界面层对铁磁材料间交换耦合影响的研究及高性能Nd-Ce-Fe-B永磁薄膜的制备及机理研究

作     者：任瀚洋 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张健;刘进军

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：永磁材料 界面层 交换耦合 微观结构 磁性能 

摘      要：本文基于超高真空(UHV)磁控溅射系统,进行了界面层对纳米复合永磁材料及铁磁材料间交换耦合强度影响的研究和高性能Nd-Ce-Fe-B永磁薄膜的制备及机理研究。主要使用了X射线衍射(XRD)、磁学测量系统的超导量子干涉仪(MPMS-SQUID)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描探针显微镜(SPM)来测试和分析样品的成分、相组成、形貌特征、晶粒尺寸、磁性能以及磁畴结构等,研究并探讨了不同种类界面层材料对交换耦合的影响,制备并分析了高Ce含量的Nd-Ce-Fe-B薄膜的高矫顽力原因。主要结果如下:(1)磁性材料的界面层(或中间层)会强烈影响磁性材料的磁性能和界面处的交换耦合。在一些特殊的情况下也会使交换耦合的性质发生改变。界面层在调控铁磁材料间交换耦合作用方面起着至关重要的作用,但目前仍未获得两者之间定量的变化关系。本文采用合理的实验设计方法来定量地表征界面层对交换耦合强度的影响。选择纳米复合硬-软磁多层膜结构Sm-Co(15nm)/界面层(0-4 nm)/Fe(20 nm)来研究界面处的交换耦合作用。软磁形核场相H由实验确定,本文中它被用作一种定量的表征交换耦合强度的方法,并为进一步分析交换耦合强度与非磁性层Cr、Ta和富稀土相界面层厚度的变化关系提供了条件。第一次定量的确定了在界面层厚度逐渐增加的过程中,两相间铁磁交换耦合的衰减行为。结果表明,在不同界面材料影响铁磁交换耦合的情况不同,本文通过确定的方法定量的研究了二者之间的关系。它有助于功能性磁性材料(如永磁体,磁记录介质等)的机理研究并为高性能磁性材料的设计提供了新的思路。(2)在Nd-Fe-B材料中使用部分Ce来替代Nd,是应对Nd-Fe-B工业生产中造成的Nd和Dy等资源稀缺危机并降低Nd-Fe-B磁体经济成本的有效方法。在本文中,采用超高真空(UHV)磁控溅射系统制备出了高性能的Nd-Ce-Fe-B薄膜,Ce元素的含量占整个材料总稀土含量的50 wt.%以上。在没有添加Dy的情况下,Ce替代了50 wt.%的Nd并且获得了13.3 kOe的矫顽力,11.4 kGs的剩磁和29.4 GMOe的最大磁能积,这比以往报道的具有相同Ce含量磁体的矫顽力(5-7.7 kOe)要高得多。通过分析相结构,微观结构和矫顽力机理,发现矫顽力机制主要由形核机制决定。基于微观结构的观察和矫顽力机理的分析,Nd-Ce-Fe-B薄膜的晶粒细小,分布均匀,晶粒表面光滑是造成高矫顽力的原因。我们的研究结果表明,在Nd-Fe-B磁体中用Ce代替Nd为缓解Nd和Dy元素的稀缺以及降低成本提供了一种有效的方法。