强磁场下真空蒸发Zn薄膜晶粒细化研究

　　任何物质都是有磁性的,磁场对材料的磁作用已成为材料科学中的一个热点,并发展成为一个新兴的学科———磁作用科学(Magneto-Science)。强磁场对材料有强烈的取向作用使其不仅对材料的相变和晶界迁移产生影响,还对材料的凝固过程产生很大的影响。Yasuda等发现磁场对铁磁性的Bi-Mn合金有取向作用, Sugiya-ma等也发现非铁磁性材料在磁场下凝固组织有很好的定向排列现象。晋芳伟等在研究Al-18Si 合金凝固过程中初生硅在梯度磁场中的迁移时,还发现了初生硅的细化现象。由于薄膜生长和凝固过程有很大的相似性,强磁场下薄膜生长研究也引起了研究者的兴趣。Tahashi等应用激光沉积制备薄膜,发现在12T强磁场中生成的弱磁性的Zn和Bi薄膜有明显的取向,而且强磁场还对不同衬底上沉积薄膜的表面形貌有影响。温燕玲对强磁场下用电化学方法制备的Ni-Fe薄膜进行了研究,发现12T磁场下制备的薄膜晶粒特别细小。两步氧化法制备ZnO薄膜要首先在基片上制备Zn薄膜,作者分别在1T,2T和3T强磁场下用电阻加热真空沉积制备了相同厚度的Zn薄膜,并对薄膜进行了XRD和SEM研究。

1 　实验装置

　　实验装置如图1所示,真空蒸发装置放置在超导强磁场最强处。强磁体是英国牛津公司生产的超导强磁场装置,采用液氦和液氮联合冷却方式,磁场最高可调至12T。磁场方向为竖直向上方向,垂直于基片表面。采用钨合金电阻片加热方式沉积,为了保证实验的重复性,对比实验均采用相同的电阻片,直流电源电流可控制在10mA量级。沉积材料采用分析纯的Zn粉。真空抽气装置采用机械泵和分子泵组合方式,实验控制真空度在1.33 ×10^-3Pa 。基片采用载玻片,基片温度为300K。

图1 　实验装置示意图

　　薄膜表面形貌观察采用J EOL-840A扫描探针显微镜(SPM)。薄膜取向分析是使用荷兰帕纳科公司生产的X’Pert Pro X射线衍射装置,X射线电压为40kV,采用2θ/θ联动连续扫描方式,起始角度为30°,终止角度为60°,扫描步长为0.02°。

2 　结果与讨论

　　分别对无磁场和不同强磁场下制备的厚度为1μm的Zn薄膜试样进行了XRD衍射分析,XRD衍射图谱在图2 中给出,a图为0磁场下制备的试样图谱,b,c,d图分别为1T,2T和3T磁场下制备试样的结果。厚度是采用SEM 直接观察断面得到的。制备的试样(002) 面上的衍射峰最强,而(100)和(101)则很弱,Zn的标准PDF卡上最强峰为(101) 方向。施加磁场和无磁场的样品都是沿(002)取向的,该方向的取向因子按公式(1)计算

　　式中I ₍₀₀₂₎ 为(002) 方向上的衍射峰强度, I_(hkl) 为(hkl)方向上衍射峰强度。标准PDF卡该方向的取向因子为0.22,计算得到0磁场下的试样为0.75 ,而1T,2T和3T磁场制备的试样取向因子分别为0.70,0.85,0.88。磁场对真空沉积的Zn 薄膜取向没有明显的影响,可能是因为3T磁场对Zn薄膜的取向作用不强。

图2 　不同磁场下制备的Zn薄膜XRD图谱(厚度为1μm)

　　一般我们认为,晶粒在磁场中产生取向,磁场给予的能量要大于100J ·m^-3。晶粒发生取向的能量按照公式(2)计算

　　式中, IΔχI 为晶粒各向异性的磁化能之差,B为施加的磁场,μo为真空磁化率。Zn是抗磁性的,沿c轴和ab 轴的磁化率分别为χc =-1.33 ×10^-5 ,χab= - 1.81 ×10^-5 。Zn 的易磁化轴为c 轴,磁场越强对晶粒取向的作用就越明显,实验结果和理论相符。图3是不同磁场下制备Zn薄膜的SEM 照片,放大倍数为5000 倍。图3 (a) 为无磁场即为0 磁场下制备的薄膜,表面晶粒呈六方片状分布。从图中我们可以从表面形貌上观察,有磁场下制备的Zn 薄膜晶粒比无磁场下制备的薄膜要细致,随着磁场的增加,Zn 薄膜表面晶粒形状细化程度越来越强,晶粒形状呈六方片状分布。无磁场制备的Zn 薄膜,表面晶粒尺寸大约为2μm ,1T 磁场下约为1μm ,2T磁场下约为600nm ,而3T磁场下制备的试样晶粒尺寸约为300nm。