射频溅射基底温度对Ni-Mn-Ga薄膜形貌及磁性能影响研究

【作者】 陈峰华； 张敏刚； 郭艳萍； 李敏杰；

【机构】 太原科技大学材料科学与工程学院先进材料研究所；

【摘要】 磁性形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy,MSMA)作为一类新型形状记忆材料,不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性形状记忆效应,而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应(Magnetic Shape Memory Effect,MSME),而被广泛研究。Ni-Mn-Ga合金作为该类合金的典型代表,其马氏体相变对成分非常敏感,对于块体可以通过改变Ni-Mn-Ga配料来调控成分,从而调整其相变温度。磁控溅射制备薄膜过程由于靶材成分的确定性,因此通过调整制备参数来调控Ni-Mn-Ga薄膜的成分以调控马氏体相变以及晶体结构成为有效途径。薄膜的微观结构(包括表面形貌和粗糙度等)与溅射参数密切相关,而微观结构对孪晶界的位移有很大影响,粗糙表面会阻碍孪晶界的位移,晶界对孪晶界也有钉扎作用。传统低温溅射高温再结晶对薄膜晶粒长大及真空晶化条件要求高,且高温再结晶效果较差,本文在对已有实验分析的基础上,提出采用不同基底温度在P型Si(100)上制备Ni-Mn-Ga薄膜,研究了当溅射功率为150 W,氩气气压为0.3 Pa,靶间距为80 mm,衬底温度分别为723 K、773 K、823 K、873 K时的1 um厚薄膜样品。采用X射线衍射仪(XRD)分析薄膜晶体结构,利用原子力显微镜(AFM)分析了制备薄膜的表面形貌及均方根粗糙度,通过振动样品磁强计(VSM)对不同样品磁性能进行测试。研究表明衬底温度对薄膜晶化及晶体结构有一定影响,特别是当基底温度为873 K时,由于薄膜合金与Si基片反应生成Ni-Si或Mn-Si化合物,晶体结构发生明显变化;随着基底溅射温度变化表面形貌有显著影响,薄膜的均方根粗糙度随沉积温度的升高而增大,制备薄膜晶粒尺寸由50 nm增大到300-500 nm;薄膜磁性能研究表明当溅射温度为823 K时样品的磁性能最好,873 K时Si衬底与Ni-Mn-Ga合金反应,导致磁性的急剧降低。更多还原