非晶FeCo基软磁合金薄膜各向异性及动态磁性能研究

摘要

非晶 FeCo基合金薄膜在 GHz频段具有优异的电磁性能，相较于传统铁氧体与坡莫合金材料综合优势明显。为满足各种应用背景对非晶FeCo基软磁合金薄膜高共振频率和高磁导率的需求，研究相关磁化机理为其设计与制备提供理论指导显得尤为重要。 非晶FeCo基软磁合金薄膜中，有效各向异性场是决定薄膜静态及动态磁性能的重要因素。为了阐述不同磁体的有效各向异性场，研究者们提出了局域各向异性、表面各向异性、随机各向异性、界面各向异性等各向异性物理模型，且通常将有效各向异性场等效在一个方向上，使分析相对简化。 为了更本质的分析与解释薄膜的磁性能，本论文以磁体能量为决定有效各向异性场的最根本因素，从能量角度构建相应物理模型，针对膜厚、界面、晶粒、微区结构等因素对非晶FeCo基软磁薄膜各向异性场以及动态磁性能的影响进行了系统的讨论与研究，进一步提出了以薄膜体系内部能量调控自然共振频率的方法，从而实现薄膜的多共振峰、宽频带、高共振频率等特性。本论文的主要研究工作如下： 1.发现非晶FeCo基软磁合金薄膜在80nm~100nm的厚度范围内存在共振频率变化的规律特性转变点，并基于对静磁能量的分析提出了畴壁结构在此过程中的作用。在特征厚度范围内，非晶薄膜畴壁结构转变，使得共振频率随膜厚的变化不再具有规律性。畴壁因素对共振频率影响的研究为薄膜厚度选择提供了指导。 2.通过在非晶FeCo基软磁合金薄膜与Si衬底间引入非晶Ta缓冲层，实现对面内、面外各向异性的调控，从而有效提高薄膜共振频率。借助薄膜共振频率的温度特性，系统分析了面内内应力对各向异性场及共振频率的影响，将共振频率从2GHz提升到6GHz附近。Ta与FeCo层间的界面效应使得薄膜产生垂直各向异性，垂直各向异性的存在使得共振频率对温度敏感，从而为薄膜共振频率的温度稳定性提供了理论依据。 3.基于对非晶FeCo基软磁合金薄膜的退火处理，系统研究了非晶薄膜微结构与磁性质随退火温度升高的变化过程，掌握了薄膜中晶粒生长与颗粒形成过程中各向异性的演变。晶粒的生长使得磁晶各向异性逐步取代感生各向异性，单个颗粒的形成使得薄膜的形状因子发生改变，通过对薄膜的结晶度以及颗粒化控制，可以使得薄膜在0.5GHz~5.5GHz的宽频带范围内，磁导率虚部维持在50以上，且阻尼达到0.18。 4.提出了反点阵结构非晶FeCo基软磁合金薄膜的微区划分方法，并建立了各微区自然共振频率与各向异性的关系。反点阵薄膜中，同时存在着结构引起的形状各向异性和诱导场引起的感生各向异性，两者共同决定了磁畴结构，从而决定了薄膜的有效各向异性以及共振频率。通过对反点阵的设计，可以提高薄膜的共振频率，并且实现宽频、多峰等特性。 本论文的研究工作对非晶FeCo基软磁合金薄膜的制备具有指导作用，所提出的各向异性场以及动态磁性能分析方法为针对不同需求制备相应磁特性的非晶FeCo基软磁合金薄膜提供了设计思路。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 软磁合金材料及其应用

1.2 非晶软磁合金薄膜的主要磁能量

1.3 非晶软磁合金薄膜的国内外研究现状

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 基本理论及分析方法

2.1薄膜各向异性的分析

2.2 薄膜的微波磁共振基本原理

2.3 薄膜静磁特性的分析

2.4 微磁学仿真软件OOMMF

2.5 薄膜动态磁导率的短路微带线测试方法

2.6 本章小结

第三章 薄膜厚度对薄膜各向异性及动态磁性能的影响

3.1 非晶软磁薄膜制备工艺

3.2 膜厚变化对薄膜动态磁性能的影响

3.3 膜厚变化对薄膜各向异性的影响

3.4 本章小结

第四章 Ta缓冲层对薄膜各向异性及动态磁性能的影响

4.1 多层薄膜中内应力与磁性能的关系

4.2 Ta层引入后薄膜动态磁性能的变化

4.3 Ta层引入后薄膜各向异性的变化

4.4 本章小结

第五章 退火对薄膜各向异性及动态磁性能的影响

5.1 不同结构软磁薄膜的差异

5.2 退火对非晶薄膜结构的影响

5.3 退火对薄膜磁性能的影响

5.4 本章小结

第六章 薄膜微区结构对薄膜各向异性及动态磁性能的影响

6.1 反点阵薄膜的特性及制备

6.2 微区结构对薄膜各向异性的影响

6.3 反点阵薄膜的动态磁性能

6.4 反点阵薄膜的微磁学仿真

6.5 本章小结

第七章 全文主要结论与展望

7.1 主要结论

7.2 研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果