摘要： NiMnGa磁性形狀記憶合金薄膜是非常有用的多功能材料，為考察其光學(xué)反射特性，采用磁控濺射技術(shù)在單晶硅襯底上沉積了Ni56Mn27Ga17合金薄膜，并對(duì)其表面形貌和光學(xué)反射特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，薄膜的表面粗糙度隨退火溫度的升高而增大；在300～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，薄膜反射率均隨波長(zhǎng)的減小而降低，且薄膜整體譜線范圍內(nèi)的反射率隨退火溫度的升高而降低。

關(guān)鍵詞： NiMnGa合金； 薄膜； 磁控濺射； 光存儲(chǔ)

引言Heusler型Ni2MnGa磁驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金是一種新型形狀記憶材料，與傳統(tǒng)熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)形狀記憶合金不同，該類型合金在外加磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下馬氏體孿晶變體可發(fā)生重新排列，而在高磁場(chǎng)作用下誘發(fā)馬氏體相變，可產(chǎn)生高達(dá)10%的磁致應(yīng)變，從而引起了科研工作者的廣泛關(guān)注[12]。近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，NiMnGa磁驅(qū)動(dòng)記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，NiMnGa合金薄膜的研究逐漸受到研究人員的重視。目前，國(guó)際上已對(duì)NiMnGa合金薄膜的制備工藝[36]、馬氏體相變行為與微觀結(jié)構(gòu)[79]、力學(xué)性能以及磁學(xué)性能[1012]進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，但有關(guān)薄膜光學(xué)反射特性的研究尚未見報(bào)道。依據(jù)磁光存儲(chǔ)的工作原理，利用NiMnGa合金薄膜在磁場(chǎng)作用下可發(fā)生相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的性質(zhì)，采用脈沖磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)薄膜納米微區(qū)發(fā)生母相到馬氏體相的轉(zhuǎn)變，利用二者之間的不同光學(xué)反射率進(jìn)行信息的寫入和讀出，可實(shí)現(xiàn)光磁混合存儲(chǔ)功能。因此，研究NiMnGa合金薄膜的光學(xué)反射特性及其影響因素，對(duì)于薄膜的光磁混合存儲(chǔ)應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文采用射頻磁控濺射技術(shù)在硅單晶襯底上沉積了NiMnGa合金薄膜，著重考察其光學(xué)反射性能，闡明其物理機(jī)制。1NiMnGa合金薄膜的制備利用沈陽(yáng)科學(xué)儀器有限公司的EB500型超高真空磁控濺射鍍膜儀沉積NiMnGa薄膜，靶材成分為Ni54Mn25Ga21（at%），其直徑為60 mm、厚度為2 mm，襯底為（100）取向的單晶硅片。濺射條件如下：背底壓強(qiáng)低于2.5×10-4Pa，高純氬氣（體積濃度為99.999%）工作壓強(qiáng)為0.4Pa，，濺射功率為350 W，靶基間距為75 mm，濺射時(shí)間30 min，沉積薄膜過程中沉積溫度保持在300 K。薄膜制備后將薄膜封入石英管中，使真空度達(dá)到3×10-3 Pa，然后進(jìn)行不同溫度下退火處理，以使薄膜完全晶化。采用X射線電子散射譜測(cè)定薄膜的化學(xué)成分為Ni56Mn27Ga17薄膜，利用Digital Instruments 公司的 Nanoscopella型原子力顯微鏡（AFM）觀察該薄膜的表面形貌，采用美國(guó)PerkinElmer公司的Lamda 900及Lamda 950型分光光度計(jì)測(cè)定該薄膜的反射率曲線，光源波長(zhǎng)包括紫外/可見/近紅外波段，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為200～800 nm，掃描速度750 nm/min，試樣尺寸為10 mm×10 mm。光學(xué)儀器第35卷

第3期周圍，等：磁控濺射Ni56Mn27Ga17合金薄膜的光學(xué)反射特性研究

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖1所示分別為經(jīng)873 K、973 K和1 023 K退火1 h的Ni56Mn27Ga17合金薄膜的原子力顯微鏡三維形貌像。由圖可見，該薄膜表面由凹凸不平、尺寸不均一的“島狀”團(tuán)簇顆粒組成，且顆粒尺寸隨退火溫度的升高而增大。這些團(tuán)簇狀的顆粒是由許多單晶顆粒堆積構(gòu)成，并且單晶顆粒之間無明顯的取向關(guān)系。各不同退火條件的薄膜表面均方根粗糙度隨退火溫度的變化如圖2所示。從圖中可以清楚地看出，當(dāng)退火時(shí)間均為1 h，薄膜表面均方根粗糙度隨退火溫度的升高而增大，當(dāng)退火溫度為1 023 K時(shí)，表面均方根粗糙度超過20 nm，表面平整度顯著降低。這主要是因?yàn)楦邷丨h(huán)境有利構(gòu)成團(tuán)簇顆粒的各個(gè)晶粒生長(zhǎng)，導(dǎo)致粗糙度增大。

3結(jié)論本文采用磁控濺射方法制備了Ni56Mn27Ga17合金薄膜，研究了退火溫度對(duì)薄膜光學(xué)反射特性的影響及其變化規(guī)律，獲得主要結(jié)論如下：（1）薄膜表面是由凹凸不平、尺寸不均一的團(tuán)簇顆粒組成，隨退火溫度的升高顆粒尺寸逐漸增大；（2）在相同的退火時(shí)間（1 h）下，薄膜表面均方根粗糙度隨退火溫度的升高而增大，當(dāng)退火溫度為1 023 K時(shí)，表面均方根粗糙度超過20 nm，表面平整度顯著降低；（3）在300～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各退火試樣的反射率均隨波長(zhǎng)的增大而增大，且薄膜光學(xué)反射率隨表面均方根粗糙度的增大而降低。

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