強磁場(chǎng)下真空蒸發(fā)Zn薄膜晶粒細化研究

　　任何物質(zhì)都是有磁性的,磁場(chǎng)對材料的磁作用已成為材料科學(xué)中的一個(gè)熱點(diǎn),并發(fā)展成為一個(gè)新興的學(xué)科———磁作用科學(xué)(Magneto-Science)。強磁場(chǎng)對材料有強烈的取向作用使其不僅對材料的相變和晶界遷移產(chǎn)生影響,還對材料的凝固過(guò)程產(chǎn)生很大的影響。Yasuda等發(fā)現磁場(chǎng)對鐵磁性的Bi-Mn合金有取向作用, Sugiya-ma等也發(fā)現非鐵磁性材料在磁場(chǎng)下凝固組織有很好的定向排列現象。晉芳偉等在研究Al-18Si 合金凝固過(guò)程中初生硅在梯度磁場(chǎng)中的遷移時(shí),還發(fā)現了初生硅的細化現象。由于薄膜生長(cháng)和凝固過(guò)程有很大的相似性,強磁場(chǎng)下薄膜生長(cháng)研究也引起了研究者的興趣。Tahashi等應用激光沉積制備薄膜,發(fā)現在12T強磁場(chǎng)中生成的弱磁性的Zn和Bi薄膜有明顯的取向,而且強磁場(chǎng)還對不同襯底上沉積薄膜的表面形貌有影響。溫燕玲對強磁場(chǎng)下用電化學(xué)方法制備的Ni-Fe薄膜進(jìn)行了研究,發(fā)現12T磁場(chǎng)下制備的薄膜晶粒特別細小。兩步氧化法制備ZnO薄膜要首先在基片上制備Zn薄膜,作者分別在1T,2T和3T強磁場(chǎng)下用電阻加熱真空沉積制備了相同厚度的Zn薄膜,并對薄膜進(jìn)行了XRD和SEM研究。

1 　實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗裝置如圖1所示,真空蒸發(fā)裝置放置在超導強磁場(chǎng)最強處。強磁體是英國牛津公司生產(chǎn)的超導強磁場(chǎng)裝置,采用液氦和液氮聯(lián)合冷卻方式,磁場(chǎng)最高可調至12T。磁場(chǎng)方向為豎直向上方向,垂直于基片表面。采用鎢合金電阻片加熱方式沉積,為了保證實(shí)驗的重復性,對比實(shí)驗均采用相同的電阻片,直流電源電流可控制在10mA量級。沉積材料采用分析純的Zn粉。真空抽氣裝置采用機械泵和分子泵組合方式,實(shí)驗控制真空度在1.33 ×10^-3Pa �；�片采用載玻片,基片溫度為300K。

圖1 　實(shí)驗裝置示意圖

　　薄膜表面形貌觀(guān)察采用J EOL-840A掃描探針顯微鏡(SPM)。薄膜取向分析是使用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X’Pert Pro X射線(xiàn)衍射裝置,X射線(xiàn)電壓為40kV,采用2θ/θ聯(lián)動(dòng)連續掃描方式,起始角度為30°,終止角度為60°,掃描步長(cháng)為0.02°。

2 　結果與討論

　　分別對無(wú)磁場(chǎng)和不同強磁場(chǎng)下制備的厚度為1μm的Zn薄膜試樣進(jìn)行了XRD衍射分析,XRD衍射圖譜在圖2 中給出,a圖為0磁場(chǎng)下制備的試樣圖譜,b,c,d圖分別為1T,2T和3T磁場(chǎng)下制備試樣的結果。厚度是采用SEM 直接觀(guān)察斷面得到的。制備的試樣(002) 面上的衍射峰最強,而(100)和(101)則很弱,Zn的標準PDF卡上最強峰為(101) 方向。施加磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)的樣品都是沿(002)取向的,該方向的取向因子按公式(1)計算

　　式中I ₍₀₀₂₎ 為(002) 方向上的衍射峰強度, I_(hkl) 為(hkl)方向上衍射峰強度。標準PDF卡該方向的取向因子為0.22,計算得到0磁場(chǎng)下的試樣為0.75 ,而1T,2T和3T磁場(chǎng)制備的試樣取向因子分別為0.70,0.85,0.88。磁場(chǎng)對真空沉積的Zn 薄膜取向沒(méi)有明顯的影響,可能是因為3T磁場(chǎng)對Zn薄膜的取向作用不強。

圖2 　不同磁場(chǎng)下制備的Zn薄膜XRD圖譜(厚度為1μm)

　　一般我們認為,晶粒在磁場(chǎng)中產(chǎn)生取向,磁場(chǎng)給予的能量要大于100J ·m^-3。晶粒發(fā)生取向的能量按照公式(2)計算

　　式中, IΔχI 為晶粒各向異性的磁化能之差,B為施加的磁場(chǎng),μo為真空磁化率。Zn是抗磁性的,沿c軸和ab 軸的磁化率分別為χc =-1.33 ×10^-5 ,χab= - 1.81 ×10^-5 。Zn 的易磁化軸為c 軸,磁場(chǎng)越強對晶粒取向的作用就越明顯,實(shí)驗結果和理論相符。圖3是不同磁場(chǎng)下制備Zn薄膜的SEM 照片,放大倍數為5000 倍。圖3 (a) 為無(wú)磁場(chǎng)即為0 磁場(chǎng)下制備的薄膜,表面晶粒呈六方片狀分布。從圖中我們可以從表面形貌上觀(guān)察,有磁場(chǎng)下制備的Zn 薄膜晶粒比無(wú)磁場(chǎng)下制備的薄膜要細致,隨著(zhù)磁場(chǎng)的增加,Zn 薄膜表面晶粒形狀細化程度越來(lái)越強,晶粒形狀呈六方片狀分布。無(wú)磁場(chǎng)制備的Zn 薄膜,表面晶粒尺寸大約為2μm ,1T 磁場(chǎng)下約為1μm ,2T磁場(chǎng)下約為600nm ,而3T磁場(chǎng)下制備的試樣晶粒尺寸約為300nm。