一種氮化鐵薄膜的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種氮化鐵薄膜的制備方法。該方法是采用激光脈沖沉積的方法，通過控制沉積溫度、時間和氧氣流量，來制備氧化鐵薄膜；通入氫氣，在300~400℃還原4?20h，以獲得鐵薄膜；通入氨氣，在120~200℃氮化1~30h；氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.1~2T；降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品，即可獲得氮化鐵薄膜。該方法可以直接獲得高α"?Fe16N2含量的氮化鐵薄膜，有利于薄膜器件的集成應用，此外采用磁場熱處理的方法，使薄膜氮化時產生晶體學取向，方便的控制薄膜的晶體學易磁化軸。
【專利說明】
一種氮化鐵薄膜的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種氮化鐵薄膜的制備方法，屬于材料制備領域。【背景技術】
[0002]磁性薄膜材料是指厚度在1微米以下的強磁性(鐵磁性和亞鐵磁性)材料。其中鐵氮磁性薄膜由于具有優異的磁性能、高抗腐蝕性能和耐磨損性能，在磁性薄膜器件領域有巨大的應用前景。鐵氮薄膜的制備方法主要有真空蒸發法、電沉積法、濺射法等。
[0003]隨氮含量的變化，氮化鐵具有不同的結構和性能，主要包括間隙固溶體(a，y，0， 化合物相(y?Fe4N，e-Fe3N)和介穩相(cT-馬氏體和a〃-Fe16N2)。所有氮化鐵都為亞穩相，會分解成?6和仏。但在400°C以下其分解的動力學過程非常緩慢，受動力學過程限制，氮化鐵相在室溫可以穩定存在。這其中a〃-Fe16N2的飽和磁化強度值為2.83 T，遠高于其他材料，弓丨起人們濃厚的興趣。
[0004]發明人采用脈沖激光沉積(PLD)方法制備鐵氮薄膜。通過在真空腔體中引入反應氣體，PLD技術利于制備多種復雜的氧化物和氮化物薄膜，還可以得到某些室溫非平衡態固溶體或化合物。通過控制氮分壓等沉積條件，可以制備出單相的Fe4N和Fe3N。但是發明人一直沒有制備出a〃_Fe16N2相。
[0005]近年來，采用納米氧化鐵粉，采用H2還原，NH3氮化制備被廣泛關注。但這種方法一個缺點在于H2還原后獲得的鐵粉活性大，相互團聚嚴重，阻礙了氮化進程。為了克服納米顆粒的團聚，不少科學家采用納米氧化鐵粉外包覆氧化鋁或者氧化硅的方法，并且取得了一定效果。但新的問題出現了，氧化鋁和氧化硅為非磁性組元，降低了體系的磁化強度。
[0006]結合以上，發明人采用PLD法制備氧化鐵薄膜，然后采用氫化還原、低溫氮化的方法，制備高a〃_Fe16N2相含量的氮化鐵薄膜，并且在氮化過程中施加磁場，使獲得的氮化鐵薄膜具有磁各向異性。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種通過PLD法獲得氧化鐵薄膜，然后采用氫化還原、低溫氮化的方法，制備高a"_Fe16N2相含量的氮化鐵薄膜的制備方法。
[0008]本發明的具體步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為20?600°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在10?lOOsccm;沉積時間控制在0.3?3h;第二步:還原將氧化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在300?400°C還原4-20h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在120?200°C氮化1?30h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.1?2T;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品，即可獲得氮化鐵薄膜，其相組成主要為a〃-Fe16N2,并包含部分a-Fe相；所述的磁場由電磁鐵或永磁體產生；所述的永磁體包括釤鈷磁體、釹鐵硼磁體、鐵氧體磁體、鐵鈷磁體、鋁鎳鈷磁體和鐵鉑合金磁體。
[0009]本發明的優點是:1)直接獲得高a〃_Fe16N2含量的氮化鐵薄膜，有利于薄膜器件的集成應用；2)采用磁場熱處理的方法，使薄膜氮化時產生晶體學取向，方便的控制薄膜的晶體學易磁化軸。【具體實施方式】
[0010]下面結合實施例對本發明進行詳細描述，以便更好地理解本發明的目的、特點和優點。雖然本發明是結合該具體的實施例進行描述，但并不意味著本發明局限于所描述的具體實施例。相反，對可以包括在本發明權利要求中所限定的保護范圍內的實施方式進行的替代、改進和等同的實施方式，都屬于本發明的保護范圍。對于未特別標注的工藝參數， 可按常規技術進行。
[0011]本發明的具體步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為20?600°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在10?lOOsccm;沉積時間控制在0.3?3h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在300?400°C還原4-20h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在120?200°C氮化卜30h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.1?2T;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品，即可獲得氮化鐵薄膜，其相組成主要為a〃-Fe16N2,并包含部分a-Fe相；所述的磁場由電磁鐵或永磁體產生；所述的永磁體包括釤鈷磁體、釹鐵硼磁體、鐵氧體磁體、鐵鈷磁體、鋁鎳鈷磁體和鐵鉑合金磁體。[〇〇12]通過本發明可以制備取向的氮化鐵薄膜。[〇〇13] 實施例1:步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為20°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在10 0 s c cm;沉積時間控制在3 h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在300°C還原20h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在120°C氮化30h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度2T，磁場由電磁鐵產生;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品。
[0014]對實施例1所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 a〃-Fe16N2和a-Fe相，并且兩相具有取向性。
[0015]實施例2:步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為80°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在80sccm;沉積時間控制在2h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在320°C還原16h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在140 °C氮化16h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度1T，磁場由電磁鐵產生;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品。
[0016]對實施例2所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 a〃-Fe16N2和a-Fe相，并且兩相具有取向性。
[0017]實施例3:步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為160°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在60sccm;沉積時間控制在1 ? 5h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在340°C還原12h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在160°C氮化8h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.8T，磁場由電磁鐵產生;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品。
[0018]對實施例3所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 a〃-Fe16N2和a-Fe相，并且兩相具有取向性。
[0019]實施例4:步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為300°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在40 s c cm;沉積時間控制在1 h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在360°C還原8h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在170°C氮化4h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.4T， 磁場由釹鐵硼永磁體產生;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品。
[0020] 對實施例4所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 a〃-Fe16N2和a-Fe相，并且兩相具有取向性。[〇〇21] 實施例5:步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為450°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在20sccm;沉積時間控制在0 ? 5h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在380°C還原6h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在180 °C氮化2h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.2T， 磁場由鐵鈷永磁體產生;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品。[〇〇22] 對實施例5所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 a〃-Fe16N2和a-Fe相，并且具有取向性。[〇〇23] 實施例6:步驟為:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為600°C ;氣氛為氧氣，氧氣流量控制在10 s c cm;沉積時間控制在0 ? 3h;第二步:還原將氮化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在400°C還原4h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在200 °C氮化lh;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強度0.1T， 磁場由釤鈷永磁體提供;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品。[〇〇24] 對實施例6所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 a〃-Fe16N2和a-Fe相，并且兩相具有取向性。
【主權項】
1.一種氮化鐵薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟:第一步:氧化鐵薄膜制備選擇純鐵靶材和干凈玻璃襯底;制備過程中，襯底溫度為20?600°C ;氣氛為氧氣，氧氣 流量控制在10?lOOsccm;沉積時間控制在0.3?3h;第二步:還原將氧化鐵薄膜取出，置于熱處理爐中，以恒定的速率通入氫氣，在300?400°C還原4-20h，以獲得鐵薄膜；第三步:氮化通入氨氣，在120?200°C氮化卜30h;氮化過程中施加磁場，誘導氮化鐵的取向，磁場強 度0.1?2T;降溫，隨爐冷卻至室溫，取出樣品，即可獲得氮化鐵薄膜；所述的磁場由電磁鐵或永磁體產生；所述的永磁體包括釤鈷磁體、釹鐵硼磁體、鐵氧體磁體、鐵鈷磁體、鋁鎳鈷磁體和鐵鉑合金磁體。
【文檔編號】C23C14/58GK106011748SQ201610469979
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月26日
【發明人】李靜, 彭曉領, 楊艷婷, 徐靖才, 王攀峰, 金紅曉, 金頂峰, 洪波, 王新慶, 葛洪良
【申請人】彭曉領