close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13031

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.04.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 25D 3/56
H 01F 1/12
ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК
(21) Номер заявки: a 20081658
(22) 2008.12.22
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной
академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Немцевич Людмила Васильевна; Точицкий Тадеуш Антонович;
Шадров Владимир Григорьевич; Дмитриева Алла Эдуардовна (BY)
BY 13031 C1 2010.04.30
BY (11) 13031
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) ТОЧИЦКИЙ Т.А. и др. Металлофизика
и новейшие технологии. - 2008. - Т. 30. № 3. - С. 311-319.
SU 206265, 1967.
SU 287491, 1970.
SU 191984, 1967.
US 6890667 B1, 2005.
(57)
Электролит для получения нанокристаллических магнитных пленок на основе сплавов
никель-железо-молибден, содержащий никель сернокислый семиводный, железо сернокислое семиводное, соединение молибдена, натрий хлористый и натрий лимоннокислый,
отличающийся тем, что в качестве соединения молибдена содержит молибдат натрия
двухводный и дополнительно содержит сахарин при следующем соотношении компонентов, г/л:
никель сернокислый семиводный
280
железо сернокислое семиводное
10
молибдат натрия двухводный
2
натрий хлористый
1,1
натрий лимоннокислый
66
сахарин
1-5.
Изобретение относится к области электрохимии и материаловедения, а более конкретно к магнитным материалам на основе сплава никель-железо-молибден, используемым в
качестве магнитомягких материалов в разнообразных устройствах вычислительной техники и техники сверхвысоких частот. В частности, тонкие магнитные пленки сплавов Ni-Fe
(пермаллой), Ni-Fe-Mo, полученные электролитическим осаждением, широко используются в качестве магнитомягкого подслоя сред магнитной записи [1], а также для изготовления магнитных микросенсоров, индукторов, микроактиваторов и др. интегрированных
микромагнитных устройств [2, 3].
На данном этапе развития микроэлектроники и вычислительной техники по мере бурного развития нанотехнологий, формирования разнообразных магнитных наноструктур и
соответственно устройств на их основе требуются магнитные материалы с наноразмерным
BY 13031 C1 2010.04.30
зерном, соизмеримым с размером однодоменности (∼50 нм для никеля [4]) и высокими
магнитомягкими характеристиками, в частности низкой коэрцитивной силой и высокой
прямоугольностью петли гистерезиса.
В системе сплавов никель-железо-молибден имеются области составов с высокими
значениями магнитной проницаемости и прямоугольности петли гистерезиса, низкой коэрцитивной силой и высоким удельным электрическим сопротивлением. Магнитные
свойства электролитически осажденных пленок определяются, главным образом, составом сплава, фазовым строением, микроструктурой, в том числе размером кристаллитов,
внутренними напряжениями и др. факторами, зависящими от состава электролита и условий осаждения. Известен [3] комплексный цитратный электролит для электролитического
осаждения магнитных пленок сплавов никель-железо-молибден, содержащий, в г/л:
никель сернокислый семиводный
60-80
железо сернокислое семиводное
1-4
молибдат натрия двухводный
1-2
лимонная кислота
60-80
натрий хлористый
10
лаурилсульфат натрия
0,2-0,4
сахарин
0,8.
Пленки толщиной 300-500 нм, осажденные из данного электролита, содержат до 15
вес. % молибдена. В железо-никелевых пленках, содержащих более 80 вес. % никеля размеры кристаллитов достигают от 50 до 200 нм. Наименьшей коэрцитивной силой около
1 Э и близкой к единице прямоугольностью петли гистерезиса обладают пленки, содержащие 80 % Ni - 15 % Fe - 5 % Mo. Недостатком является то, что пленки, осажденных из
данного электролита, являются крупнокристаллическими и обладают высокими внутренними напряжениями (7,5⋅108 - 7,0⋅108 н/м2), что затрудняет достижения толщины пленок
пригодной для их практического применения (1-3 мкм).
Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому изобретению является
электролит для электролитического осаждения магнитных пленок сплавов никель-железомолибден [5], состоящий из, в г/л:
никель сернокислый семиводный
280
железо сернокислое семиводное
10
молибдат натрия двухводный
2
натрий хлористый
1,1
натрий лимоннокислый
66.
Пленки сплава 83,6Ni-13,3Fe-3,1Mo (вес. %), осажденные из данного электролита при
рН 4, температуре 20 °С, катодной плотности тока (Дк) 15 мА/см, имеют крупнозернистую
структуру с размером кристаллитов ~150 нм, что не соответствует критерию однодоменности. Более того, пленки обладают большими внутренними напряжениями растяжения
(порядка 7⋅108 н/м2). Недостатком прототипа является также получение из данного электролита крупнокристаллических пленок с высокими внутренними напряжениями.
Задача данного изобретения состоит в улучшении магнитомягких характеристик - коэрцитивной силы, прямоугольности петли пленок на основе сплавов никель-железомолибден за счет уменьшения размера кристаллитов и внутренних напряжений в пленках.
Поставленная задача решается тем, что предложен электролит для получения нанокристаллических магнитных пленок на основе сплавов никель-железо-молибден, содержащий никель сернокислый семиводный, железо сернокислое семиводное, молибдат
натрия двухводный, натрий хлористый, натрий лимоннокислый и сахарин при следующем
соотношении компонентов (г/л):
никель сернокислый семиводный
280
железо сернокислое семиводное
10
молибдат натрия двухводный
2
2
BY 13031 C1 2010.04.30
натрий хлористый
1,1
натрий лимоннокислый
66
сахарин
1-5.
Новым является то, что электролит содержит сахарин в количестве -1-5 г/л.
Сущность изобретения заключается в том, что определен качественный и количественный состав электролита, который позволяет формировать нанокристаллические (размер кристаллитов ~10 нм) магнитные пленки на основе сплавов никель-железо-молибден
с низкими внутренними напряжениями и улучшенными магнитными характеристиками.
Пример конкретного осуществления
Берут навеску NiSO4 × 7H2О в количестве 280 г и растворяют в 500 мл дистиллированной воды при комнатной температуре и интенсивном перемешивании. Берут навеску
NaCl в количестве 1,1 г и добавляют в водный раствор сернокислого никеля при интенсивном перемешивании. Берут навеску сахарина в количестве 2 г и растворяют в 100 мл
дистиллированной воды при комнатной температуре, затем приливают в раствор сернокислого никеля. Берут навеску C6H5O7Na3 × nH2O в количестве 66 г и растворяют в 200 мл
дистиллированной воды при комнатной температуре и интенсивном перемешивании. Берут навески FeSO4 × 7H2O в количестве 10 г и Na2МоO4 × 2H2O в количестве 2 г и поочередно растворяют в водном растворе лимоннокислого натрия. Приготовленный раствор
приливается к исходному раствору сернокислого никеля и тщательно перемешивается.
Нужная величина рН 4,0 устанавливается с помощью 25-процентного раствора H2SO4 или
3-процентного раствора NaOH. Затем полученный электролит фильтруют с использованием фильтров типа "синяя лента" и, добавляя дистиллированную воду, доводят объем электролита до 1 л.
Процесс электролитического осаждения ведут при температуре электролита 20 °С,
плотности тока 15 мА/см2. В качестве анода используется чистый никель; в качестве подложек - полированную медную фольгу. За 20 мин осаждается пленка толщиной 3 мкм, содержащая 80,9 вес. % Ni, 15,1 вес. % Fe, 1,8 вес. % Мо, 2,2 вес. %.S. Пленка представляет
собой твердый раствор на основе ГЦК решетки никеля с преимущественной ориентацией
кристаллитов [111] и размером кристаллитов <10 нм. При этом параметр решетки сплава
(а = 0,3522 нм) приближается к значениям, характерным для равновесной структуры никеля (а = 0,3517 нм). Коэрцитивная сила и прямоугольность петли гистерезиса, измеренные в плоскости пленки (Нс, Br/Bs) составляют 0,8 Э и 0,9 соответственно.
Величина внутренних напряжений растяжения равна 2⋅108 н/м2, что в 3-4 раза ниже,
чем у прототипа, и позволяет осаждать пленки толщиной порядка 3-5 мк. Соответственно
измеренная авторами настоящего изобретения коэрцитивная сила (Нс) пленок прототипа
составляет 5 Э, коэффициент прямоугольности петли гистерезиса (Br/Bs) - 0,70, внутренние напряжения растяжения - 7⋅108 н/м2.
Химический состав пленок и скорость осаждения определены методом фотоколориметрического анализа. Структурные исследования проведены на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М в излучении Cokα, электронном микроскопе ЭМВ-100ЛМ. Магнитные
характеристики пленок исследовались с помощью ферротестера 2738/s-3. Внутренние напряжения измерялись методом гибкого катода.
Изобретение может быть проиллюстрировано несколькими примерами, представленными в таблице, из которых видно, что оптимальными электролитами для получения нанокристаллических магнитных пленок на основе сплавов никель-железо-молибден с
высокой дисперсностью являются составы, приведенные в примерах 4-6. При уменьшении
(пример 3) или увеличении (пример 7) концентрации сахарина в электролите, размер кристаллитов несколько увеличивается вследствие снижения совершенства текстуры [111],
однако по основным параметрам образцы 3 и 7, превосходят прототип и соответствуют
задаче изобретения. При выходе за верхнюю границу по концентрации сахарина (пример 8)
дальнейшее снижение совершенства текстуры [111] приводит к существенному увеличе3
BY 13031 C1 2010.04.30
нию размера кристаллитов и соответственно повышению коэрцитивности пленок, что не
соответствует задаче изобретения. При выходе за нижнюю границу по концентрации сахарина появляется некоторое количество кристаллитов с ориентацией [100] (пример 2)
вплоть до смены текстуры (пример 1), в результате осаждаются крупнокристаллические
пленки, размер кристаллитов-агрегатов которых не соответствует критерию однодоменности, при этом внутренние напряжения сильно возрастают, что приводит к росту коэрцитивной силы.
Таким образом, изобретение позволяет получать нанокристаллические магнитные
пленки на основе сплавов никель-железо-молибден с низкими внутренними напряжениями, высокой дисперсностью (размер кристаллитов - ≤10 нм) и магнитными характеристиками, отвечающими совокупности требований, предъявляемых к магнитомягким средам
для интегрированных микро- и наномагнитных устройств.
Положительный эффект достигается за счет роста катодной поляризации с 0,75 В до
0,8 В, а также смены текстуры роста с [211] на [111] ГЦК решетки при добавлении сахарина в электролит. В условиях повышенной поляризации скорость зародышеобразования
превалирует над скоростью их роста. При текстуре [111], когда поверхность кристаллитов
обращена к раствору наиболее плотноупакованными гранями (111), вероятность захвата
адсорбированных примесей, в основном серы, растущими кристаллитами мала, примеси
выталкиваются на свободные поверхности (углы, ребра и т.д.) и включается преимущественно в границы между кристаллитами, где образуются сульфиды никеля. Электролитический процесс локализуется на поверхности кристаллитов, отделенных один от другого
границами с высоким содержанием посторонних включений. Проведенные нами исследования показали, что в пленках с текстурой [111] практически не наблюдается двойников и
дефектов упаковки и как следствие этого самые низкие внутренние напряжения. В результате совокупности указанных факторов формируются взаимно разориентированные мелкие кристаллиты (~10 нм), разделенные один от другого тонкими слабомагнитными
прослойками. Таким образом, использование нового состава электролита позволило формировать нанокристаллические магнитные пленки сплавов никель-железо-молибден-сера
с ультрадисперсным размером зерна (~10 нм).
В пленках сплавов Ni-Fe-Mo, полученных по способу [5] (прототип) формируется аксиальная текстура [211] и кристаллиты имеют двойниковое строение. При текстуре [211],
когда примеси, в основном молибден, в большом количестве включаются преимущественно в объем самих кристаллитов, реализуется нормальный рост осадка [6] и плоскости
двойникования располагаются преимущественно перпендикулярно поверхности осадка,
что и является одной из причин крупного размера зерна [5]. Уменьшение кислотности электролита с рН = 3 до рН = 5,2 сопровождается сменой аксиальных текстур
[111]→[111] + [100]→[211] + [100]. При увеличении плотности тока осаждения от 5 до
40 мА/см2 у пленок тройного сплава образуются смешанные текстуры, оси которых изменяются в следующей последовательности: [211]→[211] + [100]→[211] + [111]→[111] +
+ [100]→[111]. Однако текстура [111] формируется при низкой катодной поляризации,
высокой кислотности электролита (рН 3) и высокой плотности тока (Дк = 30 мА/см2), когда в осадки включается незначительное количество молибдена и других примесей [5],
что приводит к получению крупнокристаллических (100-150 нм) пленок. Указанное
структурное строение пленок сплавов никель-железо-молибден не позволяет достигнуть
ультрадисперсного размера кристаллитов, соответствующего критерию однодоменности.
Преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с известным является возможность получения магнитных нанокристаллических пленок толщиной (1-5 мкм) с наноразмерными кристаллитами (~10 нм), низкими внутренними напряжениями ((2-3)⋅108н/м2) и
соответственно улучшенными магнитомягкими характеристиками.
4
BY 13031 C1 2010.04.30
Источники информации:
1. Патент США 6890667.
2. Park J.Y. Allen , M.G. Development of magnetic materials and processing techniques
applicable to integrated micromagnetic devices // J. Micromechanics and Microengineering. 1998. - V.8. - P. 307.
3. Ильюшенко Л.Ф., Шелег М.У., Болтушкин А.В. Электролитически осажденные магнитные пленки. - Минск: Наука и техника, 1979. - 278 с.
4. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1031 с.
5. Точицкий Т.А., Дмитриева А.Э. Металлофиз.новейшие технол. 2008 Влияние двойникования на формирование текстуры и морфологии поверхности в электролитически
осажденных пленках Ni-Fe-Mo /. - Т. 30. - С. 311.
6. Точицкий Т.А., Дмитриева А.Э. Исследование механизма влияния примесей на
формирование текстуры в электролитических пленках никеля // Поверхность.- 2006. № 1. С. 74.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
96 Кб
Теги
by13031, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа