共晶反应对Fe-Co合金磁性薄膜外延生长的作用机制研究

作为重要金属软磁材料的Fe-Co合金，具有良好的磁性能，而合金的脆性限制了其潜在的应用，异质薄膜的形态不仅可以大大弥补这一不足，同时顺应了金属软磁材料薄膜化的发展方向，以满足电子元器件微型化设计的需求。异质薄膜的表面平整度和界面黏着强度决定着薄膜的各项性能指标。利用共晶反应制备软磁合金磁性薄膜，使异质薄膜的界面成为共晶相之间的相界面，避免界面处存在大量结构缺陷，增强界面黏着强度。本项目采用相场方法结合蒙特卡罗理论对通过共晶反应实现软磁合金磁性薄膜的外延生长过程进行理论描述，建立液相外延生长传热传质模型，动态跟踪薄膜表面形貌的演化过程，阐述共晶反应对薄膜表面优先形核相和领先生长相的作用机理，确定制备高平整度软磁合金磁性薄膜的有效生长参数，再采用浸渍法进行实验研究，对理论模型进行修正，并对获得的磁性薄膜进行分析，进一步探讨共晶反应对获得高平整度软磁合金磁性薄膜的作用效果。

本项目的研究工作由理论研究和实验研究组成，主要在以下几个方面取得了研究结果：1）采用蒙特卡洛方法模拟出了Fe-Co、Fe-Co-Th、Fe-Co-Yb等熔体在不同过冷态下的热物理性质（表面张力、比热、粘度、扩散系数）。探讨了热物理性质发生变化的内在物理机制。2）在已有同质凝固相场模型基础上，结合热力学知识，推导了异质液相外延生长的相场模型，确定出了相场参量和体系无量纲焓所满足的偏微分方程组。通过离散相场模型，获得了相场方程求解方法。具体模拟了Fe-41%Co在Si衬底上的异质液相外延生长过程。3）研究了Fe-Co合金的单辊甩带凝固实验，该实验将微观凝固组织特征与材料的磁性能相联系，结合落管无容器处理条件下得到的实验结果，在宽广的过冷度和冷却速率范围内研究晶粒生长取向对磁性能改善的内在机理。4）完成了Gd-Fe-Co合金快速凝固的实验研究，对所选三个成分点的合金进行DSC热差分析以及EDS能谱分析，得出三个合金的液相线温度、固相线温度以及相组成。确定出Gd-Fe-Co三元合金系中一个伪二元共晶(Fe, Co)-(Fe, Co)17Gd2合金系。5）对具有双磁特性的Co-Gd二元合金的快速凝固过程及磁性能进行了研究，得到了不同冷却条件下，凝固组织的形态特征，以及交换耦合作用对磁性能的作用机理。研究结果已发表的论文共14篇，其中SCI收录6篇，EI收录9篇，著作2部，培养硕士研究生4人。