【摘 要】
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Co Cr Fe Ni基高熵薄膜具有材料结构设计和物性剪裁的自由度,以及优异的软磁性能、高截止频率和高电阻率,有望成为高频磁性器件的主要候选材料之一。本文对Co Cr Fe Ni基高熵薄膜的微观结构、电阻率和软磁性能进行研究,并对其具有铁磁性的本质,饱和磁化强度和矫顽力的影响因素进行讨论。发现薄膜具有的优异软磁性能主要与本征氧化作用下形成的类核-壳结构相关,同时通过添加元素Al和O来调控该结构,深
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Co Cr Fe Ni基高熵薄膜具有材料结构设计和物性剪裁的自由度,以及优异的软磁性能、高截止频率和高电阻率,有望成为高频磁性器件的主要候选材料之一。本文对Co Cr Fe Ni基高熵薄膜的微观结构、电阻率和软磁性能进行研究,并对其具有铁磁性的本质,饱和磁化强度和矫顽力的影响因素进行讨论。发现薄膜具有的优异软磁性能主要与本征氧化作用下形成的类核-壳结构相关,同时通过添加元素Al和O来调控该结构,深入了解该结构对软磁性能的影响。因此本文采用射频磁控溅射法制备了Co Cr Fe Nithin、Co Cr Fe Nithick、AlxCo Cr Fe Ni及（Co Cr Fe Ni）100-xOx系列薄膜。Co Cr Fe Nithick高熵薄膜为FCC+BCC双相结构,且FCC为主要相,其饱和磁化强度高达667 emu/cm~3,矫顽力为115 A/m,电阻率为153.0±4.52μΩ·cm。高熵薄膜剧烈的晶格畸变引起原子间交换作用距离的变化,可以增强铁磁交换作用。薄膜在本征氧化的作用下,形成了一种由柱状晶内部的铁磁性Fe、Co、Ni为核心,Cr的氧化物弱磁高阻晶界层为壳层的类核-壳结构。这种类核-壳结构的存在可以在增强铁磁交换作用的同时大幅提高电阻率,有效降低涡流损耗,这对薄膜的性能提升有更重要的影响。添加顺磁性金属元素Al后,薄膜的本征氧化状态改变,Al元素代替Cr元素发生氧化。上述类核-壳结构转变为以Fe、Co、Ni及Cr元素为核心,以Al的氧化物为壳层的结构。薄膜依旧为FCC+BCC双相结构,BCC相含量逐渐增加,晶格畸变严重。尽管有两相晶格常数以及相对含量的变化,但Al元素的加入带来的铁磁性元素稀释以及在本征氧化作用下类核-壳结构的转变均导致饱和磁化强度的降低。添加非金属元素O后,可以调整本征氧化形成的类壳核结构中铁磁性相和高阻弱磁性相的比例,优化软磁性能。薄膜逐渐从FCC+BCC双相结构,演变为FCC+BCC+氧化物的多相结构。其中,Co Cr Fe Ni O0.4高熵合金薄膜的软磁综合性能最优,饱和磁化强度为535 emu/cm~3,矫顽力仅为23 A/m,电阻率高达237μΩ·cm。此外,本文详细讨论了影响薄膜矫顽力的主要因素,认为磁畴大小相似的薄膜,其矫顽力主要由复杂磁各向异性主导,后者包括四个部分:薄膜宏观形状各向异性、柱状晶各向异性、磁晶各向异性以及应力各向异性。总体而言,通过主动调控高熵薄膜成分从而改变本征氧化作用下的类壳核结构,可以优化其软磁性能并实现性能的宽范围调制以适应不同的应用。本文揭示了高熵薄膜的软磁性能的影响因素,并为其在高频磁性器件应用提供基础研究支持和设计策略。
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