软磁薄膜的高频磁性测试方法研究及其在坡莫合金薄膜研究中的应用

摘要

近年来，随着社会经济的迅速发展和生活质量的提高，人们对高科技产品的要求也越来越高，这也促使电子科学技术和元器件的迅速发展，尤其是向微型化、薄膜化、集成化和高频化的方向发展。以通讯频段为例，最早使用的通讯系统的频率一般为900MHz和1.8GHz，也就是GSM标准，或者称为第二代（2G）移动通讯系统，发展到目前广泛使用的通讯频段已经达到了3GHz和4GHz。这也对应用于其中的磁性功能材料提出了更高的要求。软磁材料因其在电感和变压器中的广泛应用而受到关注。随着元器件的工作频率的提高，对软磁薄膜材料的高频性能也提出了相应的要求，特别是软磁薄膜材料的高频磁导率和共振频率等。因此，对软磁薄膜的高频磁性进行准确地表征是该领域亟需解决的重要问题之一。
　　本论文主要围绕软磁薄膜的高频磁性测量与评估这一问题，在对国内外软磁薄膜的高频磁性测量方法调研和比较的基础上，提出了基于电磁感应的无需定标的高频磁性测量方法。另外通过高频磁性测量方法系统地研究了坡莫合金薄膜的高频磁性。本论文的主要内容如下：
　　1、系统地总结了利用短路微带线测量软磁薄膜的高频磁性的方法，并且对其进行了改进。利用高频仿真软件对短路微带线夹具进行设计并加工组装，通过优化测试夹具的尺寸参数和优化仪器参数实现了对软磁薄膜在宽频段的磁谱的准确测量。另外还提出了一种基于电磁感应原理的无需定标的磁谱计算方法，在分析过程中只需要给出薄膜样品的尺寸大小。另外，研究了直角型的共面波导（Coplanar waveguide，简称CPW）测试夹具对软磁薄膜的磁谱的测试结果，并与短路微带线夹具的测试结果进行对比。如果在测量磁谱的过程中，给软磁薄膜样品施加一个直流偏置磁场，那么就构成了用矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，缩写VNA）测量铁磁共振的测试方法，可以简称为VNA-FMR测试方法。
　　2、利用Top-down方法制备的不同厚度的坡莫合金薄膜。利用VNA-FMR测试方法分别研究了微波磁场在垂直和平行条纹方向上激励坡莫合金薄膜时的条纹畴结构的高频磁性。对沿着条纹畴方向的伪动态单轴各向异性做了详细地研究。通过建立一个简单的物理模型推导出动态各向异性场的起源。此外，通过磁力显微镜的实时观测和VNA-FMR方法研究了条纹畴结构在外磁场作用下的转动性质。通过转角度的磁谱测量研究了条纹畴结构在任意角度下的高频磁性。通过建立唯象的物理模型发现起始磁化率与转动角度之间的关系可以体现出条纹畴结构中的磁矩分布情况。因此，也获得了一种分析转角度高频磁谱的理论方法和拟合公式。利用真空热处理方法研究了坡莫合金薄膜中交换劲度系数的变化。实验结果表明热处理后的坡莫合金薄膜中条纹畴宽度增大，矫顽力变小，起始磁导率变大等，通过随机各向异性模型分析，以及高频磁谱分析和微磁学模拟得出真空热处理可以增强坡莫合金薄膜的交换劲度系数。
　　3、利用图案化对坡莫合金薄膜的高频磁性进行调控。通过VNA-FMR方法研究了坡莫合金薄膜表面的Fe65Co35圆盘阵列修饰对其高频磁性的影响。结果表明，不管是方形阵列或者是矩形阵列，不同圆盘密度的表面图案化修饰可以有效地对坡莫合金薄膜的阻尼进行微调，调控范围是0.008-0.013之间，而且还可以在不同的外加磁场下调控阻尼，这个结果对于实际的应用是很有价值的。此外，又通过VNA-FMR方法研究了反盘结构的坡莫合金薄膜的高频磁性。结果表明反盘结构的坡莫合金薄膜具有比较丰富的共振模式。
　　4、基于自旋霍尔效应通过电学方法来调控软磁薄膜的铁磁共振。首先，通过VNA-FMR方法研究了Pt/Permalloy双层薄膜中的自旋泵浦效应，以此证明在制备的Pt/Permalloy双层薄膜样品中自旋流可以通过其界面互相注入。在测量样品磁谱的过程中给样品通入毫安级别的直流电流。结果表明，利用自旋霍尔效应产生的自旋流对坡莫合金薄膜的铁磁共振的阻尼系数有很小程度的调控作用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1软磁材料的发展与应用

1.2软磁薄膜材料的磁谱测量方法的研究现状

1.3本论文的研究动机和结构安排

参考文献

第二章 论文研究的磁性理论基础

2.1磁性体系中的多种能量及其起源

2.2静态磁化理论

2.3磁化动力学理论

参考文献

第三章 微波原理基础

3.1传输线理论

3.2几种微波传输线

3.3矢量网络分析仪

参考文献

第四章 软磁薄膜的复数磁导率测量方法研究

4.1传统的短路微带线测试方法

4.2基于电磁感应的软磁薄膜的磁谱测量方法

4.3测试频率范围的拓展

4.4直角型CPW夹具测量软磁薄膜的磁谱

4.5本章小结

参考文献

第五章 坡莫合金薄膜中条纹畴结构的高频响应

5.1用Top-down法制备的不同厚度的坡莫合金薄膜中的条纹畴结构

5.2任意角度时的磁谱及微磁学模拟结果

5.3真空热处理对条纹畴结构的影响

5.4本章小结

参考文献

第六章 图案化对坡莫合金薄膜的高频磁性的影响

6.1坡莫合金薄膜表面的Fe65Co35圆盘修饰

6.2坡莫合金薄膜中的反盘结构

6.3本章小结

参考文献

第七章 利用电学方法调控铁磁共振阻尼的研究

7.1自旋泵浦效应（spin pumping）

7.2利用直流电调控Pt/Permalloy双层薄膜中的铁磁共振

本章小结

参考文献

第八章 总结与展望

8.1本论文主要研究工作总结

8.2存在的问题与工作展望

附录一 电化学沉积法制备FeCoP软磁薄膜及其高频磁性研究

1.1不同P浓度下制备的FeCoP薄膜

1.2真空磁场热处理过的不同P浓度下制备的FeCoP薄膜

1.3不同的热处理温度对FeCoP薄膜样品磁性能的影响

本章小结

参考文献

在学期间的研究成果

致谢