Ⅰ微橋實驗法測量金屬薄膜力學性能的研究;Ⅱ三明治多層薄膜巨磁阻抗和巨應力阻抗效應研究.pdf

1、本文基于單層微橋法評價薄膜力學性能的基本原理，采用數(shù)值計算的方法，提出了適合于微橋實驗樣品尺度的設計方法，以及適用于實驗及小撓度理論計算的載荷、撓度范圍的選擇方法。首先，提出了彈性撓度、載荷和小撓度理論載荷、撓度極限的基本概念及計算方法，并以此作為不同尺度樣品相互比較的參照從而來確定適合于微橋實驗的樣品長度和厚度，結合納米壓痕儀實驗參數(shù)來確定樣品的寬度。根據(jù)對可能彈性模量及殘余應力范圍內的撓度、載荷極限變化規(guī)律的研究結果，提出了估計實驗

2、載荷、撓度極限范圍，以及適用于小撓度理論計算的載荷、撓度極限范圍的方法。進一步地，采用以上方法選擇了合適尺度的微橋樣品，采用MEMS技術制備了電鍍拉應力NiFe、Ni及Cu薄膜微橋，采用上述理論計算了實驗載荷、撓度范圍以及小撓度載荷撓度范圍，并采用小撓度理論公式對其力學性能進行了評價，證明了以上方法的可行性。此外，在單層薄膜微橋法基本理論的基礎上，進一步推導了雙層復合(A/B)n型多層薄膜微橋法撓度-載荷的基本關系式，為評價微米、亞微米

3、甚至納米厚度薄膜的力學性能提供了基礎。并對借助于雙層薄膜微橋實驗法評價薄膜力學性能的樣品設計進行了研究。在此基礎上，提出了采用(A/B)n型多層薄膜評價納米尺度效應及界面效應以及采用臨界長度方法評價薄膜屈服強度的實驗方法。 本文還對曲折FeCuNbCrSiB/Cu/FeCuNbCrSiB三明治多層薄膜巨磁阻抗和巨應力阻抗效應進行了研究，隨磁場增加，其橫向巨磁阻抗效應顯示了鐘形變化趨勢，這與由外磁場引起的橫向去磁場效應導致的磁導率

4、的變化密切相關，其縱向巨磁阻抗效應顯示了線形變化趨勢，沒有觀察到對應于各向異性場的峰值，可能與各向異性場偏離橫向方向有關，其應力阻抗效應隨懸臂梁撓度增加而線形增加，這與拉應力相關的磁彈性效應引起的各向異性場進一步偏向縱向有關。隨頻率增加，磁阻抗和應力阻抗效應都顯示了單峰變化趨勢，特征頻率為5MHz，這與磁化機制由磁疇壁移動為主向磁化強度轉動為主的轉變相關。隨Cu層寬度增加，巨磁阻抗效應顯示了周期振蕩的變化趨勢，與現(xiàn)存阻抗理論相矛盾，進一

5、步的研究需要來揭示其變化規(guī)律。 對FeCuNbCrSiB薄膜的DSC以及不同溫度退火的XRD結果的分析表明，存在著兩個主要的納米晶化過程，分別對應于FeSi和FeB相的析出，薄膜在低于300℃時為非晶態(tài)，而在400℃時FeSi相析出并與非晶基體共存，高于500℃時FeB相開始出現(xiàn)，此時晶體相在薄膜中占主要，薄膜的納米硬度和楊氏模量在8.8～12.34GPa和150-197.5MPa范圍內變化，退火溫度低于400℃時，硬度隨退火溫

6、度增加顯示了減小的趨勢，可能與非晶基體的弛豫有關，進一步增加退火溫度導致硬度和楊氏模量的增加，與薄膜中納米晶比率增加有關；對薄膜磁滯回線的研究表明，預沉積薄膜具有優(yōu)良的軟磁性能，在300℃時性能達到最優(yōu)，但納米晶化階段其軟磁性能急劇下降。對樣品不同溫度退火前后的比較證實了在300℃時GMI得到了提高，而更高溫度則有降低GMI的趨勢，GMI退火研究結果可以為改善巨磁阻抗和應力阻抗效應提供參考。 對曲折NiFe/Cu/NiFe三明治

7、薄膜磁阻抗、磁電阻及磁電抗效應和巨應力阻抗效應的研究表明，隨磁場增加，其橫向磁阻抗和磁電抗顯示了鐘形變化趨勢，其縱向磁阻抗和磁電抗效應在各向異性場20Oe附近觀察到了峰值，兩種情況下磁電阻效應快速增加，這表明與磁導率相關的電抗對薄膜磁阻抗變化起到了主要作用。隨頻率增加，磁阻抗效應出現(xiàn)單峰變化趨勢，其峰值頻率為5MHz，但磁電阻效應逐漸增加，在10MHz時達到飽和，磁電抗效應則是逐漸減小，因此，低頻時和高頻時，磁電阻和磁電抗分別對阻抗效應