[发明专利]激光脉冲溅射沉积制备Ni-Mn-Co-In合金薄膜的方法

说明书

本发明提供了一种激光脉冲溅射沉积制备Ni‑Mn‑Co‑In合金薄膜的方法。该合金薄膜的结构通式为Ni₅₀Mn₃₄In_16‑XCo_X，通式中x＝0、2、4、6，该薄膜按如下方法制备：按配比取Ni、Mn、Co、In金属单质作为靶材原料，将靶材原料放置于非自耗真空电弧炉熔内熔炼，电弧炉内抽真空至5×10^‑3Pa后，充入保护气，得到圆形靶材；将预处理后的基板和靶材放入真空系统中，抽真空至1.0×10^‑4Pa，基板温度为500～700℃，基板与靶材间距离为3～5cm；再用激光器发射激光，控制频率为3～4Hz，溅射1～3小时，制得要求厚度的薄膜；最后将薄膜在800～900℃下退火0.5～3h，制备出Ni₅₀Mn₃₄In_16‑XCo_X合金薄膜。本发明制备的合金薄膜的成分更精确，粗糙度更低，各向异性强，该合金薄膜韧性好，强度大，制备工艺简单，成本低，易于工业化生产。

技术领域

本发明属于金属合金技术领域，涉及一种铁磁性形状记忆合金薄膜制备的方法，具体来说是激光脉冲溅射沉积制备Ni-Mn-Co-In合金薄膜的方法。

背景技术

磁驱动形状记忆合金是一类新型形状记忆材料，不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的形状记忆效应，还可在磁场的作用下产生较大的应变。已发现的磁驱动记忆合金主要包括Ni-Mn-Ga(Al)、Ni-Fe-Ga、Co-Ni-Ga(Al)和Ni-Mn-X(X＝In,Sn,Sb)合金。其中Ni-Mn-X系列合金是近年来发展起来的一种新型磁驱动形状记忆合金。Ni-Mn-In合金在偏离Heulser化学计量比时仍具有热弹性马氏体相变，并且在一定成分范围内或通过掺杂铁磁元素Co实现了磁场驱动马氏体逆相变，产生宏观应变，并伴随着应力输出。这类磁驱动形状记忆合金磁感生应变的本质在于马氏体相与母相具有较大的饱和磁化强度差，施加磁场后合金相变温度显著降低，一定温度范围内施加磁场则可使合金从马氏体相转变为母相，从而产生形状记忆效应。研究表明，Ni-Co-Mn-In单晶可在磁场作用下发生马氏体逆相变，可使3％的预压缩应变完全恢复，该过程中的理论输出应力可达 108MPa，比Ni-Mn-Ga的输出应力高两个数量级，这项研究令磁驱动形状记忆合金向实用化迈进了巨大的一步。但是单晶材料存在制备工艺复杂、成本高等缺陷在一定程度上限制了它们的应用。而Ni-Mn-Co-In多晶的晶粒取向不同，相邻晶粒之间存在应变协调，所以形状记忆效应中的最大可逆应变量较低，也限制了其广泛应用。同时也很难满足工程应用及MEMS微器件发展的要求。

随着科学技术的发展，器件逐渐向微型化、智能化发展，因此性能优异的薄膜材料研究是非常必要的。目前，以MEMS为背景的记忆合金研究主要集中在 Ti-Ni合金薄膜的制备和应用上，制备Ni-Mn-Co-In合金薄膜的相关报道很少。鉴于此，探索Ni-Mn-Co-In磁性形状记忆合金薄膜，以期改善合金块材的韧性，提高成分均匀性和性能稳定性，进一步提高磁感生应变量和磁熵变，磁场驱动逆相变的门槛值，不仅具有重要意义，而且对于的微智能化和高集成化有着重要的实用价值。目前已有诸多制备技术来获得合金薄膜，主要包括磁控溅射 (Magnetron sputtering)技术、激光脉冲沉积(Pulsed Laser Deposition)技术和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)技术。研究表明，采用磁控溅射技术制备薄膜时由于受到溅射沉积速率的影响，使薄膜的化学成分偏离其化学计量比，尤其是一些易挥发的元素偏离更为严重，因此磁控溅射技术不适合制备易挥发的铁磁性形状记忆合金薄膜。而分子束外延技术由于其设备昂贵、维护费用高，导致发展受到限制。脉冲激光沉积(PLD)方法属于非平衡制膜方法，该技术生长薄膜所要求的沉积温度低，并且通过非热的薄膜沉积技术实现薄膜的同组分沉积。在沉积的过程中激光与靶材不可能出现相分离，因而可以将靶材的化学和晶体学特性复制到薄膜上，实现薄膜的同组分沉积。另外，在掺杂制膜的过程中，可使用多靶交替溅射沉积方法，通过控制每个靶材的脉冲数，制备任意比例均匀掺杂的功能薄膜。