磁性材料與半導(dǎo)體功能材料

第四講磁性材料與半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介4.1.1磁性材料概述具備強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。按矯頑力的大小可將磁性材料分為硬磁、半硬磁、軟磁材料三種。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、音像、電機(jī)、儀器儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。4.1磁性材料★磁性材料的應(yīng)用已涉及到工、農(nóng)、醫(yī)、現(xiàn)代科技、國(guó)防相人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)1994年全球磁性材料產(chǎn)量約650一750萬(wàn)噸。產(chǎn)值100億美元以上。全球每人每年消耗磁性材料價(jià)值2美元。全球磁性材料需求量每年以l0％一25%速度增長(zhǎng)。新型磁性材料、新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)。是最活躍的材料領(lǐng)域之一。4.1.2軟磁材料矯頑力低(Hci≤100A／m)、磁導(dǎo)率高的磁性材料稱為軟磁材料。軟磁材料的磁滯回線細(xì)長(zhǎng)，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。它主要應(yīng)用于制造發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計(jì)算機(jī)磁芯；磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯、極頭與極靴；磁路的導(dǎo)磁體等。它是電機(jī)工程、無(wú)線電、通訊、計(jì)算機(jī)、家用電器和高新技術(shù)領(lǐng)域的重要功能材料。（續(xù)）現(xiàn)有軟磁材料若按磁特性可分為高磁感材料、高導(dǎo)磁材料、高矩形比材料、恒導(dǎo)磁材料、溫度補(bǔ)償材料等；若按材料的成分，可分為電工純鐵、Fe—Si合金、Ni—Fe合金、Fe—A1合金(包括Fe—Si—Al合金)和Fe—Co合金等；也可分為晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料等。（1）電工純鐵和低碳電工鋼電工純鐵和低碳電工鋼是普遍應(yīng)用的軟磁材料。主要應(yīng)用于直流電機(jī)和電磁鐵鐵芯、極頭、繼電器鐵芯、永久磁路中導(dǎo)磁體和磁屏蔽、間隙工作電機(jī)和小型電機(jī)等。作為磁性材料大量應(yīng)用的純鐵是工業(yè)純鐵。由于其電阻率低，故主要應(yīng)用在直流磁化的場(chǎng)合。通常工業(yè)純鐵要求其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.02—0.04％，而雜質(zhì)的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.2％—0.5％。不同牌號(hào)的純鐵，其中雜質(zhì)含量是不一樣的。很純的鐵，不易大量生產(chǎn)，價(jià)格很貴。a）電工純鐵工業(yè)純鐵可以用作合金原料。也可用作軟磁材料。作為軟磁材料應(yīng)用時(shí)稱為電工純鐵，是一種含鐵量95％以上的軟鋼。這時(shí)要求沒(méi)有磁時(shí)效，為此應(yīng)使鐵中含C及N量極低，因?yàn)樗鼈兪窃斐纱艜r(shí)效的根源。在純鐵中加入少量A1及Ti，可和C、N形成化合物以降低時(shí)效。獲得高性能的電工純鐵，主要通過(guò)兩種途徑，一是去除雜質(zhì)，二是控制晶粒取向。它在平爐中進(jìn)行冶煉時(shí)，用氧化渣除占碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，出鋼時(shí)在鋼包中加入脫氧劑而得。通過(guò)仔細(xì)控制加工和熱處理工藝，可以使磁性能得到極大的改善。

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的純鐵可分為3類，一類是合金原料純鐵，有2個(gè)牌號(hào)，即DT1和DT2；另一類是電磁鐵用純鐵，有4個(gè)牌號(hào)．即DT3、DT4、DT5及DT6、其中DT4、DT6是無(wú)磁時(shí)效的牌號(hào)；再一類是電子管用純鐵，即DT7和DT8。*b）鐵鋁合金*鐵鋁合金成本低，應(yīng)用范圍很廣。含鋁量在16％以下時(shí)，便可以熱軋成扳材或帶材；含鋁量在5-6％以上時(shí)，合金冷軋較困難。鐵鋁合金同其它金屬軟磁合金相比，具有如下特點(diǎn)：(1)電阻率高；(2)高的硬度和耐磨性；(3)比重小，可減輕鐵芯自重；(4)對(duì)應(yīng)力不敏感。一般軟磁合金對(duì)應(yīng)力最為敏感，鐵鋁合金是例外；(5)時(shí)效，材料使用時(shí)，隨時(shí)間及環(huán)境溫度的變化，磁性能發(fā)生變化；(6)溫度穩(wěn)定性，可采用低溫退火后淬火處理，也可以在50-150℃下保溫10-20h—人工時(shí)效來(lái)改善其溫度穩(wěn)定性。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的電工硅鋼片的應(yīng)用及磁性能（2）鐵鎳合金和鐵鋁合金a）鐵鎳合金鐵鎳合金主要是含鎳量為30％-90％的鐵鎳合金，通常稱坡莫合金。鐵鎳合金由Fe、Ni、Mo、Cr、Cu等元素組成。鐵鎳合金有很高的起始磁導(dǎo)率μi和最大磁導(dǎo)率μm，電阻率在50μΩ?cm左右，Bs較低；隨著組分的不同、鐵鎳合金可能分為鐵鎳二元合金，鐵鎳三元或多元合金等。二元合金中如果添加Mo、Cr、Cu、V一類元素，可以減慢從無(wú)序相到有序相轉(zhuǎn)變的過(guò)程；如果添加Mn、Si、Ge等元素，則可使合金的長(zhǎng)程有序度幾乎保持不變。*鐵鎳合金廣泛應(yīng)用在電訊工業(yè)儀表、電子計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中。根據(jù)合金組分的不同，能夠用來(lái)制作小功率電力變壓器、微電機(jī)、繼電器、互感器、磁調(diào)制器等等。（3）非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金與常用的其它晶態(tài)軟磁材料（如硅鋼片）相比，磁導(dǎo)率高，電阻大，損耗小，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，用非晶態(tài)合金代替硅鋼片制作變壓器鐵芯前景十分可觀；但就目前的情況看，仍存在許多問(wèn)題：（1）溫度對(duì)磁的不穩(wěn)定性影響比較大，尤其當(dāng)開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)晶時(shí)，矯頑力增加．鐵損及磁導(dǎo)率也隨之變化；（2）非晶態(tài)軟磁合金的高磁導(dǎo)率性能只停留在鐵鎳合金水平上；（3）非晶軟磁合金作為電力設(shè)備鐵芯使用時(shí)，不能制出很寬的薄板，批量生產(chǎn)成本高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼低。5類典型軟磁材料性能特點(diǎn)和應(yīng)用范圍4.1.3硬磁材料硬磁材料也稱為永磁材料。是指材料被外磁場(chǎng)磁化以后，去掉外磁場(chǎng)仍然保持著較強(qiáng)剩磁的材料。它也是人類最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的磁性材料。表征硬磁材料性能的主要參數(shù)是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br、矯頑力Hc和最大磁能積（BH）max．三者愈高，硬磁材料性能越好。由此引起這類材料具有大的磁滯損耗。硬磁材料主要用于制造永久磁鐵。①鑄造硬磁合金；②可變形硬磁合金；③稀土硬磁合金；④硬磁鐵氧體；⑤粘結(jié)磁體等。硬磁材料可分成以下幾類：鑄造硬磁合金指鑄造的A1—Ni—co和A1—Ni—Co—Ti系等合金，是一種應(yīng)用廣泛、高磁能積、高矯頑力的合金。其特點(diǎn)是質(zhì)脆而硬．只能通過(guò)鑄造(或粉末冶金)成形和磨削加工成磁體，其(BH)max從8—80kJ／m3。

由于六、七十年代永磁鐵氧體和稀土永磁合金的迅速發(fā)展，鋁鎳鈷合金開(kāi)始被取代，產(chǎn)量自七十年代以來(lái)明顯下降。但在對(duì)永磁體穩(wěn)定性要求較高的許多應(yīng)用中，鋁鎳鈷系永磁合金往往是最佳選擇。鋁鎳鈷合金被廣泛用于電機(jī)器件上，如發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，繼電器和磁電機(jī)；以及電子行業(yè)中的揚(yáng)聲器，行波管，電話耳機(jī)和受話器等。

a）鑄造硬磁合金

b）可變形硬磁合金可變形硬磁合金包括含碳（或鎢、鉻、鈷）的磁鋼，F(xiàn)e—Cr—Co系合金，F(xiàn)e—Co—V系合金，Pt—Co(Pt—Fe)系合金，Mn—Al—C系合金，Cu—Ni—Fe(或Cu—Ni—Co)系合金等。這類磁性合金在淬火態(tài)具有可塑性，可以進(jìn)行各種機(jī)械加工。合金的矯頑力是通過(guò)塑性變形和時(shí)效(回火)硬化后得到的?？捎糜陔娫挋C(jī)、轉(zhuǎn)速表、揚(yáng)聲器、空間濾波器、陀螺儀、防盜標(biāo)記、微型電機(jī)和錄音機(jī)磁性零件的制備等。c）稀土永磁材料稀土永磁材料是稀土元素(用R表示)與過(guò)渡族金屬Fe，Co，Cu，Zr等或非金屬元素B，C，N等組成的金屬間化合物。是一種高能積、高剩磁、高矯頑力的材科。釤鈷合金和釹鐵硼合金性能d）其他永磁材料近年來(lái)，微晶永磁體和納米晶稀土永磁體的研制受到較大重視。

①微晶永磁體。其基本原理是在冷卻過(guò)程中出現(xiàn)部分晶粒來(lái)不及成長(zhǎng)就被凝固在金屬液體中，或者把制成的非晶態(tài)通過(guò)控制晶化或使之出現(xiàn)新平衡相實(shí)現(xiàn)磁硬化。這樣獲得的永磁薄帶，不僅機(jī)械性能好，而且熱處理后可得到良好的磁性能；

②納米晶稀土永磁體。即晶粒呈納米量級(jí)，常泛指1—100nm范圍，納米級(jí)粉料的矯頑力比通常粉末冶金粉料高6—8倍，而且又有較好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。不同永磁材料的主要用途4.1.4磁記錄材料磁記錄發(fā)展至今，已有百年的歷史、它廣泛應(yīng)用于錄音、錄像技術(shù)；計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)存貯、處理、科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域；軍事及日常生活中。（1）磁頭材料磁頭的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由帶縫隙的鐵芯、線圈、屏蔽殼等部分組成。*對(duì)磁頭材料的基本性能要求：①高的磁導(dǎo)率；②高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs；③低的Br和Hc；④高的電阻率和耐磨性。目前，磁頭鐵芯材料主要有合金材料、鐵氧體材料、非晶態(tài)合金材料、薄膜材料等幾類。

（2）磁記錄介質(zhì)材料磁記錄介質(zhì)材料的發(fā)展是磁記錄技術(shù)發(fā)展的要求。隨著記錄密度迅速提高，對(duì)記錄介質(zhì)的要求也越來(lái)越高。對(duì)制做記錄介質(zhì)的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）提出以下要求：1）剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高；2）矯頑力從適當(dāng)?shù)母撸?）磁滯回線接近矩形，Hc附近的磁導(dǎo)率盡量高；4）磁層均勻，厚度適當(dāng)，記錄密度越高，磁層愈??；5）磁性粒子的尺寸均勻，呈單疇狀態(tài)；6）磁致伸縮小，不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應(yīng)；7）基本磁特性的溫度系數(shù)小，不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應(yīng)；8）磁粉粒子易分散，在磁場(chǎng)作用下容易取向排列，不形成磁路閉合的粒子集團(tuán)。*目前使用的磁記錄介質(zhì)有磁帶、磁盤、磁鼓、磁卡片等。從結(jié)構(gòu)上看又可分為磁粉涂布型介質(zhì)和連續(xù)薄膜型介質(zhì)兩大類。一般來(lái)說(shuō)，磁粉涂布型介質(zhì)有利于水平記錄模式，而垂直記錄宜采用薄膜介質(zhì)。a）

顆粒（磁粉）涂布型介質(zhì)：這類磁記錄介質(zhì)是將磁粉與非磁性粘合劑等含少量添加劑形成的磁漿涂布于聚脂薄膜（滌綸）基體上制成，磁粉主要有γ—Fe2O3磁粉、包鈷的γ—Fe2O3磁粉、CrO2磁粉、鋇鐵氧體磁粉、金屬磁粉等幾類。純鐵的飽和磁化強(qiáng)度大約為氧化鐵的四倍，從理論上說(shuō)是理想的磁記錄材料。其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，易氧化。通常采用合金化或有機(jī)膜保護(hù)的方法控制表面氧化，但這種方法會(huì)使磁粉的磁化強(qiáng)度降低。b）連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì):研究表明，為提高記錄密度，要求磁記錄介質(zhì)減小磁層厚度，增大矯頑力，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)腂r；提高磁特性和其它性能的均勻性及穩(wěn)定性。連續(xù)磁性薄膜無(wú)須采用粘合劑等非磁性物質(zhì)，所以剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度及矯頑力比顆粒涂布型介質(zhì)高很多，是磁記錄介質(zhì)發(fā)展的重要方向。制備連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì)的方法有兩種：濕法（或稱化學(xué)法，如電鍍及化學(xué)鍍）和干法（或稱物理法，如濺射法、真空蒸餃法及離子噴鍍法等）。4.2半導(dǎo)體材料

4.2.1半導(dǎo)體材料的概念物質(zhì)按其導(dǎo)電的難易程度可以分為三大類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。半導(dǎo)體材料的電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，數(shù)值一般在10-4~1010Ω·cm范圍內(nèi)，但是單從電阻率的數(shù)值上來(lái)區(qū)分是不充分的。半導(dǎo)體的電阻率還具有以下一些特性：加入微量的雜質(zhì)、光照、外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、壓力以及外界環(huán)境（溫度、濕度、氣氛）改變或輕微改變晶格缺陷的密度都可能使電阻率改變?nèi)舾蓴?shù)量級(jí)。因此人們通常把電阻率在10-4~1010Ω·cm范圍內(nèi)，并對(duì)外界因素，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光、溫度、壓力及周圍環(huán)境氣氛非常敏感的材料稱為半導(dǎo)體材料。4.2.2半導(dǎo)體材料的分類元素半導(dǎo)體結(jié)晶態(tài)半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體無(wú)機(jī)半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料的分類1）

元素半導(dǎo)體在元素周期表中介于金屬和非金屬之間具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素有十二種，但是其中具備實(shí)用價(jià)值的元素半導(dǎo)體材料只有硅、鍺和硒。硒是最早使用的，而硅和鍺是當(dāng)前最重要的半導(dǎo)體材料，尤其是硅材料由于具有許多優(yōu)良持性，絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件都是用硅材料制作的。2）二元化合物半導(dǎo)體它們由兩種元素組成，而且種類很多，主要有III—V族化合物半導(dǎo)體、II—VI族化臺(tái)物半導(dǎo)體、IV—VI族化合物半導(dǎo)體、II—IV族化合物半導(dǎo)體、鉛化物及氧化物半導(dǎo)體等。二元化合物半導(dǎo)體有許多為元素半導(dǎo)體所不具有的性質(zhì)，開(kāi)辟了應(yīng)用的新領(lǐng)域。

III—V族半導(dǎo)體主要由III族元素Al，Ga，In與V族元素P，As，Sb所組成，應(yīng)用最廣的是GaAs，還有GaP，InP等已成為微波、光電器件的基礎(chǔ)材料，人們可以根據(jù)要求來(lái)選擇不同的III—V族材料。

II—VI族半導(dǎo)體主要指由II族元素Zn，Cd，Hg和VI族元素S，Se，Te所組成，主要用來(lái)制作微光電器件，紅外器件和光電池，在國(guó)防上有重要用途。3）三元化合物半導(dǎo)體以A1GaAs和GaAsP為代表的三元化合物半導(dǎo)體材料，已為人們廣泛研究，可制作發(fā)光器件；此外AgSbTe2是良好的溫差電材料；CdCr2Se4，MgCr

2S4是磁性半導(dǎo)體材料；SrTiO3是超導(dǎo)電性半導(dǎo)體材料，在氧欠缺的條件下，它