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第5 8 卷第】埘 2006 年2 月 有色金属 N o n f e r m u sM e t a l sF e b r u a r y2006 电镀工艺条件与高饱和磁感应C o N i F e 软磁薄膜的性能 邓福铭1 ，雷仁贵1 ，赵国刚1 一，王振廷1 一，方光旦3 1 中国矿业大学 北京棱区 材料科学与工程系，北京1 0 0 0 8 3 ；2 黑龙江科技学院材料 科学与工程系，哈尔滨 15 0 0 2 7 ；3 中国科学院计算技术研究所，北京10 0 0 8 0 摘要研究电沉税钴镍铁台金工艺条件如电流密度、p H 和温度以及镀层厚度对膜屡性能的影响。用振动样品磁强计测试 腹层的矫顽力H 、磁化强度M ，厦磷滞回线．用高频电感法测试膜层的磁导率P 。用四探制法测试膜层的电阻率P 。结果表明．腹 层的电磁性能与镀覆工艺条件相关，在最佳镀覆工艺条件下 电流密度1 0 a 1 A ／c m 2 ，p H 28 ，施镀强度2 5 1 2 ．时问1 0 m l n 所得台金 镀层光亮、致密，有较好电磁特性，B 。达l9 r I ，矫顽力H 为11 5 0 e ，电阻率为4 5 p c ／c m ．在l M F I 下磁导率F ，为6 0 2 。 关键词金属材料；高B ，软磁膜；电沉积；钴镍铁台盒 中圈分类号T Q l 5 32 ；T M 2 7 1 2 ；T G l 4 6l 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 I 一0 0 3 5 0 4 用电镀法制备N i F e 合金薄膜作为磁性材料已 经得到了广泛的应用L l - 2J ，调节镀液成分可获得不 同合金比率、不同磁性能的合金膜层。如N i 舯F e 2 0 的 台金膜的B ，在0 ．9 ～1 ．O T ，电阻率p 为2 0 ～2 5 p 9 , c n l ，在高密度磁记录中N i F e 合金由于B 。和p 较低， 应用受到限制”j 。为了满足在高密度磁记录的要 求，已研究了多种制备高B 。的薄膜材料的方法并在 实践中获得了应用。如电沉积C o N i F e 薄膜H “J 、 C 。F e 基薄膜【7 一引，溅射F e 基纳米晶薄膜[ 9 1 0 ] ，溅 射F e N 基薄膜_ 1 1 。”] 等。在诸多的制备方法中用 电沉积制备软磁薄膜材料有批量生产成本低、易于 控制、沉积速率高等优点，特别适合在微机械和微器 件的集成化工艺中应用【l ⋯。 研究中，在电镀液添加十二烷基硫酸钠 N a L S 和糖精 S a t e 制备C o N i F e 薄膜样品，系统考察电流 密度、p H 、温度等工艺条件对沉积速度和磁性能的 影响以及镀层厚度与磁性能的关系，从而确定最佳 电镀工艺条件，制备高饱和磁感应C o N i F e 软磁薄 膜样品。 1实验方法 采用简单的金属硫酸盐配制电镀溶液，镀液的 收稿日期2 0 0 5 0 6 2 8 基盒项目国家自然科学基金资助项目 5 0 3 4 2 0 1 7 ；北京市自然科 学基金 2 0 4 2 0 1 9 。 作者简介邓福诏 1 9 6 3 一 ，男，湖南桂阳凸 ，副教授．博士，主要 从事表面工程材料及纳米材料等方面的研究。 组成为N i S 0 4 - 6 1 J 王2 002 m o l 几F e S 0 4 7 H ，O 0 ．0 0 5 ～00 4 5 m o l ／L ；C o S 0 4 7 H 2 00 ．0 3 ～ 0 ．0 4 5 t o o l ／L ；N H 4 C 10 ．2 8 m o l ／L ；H 3 B q0 ．4 m o l ／1 ．； N a L S0 ．0 1 ～03 9 ／[ 。；S a e c01 ～0 ．6 9 ／L 。工艺条件 为温度2 3 ℃；p H 2 ．8 ；电流密度i d 1 0 m A ／c m 2 。 采用P t 板作阳极，阴极移动式进行搅拌，外加磁场 为1 3 0 ～2 0 0 0 e 。电镀基片为溅射有T a 5 n m ／N i F e 1 0 0 n m 涂层的玻璃片，玻璃片的规格是4 0 m m 3 0 r a m 1T 1 F t l “ no 采用振动样品磁强计 V S M 9 5 0 0 测试膜层的 矫顽力H 。磁化强度M ，及磁滞回线。饱和磁化强度 B 由公式B ， T 4 Ⅱ t e I n l ．1 ／V c m 3 计算。用光 洁度测试仪 T A L Y S U F 测试膜层的厚度。膜层的 电阻率P 和磁导率心分别用四探针法和高频阻抗测 试仪测定。 2 试验结果与分析 2 ．1 电镀工艺条件对镀层沉积速率和 膜层磁性能的影响 21 1 电流密度。电流密度对沉积速率和膜层磁 性能的影响见图1 和图2 。从图1 可以看出，随电 流密度增大，镀层沉积速率增加。这是因为增大电 流密度，阴极上单位面积积累的电荷数增加，C 0 2 ， F e ”，N i 2 更易于获得电子而还原成c 。一N i F e 合金 镀层。同时电流密度增大，阳极和阴极之间的电场 力增大，在电泳作用下，C o ，F e ”，N i 2 ’向阴极移 动速度加快，从而加速电沉积。 万方数据 有色金属 第5 8 卷 电流密廑／ m Ac m l 图1电流密度对沉积速度的影响 F i g1 E f f e c to fc u r r e n td e n s i t yO nf i l md e p o s i t i n g 髓t e 图2 电流密度对C o N i F e 合金薄膜 磁性能的影响 F i g2E f f e c to fc u r r e n td e n s i t yo nm a g n e t i c p r o p e r t i t mo fa l l o yf i l m 从图2 可以看出，随电流密度增加，薄膜矫顽力 H c 先是减少然后增加，而饱和磁化强度B ，先略有 增加后下降。这是因为矫顽力H r 与晶体的颗粒尺寸 相关，颗粒越小，H 就越小。随电流密度增加，必然 增大阴极极化过电位增加，电沉积时成核速度增加， 从而使沉积颗粒尺寸得到控制I t 4 ] 。而饱和磁化强 度B 。是由三种金属元素的相对组成决定的，随电流 密度增加，膜层中F e 和C o 的含量相对下降，N i 含 量相对增加，从而使B 。略有增加[ 6J 。但电流密度过 大，镀层将被烧黑或烧焦，而导致H 值增加和B 降 低。同时由于电镀C o ，N i ，F e 及其合金时总是伴随 着氢的共沉积，这个过程在较低的电流密度下更为 突出。在较低的电流密度条件下电沉积，较多H 2 将以气泡的形式进入镀层中。当镀层中H ，含量超 过溶解限制时，多余H 2 就发散到镀层外，从而导致 镀层空隙率增加并产生拉伸应力，导致珥值增加 和B 。降低。图2 表明，最佳电流密度为1 0 m A ／c m 2 。 2 ．1 ．2p H 。p H 既影响镀层的沉积速率又影响膜 层的磁性能。图3 为p H 在24 ～30 范围调节时 对镀层沉积速度的影响。随p H 增大，镀屡沉积速 度相应提高。这是由于在酸性镀液中，过电位随p H 增大而升高。当p H 低时，阴极过电位低、析氢量 大、电流效率降低，沉积速度减缓。 图4 是p H 对膜层磁性能的影响。从图4 可以 看出，随p H 升高，矫顽力肛值增大，而饱和磁化强 度B 。先增大后下降。这一方面可能是由于C o N i F e 合金的异常共沉积现象 l “引起的，因为p H 的改变 引起了薄膜台金组成的变化，从而引起了磁性能的 变化。另一方面由于p H 升高，非磁性物质如金属氢 氧化物或金属氧化物等杂质共沉积到镀层中的含量 增加而引起磁性能下降。结果表明，当渡液的p H 为 2 ．8 时，C o N i F e 台金镀层的饱和磁化强度B 最大。 图3p H 对沉积速度的影响 F i g ．3 E f f e c to fp Ho nf i l md e p o s i t i n gr a t e n H 图4p H 与C o N i F e 合金薄膜磁性能的关系 F i g4E f f e c to to Ho nm a g n e t i cp r o p e r t i e s o fC o N i F ea l l o yf i l m 2 ．1 ．3 温度。温度是影响电沉积C o N i F e 合金的 重要参数之一。温度低时C 0 2 1 ，F e 2 1 ，N P ’的活性 较低，在阴极表面还原能力较小，沉积速度慢，甚至 不能沉积出膜层。随温度升高，C 0 ’T ，F e 2 ，N 2 活 性增加，沉积速度加快，但温度过高，由于阴极极化 作用降低，镀层将结晶粗大，导致矫顽力H 增大。 而且温度过高还会使渡液有自发分解，使镀层发暗， 造成镀层与基体的结合力差。图5 为温度与磁性能 的影响关系。由图5 可知，温度在1 5 ～3 5 ℃，2 3 ℃ 时C O N i F e 合金镀层磁性能较好。综合考虑各种因 ㈦ ㈨ ㈦ f ullll，趟掣∞蛙 0 8 6 4 0 0 O j一，ull三、埘制善避 万方数据 第【期邛福铭等电镀工艺条件与高饱和盛感应C o N i F e 软磁薄膜的性能 素，选择施镀温度为2 5 ℃。 图5 温度对磁性能的影响 F i g ．5 E f f e c t o fp l a t i n gt e m p e r a t u r e0 1 3 ．m a g n e t i c p r o p e r t i e so fc 。N i F ea l l o yf i l m ． 2 ．2 膜层厚度对镀层磁性能的影响 电镀C o N i F e 合金薄膜研究表明，镀层的合金 组成沿厚度方向是不均匀的，表面的铁含量要比内 部多[ 1 6J 。因为成分对磁性影响很大，所以确定镀层 厚度范围是很重要的。从图6 可以看出C o N i F e 合 金薄膜矫顽力H 随厚度增加，开始时遵循N e d 关 系式- 1 6 1 ，即H A t “ t 是薄膜厚度，n 训07 3 ， 当整块薄膜厚度值达到1 ．2 p r n 时，膜厚对H 的影 响已不很明显，而且在1 ．2 Ⅱm 左右，C o N i F e 合金薄 膜膜厚对饱和磁化强度B 。的影响不很明显。因此， 确定C o N i F e 合金镀膜的合理厚度为1 ．2 v m 左右。 2 ．3C o N i F e 合金镀膜的电磁性能 a ● r 一 3 结论 图6 膜厚与C o N i F e 合金薄膜磁性能的关系 F i g ．6 E f f e c to ft h i e k n e s s ∞m a g n e t i c p r o p e r 6 e ．so fC o N i F ea l l o yf i l m 在最佳实验条件下，制备了c 0 N i F e 合金膜样 品，电镀时间为1 0 m l n 。其外观沉积层致密、均匀、 表面光洁度好。首先将制成后样品纵向切成l O m m l O m m ，采用光洁度测试仪 T A L Y S U F 测试膜层 的厚度为1 ．1 6 m ，说明施镀时间合适。然后采用 L D J 9 5 0 0 型V S M 仪测试易轴和难轴的磁滞回线， 如图7 所示。从图7 可知，C o N i F e 合金膜的矫顽力 巩值为1 ．1 5 0 e ，磁化强度M 。为01 7 5 8 e m u 。由公式 B 。 T 4 n t e m u ／V c m 3 计算得出膜层的饱 和磁化强度B 。为1 ．9 T 。用四探针法测试膜层的电 阻率为4 5 ／x n c m 。采用高频阻抗测试仪测试膜层 的磁导率，在I M H z 下磁导率p ，为6 0 2 。上述电磁 性能均比文献报道的数据r 1 。2o 高出一倍左右。 h ／一 ／ ， a 一易轴磁滞回线； b 一难轴磁滞回线 图7C o N i F e 合金薄膜的磁滞回线 a e ∞va x i s ． b h 越da x i s F i g7H y s t e 腊i sl c o p so fC o N i F ea U o yf i l m s 1 电沉积法制备C o N i F e 合金薄膜的磁性能 与电沉积的工艺条件相关。最佳镀覆工艺条件为电 流密度1 0 m A ／c m 2 ，p H 2 ，8 ，施镀温度2 5 1 2 ，时间 1 0 m l n 膜厚1 ．1 6 ”m 。 2 最佳镀覆工艺条件下制备的C o N i F e 台金 膜样品沉积层致密、均匀、表面光洁度好，具有良好 的电磁特性。饱和磁化强度B 。达1 ．9 T ，电阻率为 4 5 p n t i n ，矫顽力耳为1 ．1 5 0 e ，在1 M H z 下磁导率 p 。为6 0 2 。 致谢实验研究中．得到中国科学院计算技术研 究所熊鑫恩、宋庆山研究员厦清华犬学李伟博士的 丈力支持与帮助，在此深表谢意 万方数据 有色金属 第5 8 卷 参考文献 [ 1 ] T a y l o rWP ，B r a n dO ，A l l e nMG ，c ta 1 ．F u l l yi n t e g r a t e dm a g n e t i c a l l ya c t u a t e dm i e r o m a c h i n e dr e l a y s [ J ] JM e m s ，1 9 9 8 ，7 2 1 8 1 1 9 1 ． [ 2 3L i uC ，T s a o T ，L e e GB ，e ra 1 ．O u t o fp l a n e m a g n e t i ca c t u a t o r s w i t he l e c t r o l i l a t e dp c r m a l l o y f o r f l u i dd y n a m o sc o n t r o l [ J J ． S e n s A c t u a t o r s A ，1 9 9 9 ，7 8 2 ／3 1 9 0 一1 9 7 [ 3 ] L uPL ，C h a r pSHT h e r m a li n s t a b i l i t ya t1 0 G b i t ／i n 2m a g n e t i cr e c o r d i n g [ J ] I E E ET r a t mM a g ，1 9 9 4 ，3 0 6 4 2 3 0 4 2 3 2 ． [ 4 ] T a b a k o v i c I ．R i e m e rS ．I n t u r i V ，e ta lO r g a n i ca d d i t i v e s i n t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r e p a r a t i o nu f ∞{ t m a g n e t i cC o N i F e f i l m s 【J ] JE l c c t r o c h e mS o c ，2 0 0 0 ．1 4 7 1 2 1 9 2 2 6 [ 5 ] O s a k a T ，T a k a i M ，H a y a s h i K ，e ta l N e ws o f t m a g n e t i c C o N i F ep l a t e d f i l m s w i t h h i g h B 。 20 2 ．1 [ J ] I E E E T r a n s M a g ， 1 9 9 8 ，3 4 4 1 4 3 2 1 4 3 4 【6 ] L I uX i a oM i n ，H U A N GF e n g ，Z a u g a r iGN ，e ta l M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o f t ，d e c t r o d e p o s i t e dF eC oN if i l m sf o rm a g n e t i cr e c o r d i n gh e a d s [ J ] I E E E T r a n s M a g ，2 0 0 2 ，3 8 5 2 2 3 1 2 2 3 3 ． [ 7 ] R i c qL ，L a l l e m a n dF ，G i g a n d e tMP ，e ta 1 ．I n f l u e n c eo fs o d i u ms a c c h a r i no nt h ee l e c t r o d e p o s i t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fC o F e m a g n e t i cf i l m [ J ] S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 3 8 3 ／3 2 7 8 2 8 3 [ 8 ] G o l d n i t s k y D ，G u d i nNV ，V o l y a n u kS t u d yo fn l c k a t c o b a l ta l l o ye l e c t w d e p o s i t i o n f r o ma s d i f a m a t ee l e c t r o l y t e w i t hd i f f e r e n t a n i o na d d i t i v e s [ J ] jE l e c t r o c h e m i c a l S O c ，2 0 0 0 ，1 4 7 1 1 4 1 5 6 4 1 6 3 [ 9 ] I s h i w a t aN ，W a k a b a y a s l f iC ．U r a l H ．S o f t m a g n e t i co fh i g h n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o nF e T a N f i h n s [ J ] JA p p lP h y s ，1 9 9 1 ， 6 9 8 5 6 1 6 5 6 1 8 [ 1 0 ] H a y a k a w aY ，H a s e g a w aN ，M a k i n oA ，e ta lM i e r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t o r e s i s t a n c e 。fF e H f Of i l m sw i t hh i g he l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y [ J ] J o u r n a lo fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s ，1 9 9 6 ，1 5 4 2 1 7 5 1 8 2 [ 1 1 ] J a y 砖e d m WP ，W a n gS ，K r y d e r M H ．4G b i t A l 2 2 i n d u c t i v e w r i t eh e a d su s i n gh i g h m o m e n tF e A I Np o l e s [ J ] ．J A p p lP h y s ， 1 9 9 6 ，7 9 8 5 8 8 0 5 8 8 2 [ 1 2 ] Z H O UJ i a nP i n g ，L 1D a n ，F A N GG u a n gD a n ，e ta 1 ．T h es t r u e t l l r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fF e Nt h i nf i l m s [ J ] S C I E N C EI NC H 【N A S e r i e sA ，2 0 0 2 ，4 5 2 2 5 5 2 6 3 [ 1 3 ] R o m a n k i wLT ．Ap a t hf r o me l e e t r o p l a t i n gt h r o u g hl i t h o g r a p hm a s k si ud e c t r o t r o d i e st oL I G Ai nM E M S [ J ] E l e t r c c h e m i c a A c t a ，1 9 9 7 ，4 2 2 0 ／2 2 2 9 8 53 0 0 5 [ 1 4 ] O k a d aY ，K u d o K ，Y o s h i d a N ，e ta 1 ．H i g hB s l o w H cC ．N i F c f i l m s w i t hb c cs i n g l e p h a s es t r u c t u r e f o r w r i t eh e a d s [ J ] I E E ET r a n sM a g ，2 0 0 2 ，3 8 5 2 2 5 6 2 2 5 8 [ 1 5 ] 赵国刚，邓福铭，雷仁贵等，电镀高饱和磁感应 I K s C o N i F e 软磁薄膜研究[ J ] ．功能材料，2 0 0 5 ，3 6 5 3 5 9 3 6 1 ． [ 1 6 ] L I U X i a oM i n ，Z a n g a r iGN ，L lY o n gS h e nE l e c t r o d e p a s i t i o no fs o f t ，h i g h m o m e n tC o F e N i t h i n f i l m s [ J ] JA p p lP h y s ， 2 0 0 0 ，8 7 9 5 4 1 0 5 4 1 2 P r e p a r a t i o na n dP e r f o r m a n c eo fH i g hB ，P l a t i n gS o f tM a g n e t i cC o n i f eF i l m D E N GF u r u i n 9 1 ．L E IR g u i ‘，Z H A OC r u 十g a n 9 1 一．W A N GZ 口P t i n 9 1 “．F A N GG u a n g - d a n 3 1D e p a r t m e r t to f M a t e r i a l s S c i e 斯ea n d T e c h m d o K Y ，C 6 b t aU n i o e r b i t y0 1 M i n i n g a n d T e c h r a d o g y B e i j i n g ，L 埘j i n g1 0 0 0 8 3 ．C 6 1 n a 2D e p a r t m e n to f M a t e r i a L sS c i e n c ea n dT a h n o l o g y ，H e i h m g j i a n g I n s t i t u t e 可 i e n c ea n dT ∞h n o l o g y ，H a e r b i n1 5 0 0 2 7 ，C h i n a 3 ．I n s t i t u t eo f C o m p u t i n g T e c h m d o g y ．C h i n e s e A c a d e m 3o f S c i e n c e s ，B e O i n g1 0 0 0 8 0 ．C h i n a A b s t r a e t T h ee f f e c to ft h ep l a t i n gc o n d i t i o n ss u c ha st h ed e n s i t yo fe l e c t r i c i t y ，p i tv a l u ea n dp l a t i n gt e m p e r a t u r ea s w e l la st h et h i c k n e s so ft h el i h n so nt h ep r o p e r t i e so fC o N i F ea l l o yf i l m sa r ei n v e s t i g a t e dT h em a g n e t i cp r o p e r t i e ss u c ha sH 。，M j B j a n dh y s t e r e s i sl o o p sa r em e a s u r e db yV S M ，a n dt h es p e c i f i cr e s i s t a n c ePi sm e a s u r e db y f o u r p r o b em e t h o d s T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ef i l ma r er e l a t e dt ot h ep l a t i n gc o n d i t i o n ．As m o o t ha n dc o m p a c tC o N i F ef i l mw i l ht h i c k n e s so f1 ．1 6 ／x ma n dr e l a t i v eh i g hm a g n e t i cp r o p e r t i e sc a nb e o b t a i n e da tt h eo p t i m a lp l a t i n gc o n d i t i o n c u r r e n td e n s i t yf O m A ／c m 2 ，p H 2 ，8 ，t e m p e r a t u r e2 5 ℃，r e t e n t i o n t i m e1 0 r a i n ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h e f i l m i se x c e l l e n t ，f o re x a m p l e , 也 1 ．1 5 0 e ，B 5 i su pt 0 1 ．9 T ，a n dP 4 5 9 f 1 c ma n dF ，i s6 0 2u n d e rt h ef r e q u e n c yo fl M H z K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；h i g hB 。s o f tm a g n e t i cf i l m ；e l e c t r o p l a t i n g ；C o N i F ea l l o y 万方数据
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