磁控溅射法制备Fe基纳米非晶薄膜及其磁性研究(2)
1.2非晶金属的研究历程
在人们的生活中，万事万物离不开材料，因此人们开发出种类繁多的材料供大家使用，但是就是这样如此之多的材料如果按照组成的分子原子的对称性进行分类，也就只有两种——晶体和非晶体。在一般看来，非晶态是一种特殊的形态，就分子和原子来说，它们的排列顺序就像玻璃一样，是不规则的，几乎没有晶态结构那样的周期性和平移对称性。而这些恰恰也是非晶态材料的优点或者说是与众不同的地方，这是它们具备了优异的物理化学性能。非晶材料是长程无序的材料，结构上并没有堆垛和晶界等缺陷。而这样的无序状态又与气液太的无序不同，非晶材料会在几个分子或者原子之间存在着精妙的短程有序状态，这是由于原子间的互相关联。这些特性让人们意识到它们的潜力，于是科学家对于非晶态金属材料的探索早在上世纪20年代就已经开始了。德国科学家Kramer使用气相沉积法制备出了第一个非晶合金，之后依然是德国科学家Brenner使用电沉积法制备出了镍磷非晶，随后美国科学家Duwez第一次成功的使用急冷法制备出了非晶体。在二十世纪七十年代，美国联合化学公司为非晶态材料提出了一个全新的公式化的通式，然后美国科学家发明了新的“快冷连铸轧辊法”制备出了非晶的金属丝带，并首次以“Metallic glassy”的名字公开出售。又过了十年，到了八十年代，日本东京大学的材料学家在上述通式的成果下，稍加改造，使用了“低压铸造”的方式制备出了第一个不含贵金属成分的Zr基毫米级别的块状非晶合金。在日本科学家研究的基础上，美国加州理工的约翰逊使用急冷法制备出了非晶合金--非晶体是亚稳态，在金属处于熔融状态下，使用急冷的方法，让金属还来不及实现晶化就已经形成的亚稳态就是非晶态，这就是所谓的急冷法原理。在这个方法中，将熔融金属喷射到冷却基板上，分散形成薄膜，冷却速率高达108K/s，从而形成非晶。从此，非晶研究便越来越多。软磁材料在电工与电子工业领域使用广泛，然而想要取得磁性良好的软磁材料，即具有低矫顽力和高磁导率，低磁晶各向异性常数的材料，把这样的材料制成非晶形态似乎是一种很理想的选择，但是,制备在工业上可以取得真正价值的软磁材料，这对材料体系本身的要求很严格，换言之，想要制备可以工业生产的非晶态软磁材料比较困难[4]。
目前的非晶材料主要被分为四个大类：1.非晶金属（合金）2.非晶高分子化合物3.传统玻璃4.非晶态半导体材料。他们具有化学、物理、、力学性能的各向同性和随温度变化的连续性在热力学上处于介稳状态的通性[5]。即当温度达到一定时，材料就会突破一定的势垒转化为晶态。非晶态金属（合金）的原子排列与玻璃的状态非常相似，因此金属非晶也可以称作金属玻璃（metallic glasses）。金属在常规条件下冷却，由于常规条件下冷却时间较长，使得金属有充分的时间降低温度，从而原子灰规则的形成晶态点阵。而如果使用急冷的方法，金属（合金）原子在还处在混乱状态下突然冷却凝固下来，这样这种混乱的状态就保留了下来，也就形成了非晶态，也因此，非晶金属（合金）由于其特殊的微观结构将具有一般晶态同样元素组成的金属（合金）不具有的特殊的功能。如今，非晶金属（合金）材料已经开发了Fe基Cu基Ln基Zn级Co基Ni基等等[6]。最开始，由于非晶材料的特殊结构是长程无序的，它被认为是不具有磁性的，然而经研究发现，非晶材料的特殊结构导致它不存在所谓磁晶各向异性所具备的低矫顽力，而早期的非晶材料的矫顽力都很高，而非晶材料其实具有很强的铁磁性。最近几年，非晶材料在制备方法上都取得了很大突破，使得其性能也得到了大程度的提高。相信未来，非晶材料还会取得更大的发展。