(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106011748 A(43)申请公布日 2016.10.12
(21)申请号 201610469979.6(22)申请日 2016.06.26
(71)申请人 彭晓领
地址 311112 浙江省杭州市余杭区古墩路
铭雅苑15-1-101(72)发明人 李静 彭晓领 杨艳婷 徐靖才
王攀峰 金红晓 金顶峰 洪波 王新庆 葛洪良 (51)Int.Cl.
C23C 14/08(2006.01)C23C 14/34(2006.01)C23C 14/58(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页
(54)发明名称
一种氮化铁薄膜的制备方法
(57)摘要
本发明涉及一种氮化铁薄膜的制备方法。该方法是采用激光脉冲沉积的方法，通过控制沉积温度、时间和氧气流量，来制备氧化铁薄膜；通入氢气，在300~400℃还原4-20h，以获得铁薄膜；通入氨气，在120~200℃氮化1~30h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.1~2T；降温，随炉冷却至室温，取出样品，即可获得氮化铁薄膜。该方法可以直接获得高α\"-Fe16N2含量的氮化铁薄膜，有利于薄膜器件的集成应用，此外采用磁场热处理的方法，使薄膜氮化时产生晶体学取向，方便的控制薄膜的晶体学易磁化轴。
CN 106011748 ACN 106011748 A
权 利 要 求 书
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1.一种氮化铁薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步：氧化铁薄膜制备
气氛为氧气，氧气选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为20～600℃；
流量控制在10～100sccm；沉积时间控制在0.3~3h；
第二步：还原
将氧化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在300~400℃还原4-20h，以获得铁薄膜；第三步：氮化通入氨气，在120~200℃氮化1~30h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.1~2T；降温，随炉冷却至室温，取出样品，即可获得氮化铁薄膜；
所述的磁场由电磁铁或永磁体产生；所述的永磁体包括钐钴磁体、钕铁硼磁体、铁氧体磁体、铁钴磁体、铝镍钴磁体和铁铂合金磁体。
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说 明 书
一种氮化铁薄膜的制备方法
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技术领域
[0001]本发明涉及一种氮化铁薄膜的制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
[0002]磁性薄膜材料是指厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。其中铁氮磁性薄膜由于具有优异的磁性能、高抗腐蚀性能和耐磨损性能，在磁性薄膜器件领域有巨大的应用前景。铁氮薄膜的制备方法主要有真空蒸发法、电沉积法、溅射法等。[0003]随氮含量的变化，氮化铁具有不同的结构和性能，主要包括间隙固溶体（α，γ，ε），化合物相（γ´-Fe4N，ε-Fe3N）和介稳相(α´-马氏体和α\"-Fe16N2)。所有氮化铁都为亚稳相，会分解成Fe和N2。但在400℃以下其分解的动力学过程非常缓慢，受动力学过程，氮化铁
远高于其他材料，引相在室温可以稳定存在。这其中α\"-Fe16N2的饱和磁化强度值为2.83 T，
起人们浓厚的兴趣。
[0004]发明人采用脉冲激光沉积（PLD)方法制备铁氮薄膜。通过在真空腔体中引入反应气体，PLD技术利于制备多种复杂的氧化物和氮化物薄膜，还可以得到某些室温非平衡态固溶体或化合物。通过控制氮分压等沉积条件，可以制备出单相的Fe4N和Fe3N。但是发明人一直没有制备出α\"-Fe16N2相。[0005]近年来，采用纳米氧化铁粉，采用H2还原，NH3氮化制备被广泛关注。但这种方法一个缺点在于H2还原后获得的铁粉活性大，相互团聚严重，阻碍了氮化进程。为了克服纳米颗粒的团聚，不少科学家采用纳米氧化铁粉外包覆氧化铝或者氧化硅的方法，并且取得了一定效果。但新的问题出现了，氧化铝和氧化硅为非磁性组元，降低了体系的磁化强度。[0006]结合以上，发明人采用PLD法制备氧化铁薄膜，然后采用氢化还原、低温氮化的方法，制备高α\"-Fe16N2相含量的氮化铁薄膜，并且在氮化过程中施加磁场，使获得的氮化铁薄膜具有磁各向异性。
发明内容
[0007]本发明的目的是提供一种通过PLD法获得氧化铁薄膜，然后采用氢化还原、低温氮化的方法，制备高α\"-Fe16N2相含量的氮化铁薄膜的制备方法。[0008]本发明的具体步骤为：
第一步：氧化铁薄膜制备
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为20～600℃；气氛为氧气，氧气流量控制在10～100sccm；沉积时间控制在0.3~3h；
第二步：还原
将氧化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在300~400℃还原4-20h，以获得铁薄膜；第三步：氮化通入氨气，在120~200℃氮化1~30h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强
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说 明 书
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度0.1~2T；降温，随炉冷却至室温，取出样品，即可获得氮化铁薄膜，其相组成主要为α\"-Fe16N2，并包含部分α-Fe相；
所述的磁场由电磁铁或永磁体产生；所述的永磁体包括钐钴磁体、钕铁硼磁体、铁氧体磁体、铁钴磁体、铝镍钴磁体和铁铂合金磁体。
[0009]本发明的优点是：
1）直接获得高α\"-Fe16N2含量的氮化铁薄膜，有利于薄膜器件的集成应用；2）采用磁场热处理的方法，使薄膜氮化时产生晶体学取向，方便的控制薄膜的晶体学易磁化轴。
具体实施方式
[0010]下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数，可按常规技术进行。
[0011]本发明的具体步骤为：
第一步：氧化铁薄膜制备
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为20～600℃；气氛为氧气，氧气流量控制在10～100sccm；沉积时间控制在0.3~3h；
第二步：还原
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在300~400℃还原4-20h，以获得铁薄膜；第三步：氮化通入氨气，在120~200℃氮化1~30h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.1~2T；降温，随炉冷却至室温，取出样品，即可获得氮化铁薄膜，其相组成主要为α\"-Fe16N2，并包含部分α-Fe相；
所述的磁场由电磁铁或永磁体产生；所述的永磁体包括钐钴磁体、钕铁硼磁体、铁氧体磁体、铁钴磁体、铝镍钴磁体和铁铂合金磁体。
[0012]通过本发明可以制备取向的氮化铁薄膜。[0013]实施例1：
步骤为：第一步：氧化铁薄膜制备
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为20℃；气氛为氧气，氧气流量控制在100sccm；沉积时间控制在3h；
第二步：还原
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在300℃还原20h，以获得铁薄膜；
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第三步：氮化通入氨气，在120℃氮化30h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度2T，磁场由电磁铁产生；降温，随炉冷却至室温，取出样品。[0014]对实施例1所制备的样品进行XRD表征，检测到了α\"-Fe16N2和α-Fe相，并且两相具有取向性。
[0015]实施例2：
步骤为：第一步：氧化铁薄膜制备
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为80℃；气氛为氧气，氧气流量控制在80sccm；沉积时间控制在2h；
还原第二步：
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在320℃还原16h，以获得铁薄膜；
第三步：氮化通入氨气，在140℃氮化16h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度1T，磁场由电磁铁产生；降温，随炉冷却至室温，取出样品。[0016]对实施例2所制备的样品进行XRD表征，检测到了α\"-Fe16N2和α-Fe相，并且两相具有取向性。
[0017]实施例3：
步骤为：
氧化铁薄膜制备第一步：
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为160℃；气氛为氧气，氧气流量控制在60sccm；沉积时间控制在1.5h；
第二步：还原
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在340℃还原12h，以获得铁薄膜；
第三步：氮化通入氨气，在160℃氮化8h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.8T，磁场由电磁铁产生；降温，随炉冷却至室温，取出样品。[0018]对实施例3所制备的样品进行XRD表征，检测到了α\"-Fe16N2和α-Fe相，并且两相具有取向性。
[0019]实施例4：
步骤为：第一步：氧化铁薄膜制备
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为300℃；气氛为氧气，氧气流量控制在40sccm；沉积时间控制在1h；
第二步：还原
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在360℃还原8h，以获得铁薄膜；
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第三步：氮化通入氨气，在170℃氮化4h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.4T，磁场由钕铁硼永磁体产生；降温，随炉冷却至室温，取出样品。[0020]对实施例4所制备的样品进行XRD表征，检测到了α\"-Fe16N2和α-Fe相，并且两相具有取向性。
[0021]实施例5：
步骤为：第一步：氧化铁薄膜制备
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为450℃；气氛为氧气，氧气流量控制在20sccm；沉积时间控制在0.5h；
还原第二步：
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在380℃还原6h，以获得铁薄膜；
第三步：氮化通入氨气，在180℃氮化2h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.2T，磁场由铁钴永磁体产生；降温，随炉冷却至室温，取出样品。[0022]对实施例5所制备的样品进行XRD表征，检测到了α\"-Fe16N2和α-Fe相，并且具有取向性。
[0023]实施例6：
步骤为：
氧化铁薄膜制备第一步：
选择纯铁靶材和干净玻璃衬底；制备过程中，衬底温度为600℃；气氛为氧气，氧气流量控制在10sccm；沉积时间控制在0.3h；
第二步：还原
将氮化铁薄膜取出，置于热处理炉中，以恒定的速率通入氢气，在400℃还原4h，以获得铁薄膜；
第三步：氮化通入氨气，在200℃氮化1h；氮化过程中施加磁场，诱导氮化铁的取向，磁场强度0.1T，磁场由钐钴永磁体提供；降温，随炉冷却至室温，取出样品。[0024]对实施例6所制备的样品进行XRD表征，检测到了α\"-Fe16N2和α-Fe相，并且两相具有取向性。
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