Синтез отдельно стоящих пленок соединения Fe16N2 с магнитно-энергетическим продуктом 20 MGOe методом ионной имплантации азота

Экспериментально продемонстрирован интегрированный метод синтеза для получения постоянных магнитов α-Fe16N2 на основе отдельно стоящих образцов Fe-фольги толщиной 500 нм. В этом методе одновременно рассматриваются три ключевых аспекта приготовления постоянного магнита α˝-Fe16N2, включая азотирование, деформацию и микроструктуру.

Азот вводится непосредственно методом имплантации. Для нашего эксперимента плотность тока пучка составляет 4 мкА / см2. Целевая температура была предназначена для комнатной температуры. Нагрев пучка вызывает некоторое повышение температуры, но обычно не более чем на 50 ° C, поскольку на стадии отбора проб использовалось активное охлаждение. Обычно тепло, генерируемое ионной имплантацией высоких энергий, высвобождает атомы азота, а также вызывает фазовое превращение. Использование высокоэнергетической ионной имплантации выше 100 кэВ не позволило получить Fe16N2. 17 , Напряжение ионного пучка должно быть ниже 100 кэВ, а ток должен быть низким, чтобы поддерживать фольгу при низкой температуре. Экспериментально продемонстрировано, что ионная имплантация N + с напряжением ионного пучка не более 100 кэВ и током менее 5 мкА эффективна для образования Fe16N2 17 , 29 , С другой стороны, низкая энергия имплантации (менее 100 кэВ) также не подходит для образования фазы α˝-Fe16N2 из-за требования энтальпии образования α˝-Fe16N2 28 , Энергия имплантации напрямую определяет глубину проникновения. Чтобы получить однородное распределение азота внутри образца, всегда требуется длительный постотжиг. Если энергия имплантации составляет менее 100 кэВ, время после отжига будет соответственно увеличено. Следует учитывать компромисс между разумным временем отжига и хорошей глубиной проникновения. В этом смысле лучшее условие имплантации в этом исследовании - 100 кэВ.

Чтобы предотвратить утечку азота во время отжига, на поверхность фольги был нанесен слой никеля. 30 , Никелевый покровный слой помогает удерживать атомы азота внутри. Это также полезно для гомогенного распределения азота. Чтобы очистить поглощенный кислород на поверхности железа, проводили стадию восстановления поверхности перед осаждением никеля 10% Н 2 + 90% N2 при 200 ° С в течение 10 минут.

Для имплантированных атомов азота они активируются и дезактивируются перед активацией. Этап предварительного отжига действует как процесс активации для активации имплантированного азота. Температуру повышали до 500 ° C, чтобы инициировать активацию, и оставляли при 500 ° C в течение 0,5 часа, чтобы способствовать активации по всей пластине. Помимо функции активации, этап предварительного отжига также помог восстановить повреждение решетки при 500 ° C в Ar.

Деформация возникает во время процесса отжига из-за несоответствия тепловых коэффициентов между фольгой Fe и подложкой Fe. Рисунок S6 в вспомогательном материале показывает деформацию, сравнивая спектр XRD до и после отжига.

Что касается микроструктуры, то имплантированные ионы с подходящей плотностью и энергией могут привести к определенному размеру зерна в образце 19 ,

Перед постотжигом атомы азота располагаются беспорядочно. Фазовое превращение в α˝ соответствует перегруппировке атомов азота, что приводит к упорядоченной структуре. Следовательно, стадия после отжига помогает упорядочению атомов азота.

Другим преимуществом длительного времени отжига является механическое равновесие деформации в фольге. Коэффициенты теплового расширения железной фольги и кремниевой подложки составляют 11,8 мкм / м К и 2,6 мкм / м К соответственно. Разница в коэффициентах линейного теплового расширения между железом и кремнием приведет к сжимающему напряжению на железной фольге. Эта разница Δα (T) практически постоянна между комнатной температурой (RT) и температурой отжига 150 ° C. Если отжиг находится в механическом равновесии, то есть если деформация растяжения соизмерима с подложкой Si, в фольге будет развиваться деформация сжатия 31 :

где ε обозначает деформацию, а TA обозначает температуру отжига.

Расчетная линейная деформация сжатия при отжиге при 150 ° C составляет около 0,2%. Для получения напряженной фольги в механическом равновесии требуется длительное время отжига.

Таким образом, растягивающая сила генерируется вдоль <001> кристаллического направления в фольге с гранью (110), которая отвечает за фазовое превращение из ОЦК в ОКТ. 3 , Рентгеновский спектр в Рис. S2 показывает, что фаза Fe16N2 появилась после процесса отжига, что подтверждает влияние напряжения на образование фазы Fe16N2.

Третий аспект, необходимый для постоянного магнита Fe16N2, - это микроструктурная инженерия, которая напрямую связана с коэрцитивной силой. Здесь установлено, что на микроструктуру влияет доза имплантации при фиксированной энергии имплантации.

Коэрцитивность связана с ее микроструктурным профилем, как показано в Рис. 3 , Образец ПЭМ получают путем резки и полировки фольги перпендикулярно поверхности с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB). Можно видеть, что существует очевидная разница в микроструктуре. Для четырех образцов все процессы одинаковы, за исключением изменений флюенсов. Таким образом, можно сделать вывод, что различные имплантированные беглости являются основной причиной развития микроструктуры и, следовательно, изменений коэрцитивной силы.

Рисунок 3: Микроструктуры приготовленных образцов, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM).

( a ) флюенс 2 × 1016 / см2, можно наблюдать залитые точки (богатая N-область) диаметром 20 нм, разделенными на 140-200 нм; ( б ) флюенс 8 × 1016 / см2, кроме встроенных точек, появились явные трещины; ( в ) флюенс 1 × 1017 / см2, создается очевидная микроструктура диаметром от 20 до 40 нм; ( d ) 5 × 1017 / см2, создается микроструктура с четкой границей.

Как правило, на этих образцах образуется зернистая структура вместо однородной, как показано на Рис. 3 , При низких значениях плотности (2 × 1016 / см2 и 8 × 1016 / см2) микроструктура представляет собой прозрачную поверхность, окруженную множеством черных точек диаметром около 20 нм, в то время как расстояние друг от друга составляет от 140 нм до 200 нм. Соответствующая дифракция БПФ показывает, что черные точки представляют собой смесь фаз фазы Fe16N2 и Fe. Для средних значений плотности потока (1 × 1017 / см2 и 5 × 1017 / см2) были получены сплошные зерна. Для образца 5 × 1017 / см2 ( Рис. 3 (г) ), можно наблюдать гораздо более очевидную границу.

Образование зернистой структуры можно объяснить с помощью стохастической модели. 19 с учетом флюенса зависимости размера зерна. В этой модели предполагалось, что три механизма учитывают конечный размер зерна: статистические вариации охвата области имплантированными ионами, каналирование ионов и спонтанное зародышеобразование. 19 , Ионы не равномерно покрывают поверхность. Они поражают поверхность цели в случайных точках. Так, для образцов с низкой плотностью потока, таких как 2 × 1016 / см2 и 8 × 1016 / см2, некоторые области будут казаться богатыми азотом, как показано в Рис. 3 (а, б) , В то время как при более высокой плотности потока появляется более однородное распределение имплантированного азота, как показано в Рис. 3 (с, г) ,

В случае ионов средней массы с энергией в диапазоне 100 кэВ типичные дефекты - это пустотные кластеры вакансий, состоящие из нескольких вакансий. 18 , Для ситуации имплантации азота в этой статье такие кластеры действуют как ловушки для примесных атомов при низких дозах имплантации и постепенно превращаются в осадки новых фаз, когда концентрация примесных атомов становится достаточно высокой. Наличие этих ловушек имеет решающее значение для образования нитридов. Во время пост-отжига ближняя миграция атомов азота в направлении примесных атомов приводит к осаждению новых фаз, и, следовательно, первоначально равномерное распределение имплантированных атомов превращается в «зернистую» структуру богатых примесями выделений, встроенных в матрицу с низким содержанием примесей. , Это также может быть продемонстрировано петлей гистерезиса, показанной в Рис. 2 , В петле имеется очевидное плечо, показывающее две магнитные фазы с различной коэрцитивностью и г-жой.

Основываясь на стохастической модели, мы разработали численное соотношение для учета изменения размера зерна с имплантированным флюенсом азота. Процент зерен определяется по статистике ударных позиций ионов. Что касается образцов с флюенсом 1 × 1017 / см2 и 5 × 1017 / см2, рассчитанный размер зерна составляет 2,5 × 10–11 см2. Если зерно считается круглым, длина зерна составляет 28 нм. Этот результат очень хорошо согласуется с экспериментальными данными, показанными в Рис. 3 (с, г) ,

Похожие

Комментарии