm，铋靶基距为5.8cm。待真空室的本底真空达到8.7×10-5Pa时，通入纯度为99.99％的氩气，流量为15sccm，调整挡板阀使溅射压强为2.0Pa，Mn的溅射功率为25W，Bi的溅射功率为6W，两者同时溅射，溅射时间为1800s，得到待退火薄膜，其中锰铋原子比例为Mn:Bi＝1.07；(2)退火：将镀好待退火薄膜的基片取出来后裁剪一部分放置于管式真空退火炉中，抽气待本底真空达到2.5×10-4Pa时开始加热，以7℃/min的升温速率升到360℃后保温0.5h。保温结束后停止加热，并迅速拉开加热炉开始降温过程，使薄膜随真空室在空气中迅速降温，降温速率为4.5℃/min，得到低温相锰铋薄膜。实施例2本实施例提供一种低温相锰铋薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)磁控溅射镀膜：将直径为60mm、纯度为99.99％的锰靶和铋靶以及提前清洗好的玻璃基片放入磁控溅射室，调整锰靶基距为6.9cm，铋靶基距为5.8cm。待真空室的本底真空达到8.0×10-5Pa时，通入纯度为99.99％的氩气，流量为20sccm调整挡板阀使溅射压强为1.5Pa，Mn的溅射功率为26W，Bi的溅射功率为6W，两者同时溅射，溅射时间为2400s，得到待退火薄膜，其中锰铋原子比例为Mn:Bi＝1.15；(2)退火：将镀好待退火薄膜的基片取出来后裁剪一部分放置于管式真空退火炉中，抽气待本底真空达到4.0×10-4Pa时开始加热，以10℃/min的升温速率升到360℃后保温0.5h。保温结束后停止加热，并迅速拉开加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温相锰铋薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：对镀覆在基片上的锰铋薄膜进行退火，所述退火中的降温过程为快速降温，降温速率为4.0-6.0℃/min，制得低温相锰铋薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种低温相锰铋薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：对镀覆在基片上的锰铋薄膜进行退火，所述退火中的降温过程为快速降温，降温速率为4.0-6.0℃/min，制得低温相锰铋薄膜。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述快速降温是让锰铋薄膜在真空状态由空气进行降温。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述退火还包括将锰铋薄膜以2.0-12.0℃/min的升温速率升温至360-390℃，并在该温度下保温20min-2h。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火时的真空不高于6×10-4Pa。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述锰铋薄膜的镀覆方法是使用工作气体同时轰击锰靶和铋靶，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦秀芳，许小红，邸兰欣，睢彩云，赵睿，
申请(专利权)人：山西师范大学，
类型：发明
国别省市：山西;14