磁控溅射功率调控SmCo/Si薄膜界面扩散诱导多相形成及其磁性优化研究

为解决SmCo薄膜在Si基底上的界面扩散与磁性调控难题，研究人员通过磁控溅射(SmCo4靶材)在不同功率(20-140 W)下制备薄膜，经700°C退火后系统研究其磁性与微观结构。发现20 W样品因Co相偏析具有最高饱和磁化强度(630 emu/cm3)，而120 W样品因界面形成CoSi2相展现高矫顽力，揭示了溅射功率对界面反应与磁性能的精准调控机制，为无缓冲层集成磁器件提供新策略。

　　

在当今能源革命与信息技术飞速发展的背景下，稀土永磁材料尤其是钐钴(SmCo)合金因其卓越的高温稳定性和强磁性，成为电动汽车、风力发电机等高端装备的核心材料。然而，当这类薄膜直接沉积在硅(Si)基底上时，界面扩散问题如同"隐形杀手"，会显著影响材料性能——这就像在精密电路板上突然出现不可控的电流短路，导致器件失效。更棘手的是，传统解决方案依赖缓冲层或高温沉积，不仅增加工艺复杂度，还可能引入新的界面缺陷。如何在不使用缓冲层的前提下，通过简易工艺实现界面结构与磁性能的精准调控，成为困扰研究人员的"卡脖子"难题。

山西师范大学的研究团队独辟蹊径，选择通过磁控溅射功率这一"调控旋钮"，在SmCo₄靶材/Si基底的简单体系中展开攻关。他们采用DC磁控溅射在20-140 W功率范围内制备约180 nm薄膜，经700°C真空退火后，通过X射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)和透射电镜(TEM)等手段，揭示了溅射功率如何像"分子剪刀"般精确裁剪界面结构。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究，首次明确了低功率(20 W)下Co元素偏析与高功率(120 W)时CoSi₂相形成的竞争机制，为磁电器件集成提供了新范式。

关键技术方法包括：DC磁控溅射制备SmCo薄膜（基压8×10^-5 Pa，Ar气工作压力0.5 Pa）；700°C真空退火1小时；XRD分析晶体结构；VSM测量磁滞回线获取饱和磁化强度(M_s)和矫顽力(H_c)；TEM/EDS表征界面扩散与元素分布。

实验结果

1. 磁性调控规律：20 W样品展现最高M_s(630 emu/cm³)，而120 W样品具有最大H_c，表明功率可分别优化软磁与硬磁特性。
2. 微观结构揭秘：TEM显示20 W样品存在清晰SmCo/Si界面与Co纳米晶，而120 W样品出现5-8 nm厚CoSi₂过渡层，这种"自组装"的硅化物如同磁性"隔离带"，有效钉扎磁畴运动。
3. 相演变机制：XRD证实高功率促进Co与Si的固相反应，形成具有CaF₂结构的CoSi₂，其1.23%的晶格失配度使界面应力成为增强矫顽力的关键。

结论与意义
该研究突破性地证明：仅通过调节溅射功率这一单变量，即可实现SmCo/Si界面从"泾渭分明"到"主动反应"的可控转变。低功率下Co偏析形成的"磁性仓库"提升M_s，而高功率诱导的CoSi₂"纳米栅栏"增强H_c，这种"鱼与熊掌兼得"的策略，解决了传统方法中缓冲层与高温沉积的瓶颈问题。更深远的是，CoSi₂与Si基底的完美晶格匹配，为未来磁电一体器件开发提供了"即插即用"的界面解决方案，可能推动磁存储器与CMOS技术的深度融合。Jiale Li团队这项工作，不仅为稀土永磁薄膜的界面工程树立了新标杆，更启示我们：最简单的工艺参数背后，往往隐藏着最精妙的材料科学密码。