高频用[FeNi-O/HfO2]n软磁多层膜的结构及性能研究

摘要

随着电子设备的革新和信息科技的迅猛发展，电子元器件加速朝向小型化、集成化以及高频化发展，因此迫切需要提高电子元器件中高频软磁材料的性能。一种良好的高频磁性材料，应同时具备高饱和磁化强度、高电阻率、低矫顽力、高的初始磁导率以及高的自然共振频率。传统的Fe、Co、Ni基强磁性单层薄膜在高频下的涡流损耗严重，因而其应用受到相当大的限制;而高电阻率的铁氧体材料由于弱磁性导致其初始磁导率很低，其应用仍有很大的局限性。因此，由高饱和磁化强度的合金以及高电阻率的绝缘相复合构成的纳米多层薄膜成为研究热点。其中，FeNi基软磁薄膜材料不仅具有高饱和磁化强度，同时，由于极低的磁致伸缩系数而可在较大成分范围内获得很低的矫顽力，因此，其在高频范围的应用备受关注。
　　本文的主要研究内容及结果如下:
　　(1)采用交替磁控溅射的方法，在无外加诱导磁场的情况溅射制备了一系列[FeNi-O/HfO2]n纳米软磁多层膜。首先，探索FeNi-O层的厚度对[FeNi-O/HfO2]n纳米软磁多层膜的结构和磁学性能的影响。结果表明FeNi-O厚度的增加会使得薄膜的饱和磁化强度增大、共振频率得到一定提高。但磁性层晶粒变大导致矫顽力增加，造成明显的面内各向异性场弥散，从而使得高频下共振峰严重宽化，即薄膜的高频性能恶化。因此，大的磁性层厚度并不适合于高频范围内的应用。
　　(2)在上述优化得到最佳FeNi-O磁性层厚度的基础上，我们进一步研究了HfO2非磁性层厚度对[FeNi-O/HfO2]n纳米软磁多层膜的影响。研究发现HfO2非磁性层厚度的变化对磁性层中晶粒尺寸的影响不明显，因此薄膜可保持矫顽力在很低的数值(2Oe)。同时，HfO2非磁性层可以通过影响薄膜中层间耦合作用，在一定范围内调控其面内磁各向异性场，进而调控薄膜在高频下的初始磁导率和自然共振频率。
　　(3)在固定非磁性层以及磁性层厚度的前提下，研究了溅射的氧气流量比对[FeNi-O/HfO2]n纳米软磁多层膜的影响。结果表明，在氧气含量超过一定的范围时，磁性层会形成氧化相。低于此范围时，氧原子存在于晶格间隙或者晶界处，使得电子的散射增加，从而提高薄膜的电阻率，这对抑制高频下的涡流损耗至关重要。此外，氧气流量比也直接影响薄膜的面内磁各向异性场。调控机制是通过改变薄膜的晶粒大小，使得各个磁性层内晶粒交换耦合强度发生变化，从而影响薄膜的高频性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁学的发展概述

1．2 磁性材料的发展概述

1．3 软磁材料概述

1．3．1 早期软磁材料概述

1．3．2 非晶纳米晶软磁材料概述

1．4 高频用纳米软磁薄膜概述

1．4．1 纳米软磁单层膜

1．4．2 纳米软磁颗粒膜

1．4．3 纳米软磁多层膜

1．5 本文研究目的和内容

参考文献

第二章 磁学基础理论

2．1 静态磁化理论

2．1．1 自发磁化理论

2．1．2 磁各向异性及其能量形式

2．1．3 磁畴和畴壁

2．1．4 技术磁化

2．1．5 交换耦合理论

2．2 动态磁化理论

2．2．1 复磁导率及磁损耗机制

2．2．2 磁矩进动方程

2．2．3 薄膜磁谱的计算

参考文献

第三章 样品的制备与分析测试方法

3．1 薄膜的制备

3．1．1 溅射镀膜法

3．1．2 磁控溅射的原理

3．1．3 实验设备及其构造

3．1．4 实验材料

3．1．5 影响镀膜质量的因素

3．2 薄膜的结构和成分分析

3．2．1 膜厚测量

3．2．2 X射线光电子能谱分析

3．2．3 X射线衍射分析

3．2．4 扫描电镜形貌分析

3．2．5 透射电镜分析和选区电子衍射

3．3 薄膜的电磁学性能分析

3．3．1 电阻率的测量

3．3．2 磁学性能分析

3．3．3 高频性能分析

参考文献

第四章 [FeNi-O／HfO2]n纳米晶多层膜的软磁及高频特性

4．1 引言

4．2 [FeNi-O／HfO2]n纳米晶软磁多层膜的制备

4．3 FeNi-O磁性层厚度对薄膜结构和性能的影响

4．3．1 薄膜的结构分析

4．3．2 磁学和电学性能分析

4．3．3 薄膜的高频磁学性能分析

4．4 HfO2非磁性层厚度对多层膜结构和性能的影响

4．4．1 薄膜的结构和成分分析

4．4．2 薄膜的磁学和电学性能分析

4．4．3 薄膜的高频磁学性能分析

4．5 O2流量比R(O2)对多层膜结构和性能的影响

4．5．1 薄膜的结构分析

4．5．2 薄膜的磁学和电学性能分析

4．5．3 薄膜的高频磁学性能分析

4．6 总厚度对多层膜结构和性能的影响

参考文献

第五章 总结

攻读硕士期间发表的论文

致谢