在不同的濺射氣壓下,采用連續磁控濺射制備了Fe/Si3N4多層膜,探討了濺射氣壓對多層膜微波磁性的影響。研究發現,濺射氣壓影響著多層膜的沉積速率和微結構,在濺射鐵子層時,Ar氣流量控制在300sccm400sccm下,在濺射氮化硅子層時,氬氣與氮氣的流量控制在2∶1,總流量控制在320sccm時制備得到的多層膜具有最好的磁性能。

　　隱身技術關鍵基礎之一是吸波材料,當前國內吸波材料在2GHz～4GHz 的低頻下還存在吸收較弱的缺點,這限制了吸波材料的使用。對單層吸波材料而言,低頻下吸波材料電磁參數匹配特性的研究表明:較高的磁導率實部是達到高吸收率的必要條件,而適當低的介電常數有利于電磁參數的匹配。對納米磁性多層膜的研究表明,其突出優點之一就是在低頻下具有較高的磁導率,具備雷達波強吸收的潛力。　　

　　磁控濺射的工作氣壓主要影響著鍍膜沉積速率和多層膜的結構與性能,不同濺射氣壓下,膜的沉積速率不同,結構與性能也不同。目前國內關于濺射氣壓對多層膜微波磁性的研究還鮮有報道。Wen 等認為在金屬/介電多層膜中可能存在著粒子共振(Plasma resonance) 、界面粒子共振、鐵磁共振和自旋波共振。Camley 等認為在鐵磁/ 非鐵磁磁性多層膜中存在偶極場耦合、交換耦合作用。當非鐵磁子層的厚度非常厚(20nm～200nm) 時,在鐵磁子層間沒有直接的類交換耦合,此時一個鐵磁子層內的進動自旋產生了偶極場,該偶極場延伸出來影響到其它鐵磁層內的自旋運動。

　　如上所述,被非磁性層分離開的兩層磁性層通過長范圍的偶極場相互作用。但當磁性層被非常薄(5A ～50A) 的非磁性層分隔開時,出現另外的相互作用,此相互作用可被數學表示成薄膜表面自旋間的有效交換作用。該交換作用被認為來源于非磁性中間層中傳導電子的自旋極化并且部分依賴于非磁性層的厚度。

　　在磁控濺射制備納米多層膜鐵子層時,采用直流磁控濺射,本文研究了采用不同Ar 氣流量時對鍍制的多層膜的磁性能的影響。鍍制氮化硅子層時,采用了中頻濺射Si 靶的同時通入N2 反應生成氮化硅,此時N2 與工作氣體Ar 的比率將影響到氮化硅層的成份和結構,因此本文同時研究了濺射氮化硅子層時N2 與Ar 的比率對磁性納米多層膜磁性能的影響。

1、實驗

1.1、原料

　　Fe 靶采用了太原共同物資公司出售的工業純鐵,牌號DT4-C;Si 靶采用了有色金屬研究院摻鋁Si 。濺射工作氣體采用了湖南京湘氣體廠生產的高純氬氣和氮氣,氬氣純度99.99 %,氮氣純度99.99 %。

1.2、實驗過程

　　采用磁控濺射法來制備磁性納米多層膜,連續卷繞制備設備如圖1 所示。

圖1 　SC-SJ300 卷繞鍍膜機結構示意圖

　　制備過程如下:抽真空,使濺射室的真空度達到要求。在鐵磁靶靶位通入高純氬氣(99.99 %) ,在介質靶靶位通入反應氣體和高純氬氣的混合氣體。設定鍍膜機的卷繞速度、卷繞長度、濺射電流和濺射功率等鍍膜參數,在柔性基膜上鍍膜。達到所需的納米磁性多層膜周期數后,鍍膜完成。

1.3、測試方法

　　將鍍制的多層膜從基底薄膜上剝離,在研缽中研磨直到變成粉末,然后和石蠟按一定比例配比(重量百分比4∶1) ,用模具壓成同軸樣 。樣品的電磁參數使用網絡矢量分析儀測試得到。

3、結論

　　濺射氣壓影響薄膜的沉積速率和微結構從而影響多層膜的性能。對Fe/ Si3N4 濺射氣壓的研究表明:

　　(1) 鍍制Fe 子層時,濺射氣壓影響沉積速率,控制著Fe 層的厚度, Fe 子層厚度是決定Fe/ Si3N4 多層膜磁性能的一個關鍵因素, Fe 子層厚度控制在6nm附近時多層膜的磁性能較高, Fe 子層厚度變薄,多層膜的磁性能急劇降低。

　　(2) 鍍制Si3N4 子層時,濺射氣壓影響著Si3N4 子層的微結構,N2 含量偏低或偏高均不利于多層膜的磁性能,Ar 與N2 的流量控制在2∶1 附近,生成的Si3N4 子層使Fe 子層之間形成層間耦合和自然共振,增大了多層膜的微波磁性能。

　　(3) 在濺射鐵子層時,Ar 氣流量控制在300sccm～400sccm 下,在濺射氮化硅子層時,氬氣與氮氣的流量控制在2∶1 ,總流量控制在320sccm 時制備得到的多層膜具有最好的磁性能。