Способ обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария Российский патент 2022 года по МПК C23C14/58 C23C14/08 C23C14/02 C23C14/35 C01F11/02 C01G49/02 H01F1/10 

Описание патента на изобретение RU2786771C1

Изобретение относится к кристаллографии, магнетизму и технологии магнитных материалов, а более конкретно к технологии магнитных материалов - получению пленок гексагонального феррита бария с требуемыми магнитными характеристиками (коэрцитивностью и намагниченностью насыщения).

Гексагональные ферриты бария в виде объемных макрообразцов успешно используются во невзаимных микроволновых устройствах, таких как фазовращатели, изоляторы и циркуляторы, из-за высокой проницаемости, невзаимных электромагнитных свойств и умеренного до низкого поглощения энергии в СВЧ-диапазоне, в качестве постоянных магнитов [1]. Гексаферрит бария - это соединение состава BaFe12O19, кристаллизующееся в гексагональной сингонии (пространственная группа Р63/mmc); его отличают сравнительно высокие значения коэрцитивной силы и средние значения намагниченности - насыщения и остаточной. По сравнению со своими объемными аналогами ферритовые пленки указанного состава обладают рядом преимуществ, наиболее важным из которых являются возможность магнитной записи информации на них [2] и интеграция с монолитными интегральными схемами СВЧ-диапазона [3], дешевизна и технологичность, стойкость к коррозии.

Известен способ изготовления пленочного магнитного материала на основе гексаферрита бария для устройств магнитной записи информации на них [2], который можно считать аналогом предлагаемого изобретения. Его сущность заключается в том, что объемные макрообразцы на основе гексаферрита бария сначала изготавливают из смеси исходных оксидов по стандартной керамической технологии, а затем получают пленочный магнитный материал методом напыления, используя полученные объемные макрообразцы на основе гексаферрита бария как мишени. При этом для уменьшения величины коэрцитивной силы получаемых объемных макрообразцов на основе гексаферрита бария используют замещение магнитных ионов Fe3+ на немагнитные Zn2+. Недостатками данного способа следует считать необходимость многократного перемешивания/помола компонентов, формирования объемных макрообразцов и их многочасового отжига при температуре ~1200°С.

Также известен способ изготовления магнитного материала на основе гексаферрита бария с низкими значениями коэрцитивной силы Нс [4], который можно считать аналогом предлагаемого изобретения. Его сущность заключается в том, что порошкообразный гексаферрит бария отжигают в присутствии углерода или в атмосфере азота или водорода при температуре ~800°С в течение 1÷2 часов. Недостатками данного способа следует считать то, что он разработан только для порошка (не для пленки), а дополнительный отжиг порошка приводит к значительному возрастанию величины коэрцитивной силы [4].

Известен способ обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария, включающий нанесение пленки гексаферрита бария состава BaFe12O19 на обработанную полировкой то есть сапфировую подложку epi-ready ориентации (0001) [5].

Недостатком способа является то, что его реализация предполагает использование закрытой вакуумной камеры магнетрона, тогда как предлагаемый способ изготовления пленочного магнитного материала предполагает плазменную обработку в открытой атмосфере.

Технической задачей изобретения является разработка простого способа обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария, который может быть реализован без применения вакуумного оборудования.

Техническим результатом является возможность производства магнитных пленок с заданной величиной коэрцитивности и намагниченности насыщения.

Поставленная техническая задача достигается в результате того, что в способе обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария, включающем нанесение пленки гексаферрита бария состава BaFe12O19 на сапфировую подложку epi-ready ориентации (0001), пленку в открытой атмосфере дополнительно подвергают воздействию плазмы со среднемассовой температурой в диапазоне 3727-9727°С в течение 50-60 с, при этом в качестве источника плазмы 4 используют плазмотрон постоянного тока с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом выходного электрода, генерирующий на выходе слабо расходящуюся плазменную струю азота диаметром D=8÷10 мм.

В способе применяется плазменная обработка ранее нанесенного покрытия, которая является процессом высокотемпературного воздействия большой мощности, сопровождающаяся термохимическими реакциями. В зависимости от технологических параметров обработки и плазмообразующего газа можно варьировать свойства синтезируемых материалов в широком диапазоне. Кроме того, интенсивность воздействия позволяет получать необходимый результат за короткий промежуток времени. Весь технологический процесс вкратце можно описать следующим образом: на подложку из термически стойкого монокристалла сапфира наносится недоокисленная поликристаллическая пленка гексаферрита бария, а затем она кратковременно обрабатывается в плазме, генерируемой плазмотроном. Для повышения безопасности, в качестве плазмообразующего газа используется инертный газ (азот, аргон), а сам процесс проводится в открытой атмосфере - на воздухе. За счет высокой активности разогреваемый плазмой кислород окружающей атмосферы будет осуществлять основное химическое воздействие на образец.

Существо изобретения поясняется на фигурах.

Фиг. 1 - принципиальная схема устройства для предварительного нанесения пленки гексаферрита бария на сапфировую подложку;

Фиг. 2 - принципиальная схема устройства для реализации способа по изобретению;

Фиг. 3 Свойства пленки гексаферрита бария, полученных магнетронным напылением на (0001) сапфировых подложках, до плазменной обработки: (а) - рентгеновская дифракто-грамма (* - отражение от подложки С-сапфира согласно JCPDS: 84-0757; - отражения Fe3O4 согласно JCPDS №84-0757); (б) - петли магнитного гистерезиса после отжига на воздухе при 750°С; (в) -петли магнитного гистерезиса после отжига на воздухе при 850°С

Фиг. 4 Рентгеновская дифрактограмма пленки гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках после плазменной обработки (* - отражение от подложки С-сапфира согласно JCPDS: 84-0757)

Фиг. 5 РЭМ-изображения поверхности пленок гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках, подвергнутых плазменной обработке в режимах L(a) и Н(б)

Фиг. 6 Кривые магнитного гистерезиса пленок гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках, подвергнутых плазменной обработке в режимах L(a) и Н(б): 1 - ориентация измерений «Out-of-plane», 2 - ориентация измерений «Ιn-plane».

Предварительное нанесение пленки гексаферрита бария на сапфировую подложку осуществлялось на установке, содержащей сапфировую подложку 1, керамическую мишень состава BaFe12O19 2 и - магнетрон 3. Сапфировые пластины базисной (0001) ориентации полировались химико-механическим способом. Далее на подложки сапфира при температуре 350°С наносилась пленка гексаферрита бария методом магнетронного напыления из керамической мишени состава BaFe12O19 в атмосфере аргона (pAr~5.6⋅10-3 мм рт. ст.) для формирования анион-дефицитной поликристаллической пленки.

После нанесения пленки гексаферрита бария ее обработку в соответствии с предлагаемым способом производят на установке, содержащей - плазмотрон 1 с расширяющимся каналом выходного электрода, образец 2, - скоростную видеокамеру 3, интерференционный фильтр 4, нейтральный фильтр 5, - спектрометр 6, - спектрометр 7 AvaSpec 3648, - микропирометр 8.

Способ осуществляют следующим образом. Полученную пленку гексаферрита бария в открытой атмосфере дополнительно подвергают воздействию плазмы со среднемассовой температурой в диапазоне 3727÷9727°С в течение 50÷60 сек. В результате обеспечивается формирование выраженной текстуры пленки гексаферрита бария. При этом достигается намагниченность пленки 40÷62 А⋅м2 кг-1 и происходит снижение величины коэрцитивного поля в ней до значений (14330÷39000) А⋅м-1 (180÷490 Э) вдоль оси <0001> перпендикулярной поверхности сапфировой подложки.

В качестве источника плазмы используется плазмотрон постоянного тока с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом выходного электрода, генерирующий на выходе слабо расходящуюся плазменную струю азота диаметром D=8÷10 мм.

В процесс проведения исследований в качестве скоростной видеокамеры применяли камеру- «Motion Pro», в качестве спектрометра 6- «AvaSpec 2458», в качестве спектрометра 7 - «AvaSpec 3648» и микропирометра 8 - « FMP 1001».

Для микроскопических исследований применялся настольный растровый электронный микроскоп JCM-6000, оснащенный приставкой для проведения энергодисперсионного микроанализа. Рентгеновские исследования проводились на дифрактометре X’PERTPRO (PANalytical, Нидерланды) в геометрии "на отражение" по Брэггу-Брентано на излучении CuKα (λ=1.54 ) с β-фильтром Ni. Измерение кривых магнитного гистерезиса проводилось на приборе "Вибрационный магнитометр NTJVO Мк2" (производство Fairgrieve Moulding Ltd, Великобритания) в диапазоне величин намагничивающего поля от -5000 до 5000 Э в геометрии «out-of-plane» и «in-plane».

Ниже приводятся примеры реализации способа.

ПРИМЕР №1

Первоначально в процессе магнетронного осаждения в атмосфере аргона по данным рентгеновской дифракции формировалась пленка гексаферрита бария с структурой типа магнетоплюмбита. Анион-дефицитность пленки подтверждается данными рентгеновской дифракции: межплоскостное расстояние d вдоль [0001]-оси текстуры исходной пленки составляет 0.2846 нм. Тот же параметр d для стехиометричного образца составляет 0.29 нм. Структура пленки близка к поликристаллической (рис. 3а), наблюдалось слабое текстурирование вдоль оси с [0001] и присутствовали включения Fe3O4. Фазовую однородность пленки и высокие значения намагниченности Нс типичные для гексаферрита бария, удалость обеспечить отжигом при 850°С на воздухе (рис. 3в). Отжиг при температурах 750°С и ниже дает пленки гексаферрита бария с низкими значениями магнитных параметров (рис. 3б).

ПРИМЕР №2

Проводили плазменную обработку полученных пленок гексаферрита бария при температуре в диапазоне 3727÷9727°С. Установили, что при этом формировалась ориентированная пленка гексаферрита бария с ярко выраженной текстурой вдоль оси с (фиг. 4). Сравнение элементного состава в пленках гексаферрита бария на подложках сапфира затруднено, поскольку кислород содержится как в пленке, так и в подложке. По этой причине сравнивалось содержание атомов бария и железа. По данным энергодисперсинного микроанализа соотношение Ba/Fe в пленках гексаферрита бария было одинаковым ~0.1, содержание азота было менее 1 ат. %. Несмотря на полуколичественный характер анализа можно отметить, что обработка в азотной плазме анион-дефицитных пленок гексаферрита бария не приводит к значительному азотному легированию.

ПРИМЕР №3

Более детально исследовали образцы пленок гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках, полученные их плазменной обработкой на краях температурного диапазона 3727÷9727°С: L-образцы получены при воздействии плазмы со среднемассовой температурой 3727÷4727°С, а Н-образцы получены при воздействии плазмы со среднемассовой температурой 7727÷9727°С. Топография поверхности образцов, по данным электронной микроскопии значительно отличалась (фиг. 5): обработка при высокой температуре приводила к укрупнению кристаллитов Н-образцов пленок гексаферрита бария.

На фиг. 6 показаны петли магнитного гистерезиса пленок гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках, подвергнутых плазменной обработке, численные значения магнитных параметров пленок представлены в таблице.

Можно увидеть, что в случае пленок гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках, подвергнутых плазменной обработке в режимах L при сравнительно низкой температуре, наблюдается явно-выраженная магнитная анизотропия, а намагниченность насыщения составляет 42 А⋅м2кг-1. В пленках гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках, подвергнутых плазменной обработке в режимах Η при сравнительно высокой температуре, магнитная анизотропия выражена очень слабо, при этом намагниченность насыщения выше и достигает значения 62 А⋅м2кг-1. Теоретическое значение намагниченности насыщения для объемных образцов гексаферрита бария составляет 72 А⋅м2кг-1. Коэрцитивные поля для всех образцов менее 39809 Α⋅м-1 (500 Э), что более чем в 10 раз меньше теоретического значения для объемных образцов гексаферрита бария 533440 Α⋅м-1 (6700 Э) Несмотря на наблюдаемую магнитную анизотропию в случае образцов типа L, прямоугольность магнитной кривой сравнительно низкая 0.28.

Таким образом, как показывают ПРИМЕРЫ №2 и №3, плазменная обработка пленок гексаферрита бария на (0001) сапфировых подложках существенно повышает их кристалличность, формирует требуемую текстуру и позволяет получать пленочный материал с нужными магнитными характеристиками.

Технические результаты изобретения:

- формирование выраженной текстуры пленки гексаферрита бария вдоль оси <0001>, перпендикулярной поверхности сапфировой подложки, и понижение величины коэрцитивного поля в ней до значений (14330÷39000) Α⋅м-1 (180÷490 Э) при обработке пленки плазмой со среднемассовой температурой в диапазоне 3727÷9727°С в течение 50÷60 сек;

- достижение намагниченности насыщения пленки гексаферрита бария 40÷42 А⋅м2кг-1 при среднемассовой температуре плазмы в диапазоне 3727÷4727°С;

- достижение намагниченности насыщения пленки гексаферрита бария 60÷62 А⋅м2кг-1 при среднемассовой температуре плазмы в диапазоне 7727÷9727°С.

Рассмотрение приведенных примеров показывает промышленную применимость предлагаемого способа.

Источники информации

1. Wu, С, Yu, Ζ., Sokolov, A. S., Yu, et al. Tailoring magnetic properties of self-biased hexaferrites using an alternative copolymer of isobutylene and maleic anhydride // AIP Advances. 2018. V.8. Is.5. P.056221.

2. Taguchi H., Suwa K., Takeishi T. Magnet powder, sintered magnet, bonded magnet, and magnetic recording medium // Patent US 5,846,449. Publ. 08.12.1998.

3. Harris, V. G., Sokolov, A. S. The Self-Biased Circulator: Ferrite Materials Design and Process Considerations // J. Supercond. Novel Magnetism. 2019. V.32. Is.1.P.97-108.

4. Ataie Α., Harris I., Ponton C. Hexaferrite material // Patent W096/17343. Publ. 06.06.96

5. Муслимов А.Э. и др., Особенности применения электронов в исследовании пленок гексаферрита бария на с-сапфире, «Письма в Журнал технической физики», 2021, т. 47, №1, стр. 31-34.

Похожие патенты RU2786771C1

название год авторы номер документа
Способ азотирования покрытий из оксида титана на твердой подложке 2021
  • Буташин Андрей Викторович
  • Гаджиев Махач Хайрудинович
  • Муслимов Арсен Эмирбегович
  • Каневский Владимир Михайлович
  • Тюфтяев Александр Семенович
RU2775988C1
Способ азотирования покрытий из оксида титана на твердой подложке 2022
  • Буташин Андрей Викторович
  • Гаджиев Махач Хайрудинович
  • Муслимов Арсен Эмирбегович
  • Каневский Владимир Михайлович
  • Тюфтяев Александр Семенович
RU2785576C1
Способ получения пленок феррита 2022
  • Миронович Андрей Юрьевич
  • Исаев Игорь Магомедович
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Тимофеев Андрей Владимирович
  • Шакирзянов Рафаэль Иосифович
  • Коровушкин Владимир Васильевич
  • Щербаков Сергей Владиленович
  • Налогин Алексей Григорьевич
  • Алексеев Альберт Александрович
RU2790266C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНИ 1990
  • Лепешев А.А.
  • Саунин В.Н.
  • Телегин С.В.
RU2086699C1
Способ азотирования оксидных соединений, находящихся в твердой фазе 2019
  • Буташин Андрей Викторович
  • Гаджиев Махач Хайрудинович
  • Каневский Владимир Михайлович
  • Муслимов Арсен Эмирбегович
  • Тюфтяев Александр Семенович
RU2713008C1
СПОСОБ, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК И МНОГОСЛОЙНАЯ СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕННАЯ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 2009
  • Васьковский Владимир Олегович
  • Савин Петр Алексеевич
  • Курляндская Галина Владимировна
  • Свалов Андрей Владимирович
  • Сорокин Александр Николаевич
RU2451769C2
Способ изготовления анизотропных гексагональных ферритов типа М 2018
  • Тимофеев Андрей Владимирович
  • Щербаков Сергей Владиленович
  • Налогин Алексей Григорьевич
  • Исаев Игорь Магомедович
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Алексеев Альберт Александрович
  • Белоконь Евгений Анатольевич
  • Читанов Денис Николаевич
RU2705201C1
СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТИПА III-V, УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАЦИИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ, ЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ СЛОЙ НИТРИДА МЕТАЛЛА, ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА НИТРИДА МЕТАЛЛА И ПОЛУПРОВОДНИК 2006
  • Фон Кенель Ганс
RU2462786C2
Способ получения тонких пленок нитрида алюминия в режиме молекулярного наслаивания 2018
  • Рамазанов Шихгасан Муфтялиевич
  • Гамматаев Саид Лиматулаевич
  • Ризванов Ильмар Гюлиметович
  • Рамазанов Гусейн Муфтялиевич
  • Собола Динара Султановна
RU2716431C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАГНИТОТВЕРДОГО ПОКРЫТИЯ ИЗ СПЛАВА САМАРИЯ С КОБАЛЬТОМ 2013
  • Саунин Виктор Николаевич
  • Телегин Сергей Владимирович
RU2524033C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 786 771 C1

Реферат патента 2022 года Способ обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария

Изобретение относится к технологии получения пленок гексагонального феррита бария, которые могут быть использованы во невзаимных микроволновых устройствах: фазовращателях, изоляторах, циркуляторах. Способ обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария включает нанесение пленки гексаферрита бария состава BaFe12O19 на сапфировую подложку epi-ready ориентации (0001), после чего пленку в открытой атмосфере дополнительно подвергают воздействию плазмы со среднемассовой температурой в диапазоне 3727÷9727°С в течение 50-60 с, при этом в качестве источника плазмы используют плазмотрон постоянного тока с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом выходного электрода, генерирующий на выходе слабо расходящуюся плазменную струю азота диаметром D равным 8÷10 мм. Технический результат: формирование выраженной текстуры пленки гексаферрита бария вдоль оси <0001>, перпендикулярной поверхности сапфировой подложки, и понижение величины коэрцитивного поля в ней до значений (14330÷39000) А⋅м-1 (180÷490 Э) при обработке пленки плазмой со среднемассовой температурой в диапазоне 3727÷9727°С в течение 50-60 с; достижение намагниченности насыщения пленки гексаферрита бария 40÷42 А⋅м2кг-1 при среднемассовой температуре плазмы в диапазоне 3727÷4727°С; достижение намагниченности насыщения пленки гексаферрита бария 60÷62 А⋅м2кг-1 при среднемассовой температуре плазмы в диапазоне 7727÷9727°С. 6 ил., 1 табл., 3 пр.

Формула изобретения RU 2 786 771 C1

Способ обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария, включающий нанесение пленки гексаферрита бария состава BaFe12O19 на сапфировую подложку epi-ready ориентации (0001), отличающийся тем, что пленку в открытой атмосфере дополнительно подвергают воздействию плазмы со среднемассовой температурой в диапазоне 3727÷9727°С в течение 50-60 с, при этом в качестве источника плазмы используют плазмотрон постоянного тока с вихревой стабилизацией и расширяющимся каналом выходного электрода, генерирующий на выходе слабо расходящуюся плазменную струю азота диаметром D=8÷10 мм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2786771C1

МУСЛИМОВ А
Э
и др
Особенности применения электронов в исследовании пленок гексаферрита бария на c-сапфире, "Письма в Журнал технической физики", 2021, Т
Способ очищения сернокислого глинозема от железа 1920
  • Збарский Б.И.
SU47A1
Способ очистки нефти и нефтяных продуктов и уничтожения их флюоресценции 1921
  • Тычинин Б.Г.
SU31A1
US 5492775 A, 20.02.1996
MIZOGUCHI Y
et al., Synthesis of ultrafine particles and thin films of BaFe12O19 by the spray-ICP technique, "Nanostructured materials", 1994,

RU 2 786 771 C1

Авторы

Буташин Андрей Викторович

Муслимов Арсен Эмирбегович

Каневский Владимир Михайлович

Гаджиев Махач Хайрудинович

Тюфтяев Александр Семенович

Даты

2022-12-26Публикация

2022-07-14Подача