面向航天器锰锌铁氧体薄膜辐射效应研究

Aiming at the hazards of space rays and particle flow on the spacecraft, this project is focused on the radiation effects of MnZn ferrite films. Using magnetron sputtering system, we will investigate the grain growth mechanism of MnZn ferrite films at different annealing condition. On the basis of this research, we will study the effect of the electromagnetic radiation effect and the particle radiation effect on MnZn ferrite film. Furthemore, we will explore the law and rules of the effect of radiation on the electromagnetic properties of MnZn ferrite film. Then we will adjust deposition process and annealing technology to seek the technical ways and means to improve the the anti-radiation performance of MnZn ferrite film, and to provide theoretical and technological support for aerospace electronic systems for the reduction of size and weight, the plane integration, high reliability and service life.

本项目针对空间射线、粒子流等对航天器的危害，拟研究MnZn铁氧体薄膜的辐射效应。在不同退火情况下，分析MnZn铁氧体薄膜的晶粒生长机理，在此基础上，研究MnZn铁氧体薄膜的电磁辐射效应、粒子辐射效应，探索辐射对MnZn铁氧体薄膜电磁性能影响的规律及机理，并调整成膜工艺和退火方式，探寻提高MnZn铁氧体薄膜抗辐射性能的技术方法和手段，为空天电子系统向小型轻量化、平面集成化、提高可靠性及使用寿命提供理论和材料技术基础。

随着航空航天的发展，国内外学者已经开始研究薄膜的辐射稳定性，分析辐射导致器件失效的机理，寻找提高抗辐射能力的方法。作为二维材料的MnZn薄膜具有高饱和磁化强度Ms、高磁导率μi和低功率损耗Pcv等特点，在器件中引入MnZn薄膜能减小器件的体积，促进器件的小型轻量化发展。通过研究制备MnZn薄膜的工艺，最终制备出性能优异的薄膜，使MnZn薄膜更加灵活的运用于电感器、变压器、磁记录介质等微电子器件。由于MnZn薄膜表面具有纳米级颗粒，在航空航天环境中薄膜受到辐射的影响将不同于块材材料，这将极大影响到器件的可靠性、寿命等。本项目从薄膜制备工艺入手，研究磁控溅射系统中溅射功率、溅射气压、基片温度、基片种类对MnZn薄膜性能的影响。结果表明：在溅射功率160 W、适宜的溅射气压0.6 Pa、单晶Si（100）基片上制备得到的薄膜具有较优的磁性性能与微观结构，其磁化强度为192 kA/m，可用于后续退火及辐射研究。研究常压退火以及真空退火下薄膜性能的变化。结果表明，真空退火后薄膜磁性能大为提高。在真空退火下模拟研究不同保温时间薄膜的晶粒生长动力，研究结果表明：真空退火温度为550℃，保温时间为（0-30 min）时，其TPRE晶粒生长动力学方程为： 。研究不同总剂量和不同剂量率γ辐射对MnZn薄膜性能的影响。研究结果表明：薄膜磁化强度、晶格常数、晶粒尺寸随着γ辐照的总剂量的增加而减小，在总剂量25×104 Gy辐照下，磁化强度降低、晶格常数减小、晶粒尺寸减小、表面粗糙度增大。不同剂量率γ辐照下薄膜磁化强度降低，剂量率为38 Gy/min时，薄膜磁化强度降低3%，剂量率为152 Gy/min时，薄膜磁化强度降低33.3%。分析其原因是由于γ辐照过程中γ+Fe2+→Fe3++e–（Fe2+=0.76 Å，Fe3+=0.64 Å），导致晶格结构和磁性性能发生改变，而微观表面的变化则是由于γ射线与表面发生碰撞而产生辐射损伤。本项目研究对MnZn薄膜运用于航空航天具有重要意义。