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纳米材料由于其奇异的物理和化学性质而受到普遍关注,并成为材料科学领域的研究热点。对功能纳米材料的开发和应用研究是当前纳米材料发展的重心。具有磁学、电学及其相互转化功能的纳米材料在微型机电系统、高密度微型信息存储器等领域有着常规材料无法比拟的重要应用前景。作为纳米材料的一种基本构建单元,团簇的微观结构特点和奇异性质为功能纳米材料的制备开辟了一条崭新的道路。本论文利用团簇束流淀积方法制备了几种磁性纳米薄膜(包括稀土合金超磁致伸缩薄膜、磁电复合薄膜异质结和磁性纳米颗粒薄膜),系统地研究了这几种纳米材料的结构及其磁学和磁电耦合性质,阐明了团簇束流淀积相比于普通薄膜沉积技术的优势所在。主要研究结果如下：
⑴在超高真空团簇束流系统(UHV-CBS)上,采用低能团簇束流淀积方法制备了纳米结构Tb-Fe团簇薄膜,薄膜由具有良好单分散性的。Tb-Fe团簇纳米颗粒组装而成;通过调节团簇冷凝腔距离,可以有效控制薄膜中的团簇纳米颗粒尺寸。与普通薄膜相比,Tb-Fe团簇纳米薄膜表现出更为优异的磁致伸缩效应:具有更高的饱和磁致伸缩系数和低磁场下强磁致伸缩效应。研究表明,所制备薄膜具有明显的磁各向异性,并且随着纳米颗粒尺寸的变化而变化。经过退火热处理,薄膜磁各向异性的程度明显变小,这主要来源于薄膜内缺陷的减少和实验制备过程中形成的应力在退火处理过程中的释放。进一步研究了不同纳米颗粒尺寸下薄膜的磁致伸缩性质和磁性,揭示了团簇颗粒尺寸对薄膜磁致伸缩性质的影响规律:对于具有不同纳米颗粒尺寸的薄膜,其饱和磁致伸缩系数差别并不大,然而,达到饱和磁致伸缩所需的饱和磁场却随着纳米颗粒尺寸的变化而发生明显变化。同时,团簇纳米颗粒的尺寸也影响薄膜在低磁场下的磁致伸缩性质:对于纳米颗粒尺寸较大的薄膜,其在低场下的磁致伸缩系数明显较大,而且对于团簇纳米颗粒尺寸为35nm的薄膜,其达到最大压磁系数时的磁场仅为4.0 kOe,明显低于另外两种薄膜。
⑵利用团簇束流淀积方法首次成功制备了Tb-Fe/PZT[Pb(Zr0.52Ti0.48)03]磁电薄膜异质结。由于稀土铁合金极易氧化,采用普通方法很难制备出稀土铁合金与铁电氧化物的复合异质结。本论文利用低能团簇沉积到衬底上具有低温、低能的优点,克服了传统复合薄膜制备带来的氧扩散的难题,成功地制备出Tb-Fe/PZT复合的薄膜异质结。对薄膜异质结的微结构、铁电、铁磁以及漏电流等性质的系统表征结果表明,薄膜异质结内的压电层和压磁层基本没有发生氧扩散和界面反应。所制备的薄膜异质结表现出较强的磁电耦合效应,磁电压系数的增量最高达到了140 mV/cm·Oe,高于目前报道的全氧化物体系的铁电/铁磁复合薄膜。此外,本论文还通过在柔性PVDF聚合物压电薄膜上淀积具有负磁致伸缩效应的Sm-Fe磁致伸缩团簇纳米薄膜,成功制备出了柔韧的Sm-Fe/PVDF磁电复合薄膜异质结。由于PVDF兼具衬底和压电层的双重作用,因此相比于采用传统的在硬质衬底上制备的磁电复合薄膜,本论文所制备的Sm-Fe/PVDF复合薄膜可以有效避免衬底对压电薄膜层的应力约束作用,从而使界面的应力传递更加有效。研究结果表明,所制各的薄膜异质结表现出明显的磁电耦合特性,磁电电压增量值随着直流偏磁场Hbi嬲的增加而增加,当Hbias=2-3 kOe时,异质结的磁电电压增量值达到最大值210μV。
⑶研究了荷能团簇淀积对纳米薄膜的结构和磁性的影响。通过在UHV-CBS系统中设置一个偏转加速电压对离化的Co团簇束流进行加速沉积获得了Co团簇纳米薄膜。对薄膜的微结构、成相和磁性进行系统表征并与低能团簇束流淀积制备的Co薄膜进行对比,发现:低能团簇沉积和荷能团簇沉积的薄膜的磁性在剩磁比、矫顽场和磁化强度等方面存在着明显不同。与低能沉积相比,荷能团簇纳米薄膜的磁性得到了很大改善,而且,荷能团簇纳米薄膜在经过退火热处理后磁性增加的幅度更加明显(退火后薄膜的饱和磁化强度增加了近10倍)。因此,荷能团簇束流沉积是未来制备高性能团簇组装纳米薄膜的一个有效方法。