AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜的制备主要采用射频磁控溅射(SPF-430H, ANELVA, Japan)。实验中所采用的靶材和基片有Mo靶、Al靶(北京有色金属研究总院生产), FeCoSiB靶(北京高德威金属科技开发有限公司生产), Si/SiO₂基片(合肥元晶科技材料有限公司生产)。首先在500 μm左右厚的Si/SiO₂基片上溅射一层300 nm左右的Mo底电极, 然后在Mo电极上通过反应磁控溅射沉积1200 nm左右AlN压电薄膜, 最后再溅射1500 nm左右的FeCoSiB磁致伸缩薄膜, 同时作为上电极。AlN薄膜以及FeCoSiB薄膜的溅射条件如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 AlN和FeCoSiB薄膜溅射参数 Table 1 Sputtering parameters of AlN and FeCoSiB thin films Parameters* AlN FeCoSiB Target Al (99.99%) (Fe90Co10)12Si78B10(99.99%) Substrate Si/SiO2/Mo Si/SiO2/Mo/AlN Sputtering power/W 400 300 Sputtering gas and pressure/0.133Pa Ar=1 N2=2 Ar=1 Target to substrate distance/mm 40 60 Sputtering time/min 60 40 (*Other condition: vacuum<7.5×10-4Pa, untreated substrate)

表1 AlN和FeCoSiB薄膜溅射参数 Table 1 Sputtering parameters of AlN and FeCoSiB thin films

实验中采用X射线衍射仪(XRD, χ’Pert PRO, PANalytical)分析AlN薄膜的物相及织构; 场发射扫描电子显微镜(FEI Quanta 450FEG)用来观察AlN薄膜和AlN/FeCoSiB复合薄膜的截面微观生长结构;FeCoSiB薄膜的磁性能测试采用美国Lake Shore Cryotronics公司生产的振动样品磁强计(VSM, Lake Shore, 7400)。

将制备好的Si/SiO₂/Mo/AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜的一端通过环氧树脂与PCB板粘结, 同时利用铝丝焊线机引出电极。该磁电复合薄膜实物图及其逆磁电响应的测试原理如图1所示。

图1

Fig. 1

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	图1 AlN/FeCoSiB复合薄膜的逆磁电测试原理图Fig. 1 Schematic of converse magnetoelectric measurement for AlN/FeCoSiB composite films (the right is actual sample)

具体测试过程如下: 将样片置于200匝长直螺线管的中心, 然后一起放置在两块NbFeB永磁体的中间, 其中保持薄膜样片的长度方向(面内方向)始终平行于永磁体产生的直流偏置磁场 H_dc的方向。采用信号发生器并通过上下电极对AlN压电层施加一个交变电压 V_ac, AlN压电层会由于逆压电效应产生应力和应变, 该应力由于界面耦合作用传递给FeCoSiB磁致伸缩层, 最后FeCoSiB由于逆磁致伸缩效应会在其内部产生磁通量的变化, 由于电磁感应定律, 磁通量的变化会导致长直螺线管产生电压输出 V_out, 采用频谱分析仪(Agilent 35670A)读取该输出电压。通过以下公式计算即可得到磁感应强度 B的大小:

(1)

式中, A代表FeCoSiB磁致伸缩层的横截面积; N表示与磁电复合薄膜对应的螺线管的有效匝数, f为交变频率, V_out为频谱仪读出的p-p电压值。逆磁电电压系数可表示为: α_CME=∂B/∂V_ac (2)

制备L-T型AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜的关键是生长具有高度(002)择优取向的AlN压电薄膜。通常人们采用改变基底温度、Ar与N₂的流量比、溅射功率以及靶基距等溅射条件来获取(002)择优取向的AlN薄膜。事实上, 仅仅通过改变溅射参数来提高(002)取向度是远远不够的。因此本工作尝试采用退火的方法来提高AlN薄膜的(002)择优取向, 并取得了显著的效果。图2给出了未退火和500 ℃退火的AlN薄膜的XRD图谱, 从图中可以看出, 经过500 ℃退火后, AlN(002)峰的强度较未退火有了显著的提高, 而且没有AlN其他衍射峰出现。这主要是由于合适的热处理温度会促进AlN晶粒的进一步生长, 同时也释放出一定的残余应力。

图2

Fig. 2

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	图2 未退火和500℃退火后AlN薄膜的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of AlN thin film as-deposited (a) and annealed at 500℃(b)

一般来讲, 具有(002)择优取向的AlN薄膜的晶体结构呈现柱状生长。图3给出了500 ℃退火的AlN薄膜的场发射扫描电镜显微图片, 可以明显观察到AlN薄膜的柱状结构, 这也进一步验证了XRD的分析结果。

图3

Fig. 3

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	图3 500℃退火后AlN薄膜的FESEM截面形貌选择500 ℃退火处理的Si/SiO2/Mo/AlN薄膜作为基底, 根据表1的溅射条件, 溅射制备FeCoSiB磁致伸缩薄膜。图4给出了Si/SiO2/Mo/AlN/FeCoSiB复合薄膜的断面形貌, 可以看到, AlN压电层和FeCoSiB磁致伸缩层之间具有非常清晰的分界线, 并没有出现相互渗透的现象; 这种结合良好的界面是以环氧树脂粘结的层状磁电复合材料所无法比拟的。Fig. 3 Cross-sectional FESEM image of AlN thin film annealed at 500℃

FeCoSiB薄膜溅射完成后, 整个基片被切成15 mm×4.5 mm的矩形块, 在300 ℃下真空磁场退火, 其中本底真空度为5×10^-4Pa, 磁场方向平行于矩形块的长度方向。利用振动样品磁强计测试了FeCoSiB薄膜的磁滞回线, 其中施加磁场方向平行于矩形块长度方向, 如图5所示。由图5可知, 经过300 ℃退火后, FeCoSiB薄膜的矫顽力从270.6 A/m降低到119.4 A/m, 饱和磁化强度也有明显的增加, 而且达到饱和磁化强度所需要的外部磁场较未退火的样品也有显著减小, 这一方面是由于其软磁性能得到改善, 另一方面可能是FeCoSiB薄膜内部的残余应力得到一定的消除。这也说明经过退火, FeCoSiB薄膜内部具有优异的磁场灵敏度。

图4

Fig.4

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	图4 Si/SiO2/Mo/AlN/FeCoSiB复合薄膜的断面形貌Fig.4 Cross-sectional FESEM image of Si/SiO2/Mo/AlN/FeCoSiB composite films

AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜的逆磁电系数随偏置磁场的变化曲线如图6所示, 其中交变电压和频率分别固定在6 V和10 kHz。由图6可以明显看出, 逆磁电系数随偏置磁场的增大有先增大后减小的趋势。当偏置磁场为0时, 此时FeCoSiB薄膜的压磁系数 q₃₃(d λ/d H)为0, 但磁电复合薄膜仍然有很高的逆磁电电压系数(57.1 A/(m·V)), 这主要是由于高磁导率FeCoSiB薄膜的磁通聚集效应, 导致施加在复合薄膜上的实际偏置磁场大于0。随着偏置磁场的增大, FeCoSiB薄膜的压磁系数也逐渐增大, 导致逆磁电系数也相应增大^{[ 19, 20]}, 其中在偏置磁场约为875 A/m时, 压磁系数达到最大值, 此时逆磁电系数也相应达到最大值62.5 A/(m·V)。其中, 在0< H_dc<875 A/m范围内, 逆磁电系数随偏置磁场近似线性变化, 这为该AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜用于低直流磁场的探测提供了可能。随偏置磁场的进一步增大, FeCoSiB薄膜的磁致伸缩达到饱和, 从而压磁系数逐渐减小, 导致磁电复合薄膜的逆磁电系数也有逐渐降低的趋势。

图5

Fig. 5

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	图5 未退火和300 ℃退火后AlN/FeCoSiB复合薄膜的磁滞回线Fig. 5 M- H hysteresis loops of as-deposited AlN/FeCoSiB composite films and AlN/FeCoSiB composite films annealed at 300℃

图6

Fig. 6

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	图6 逆磁电系数随偏置磁场的变化关系Fig. 6 Converse magnetoelectric coefficient as a function of bias magnetic field

图7给出了在最优偏置磁场 H_dc为875 A/m、频率为10 kHz条件下, AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜的磁感应强度 B随所加交变电压 V_ac的变化关系, 可以看出, 磁感应强度 B随交变电压 V_ac的变化有非常好的线性响应。这主要是由于随交变电压的增大, AlN压电层产生的逆压电效应也逐渐增大; 同时由于AlN层和FeCoSiB层之间的良好界面结合, 由AlN压电层所产生的应力也成比例地传递给FeCoSiB磁致伸缩层, 从而导致其逆磁致伸缩效应也逐渐增大。通过最小二乘法拟合, 并根据相对误差计算公式：

(3)

可以得到该磁电复合薄膜的线性度为1.3%。鉴于这种复合薄膜具有高的逆磁电系数和优异的线性逆磁电响应, 非常有希望应用于电场传感器及磁电换能器等器件中。

图7

Fig. 7

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	图7 磁感应强度随交变电压的变化关系Fig. 7 The magnetic induction as a function of AC voltage

采用射频磁控溅射成功制备了AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜, 并研究了其逆磁电响应, 得到以下结论:1) 经过500 ℃退火处理后, AlN薄膜(002)衍射峰的强度较退火前有显著提高, 并呈现明显的柱状结构生长;2) 经过300 ℃退火后, FeCoSiB薄膜的矫顽力从270.6 A/m降低到119.4 A/m, 磁场灵敏度提高;3) 逆磁电系数随偏置磁场的增大有先增大后减小的趋势, 其中在偏置磁场约为875 A/m时, 逆磁电系数达到最大值62.5 A/(m·V); 同时, 磁感应强度 B随交变电压 V_ac的变化有良好的线性响应。