一种磁性薄膜噪声抑制器带宽的调制方法

摘要

本发明提供了一种磁性薄膜噪声抑制器带宽的调制方法，属于磁性材料与元器件技术领域。首先采用薄膜沉积工艺并在外磁场H1作用下，在基片上沉积[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜；然后外加大小大于交换耦合多层膜的交换偏置场H

说明书

技术领域

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，具体涉及一种磁性薄膜噪声抑制器 带宽的调制方法。

背景技术

磁性薄膜噪声抑制器是利用高频软磁薄膜的铁磁共振效应来实现高频噪声 信号抑制的一种元器件。该类噪声抑制器一般采用将高频软磁薄膜集成在传输线 或制备在一定的基底上然后放置于共面波导传输线上制得，如图1所示。当沿传 输线传播的高频电磁噪声信号经过磁性薄膜电磁噪声抑制器时，以某一个频率为 中心，在一定频带内出现衰减，从而达到抑制高频噪声信号的目的。对于某一高 频软磁薄膜其具有特定的共振频率，当薄膜的共振频率与通过它的微波场频率相 等时，高频软磁薄膜由于共振效应将会吸收经过它的微波场功率然后通过阻尼作 用而损耗。因此，利用其制成薄膜噪声抑制器后，当传输线传输的高频噪声信号 频率与薄膜的共振频率相当时，就能对这个频段的高频电磁噪声产生吸收抑制的 作用。

由于薄膜电磁噪声抑制器的抑制频率及带宽均由其中的高频软磁薄膜的共 振频率及共振线宽决定，因此，当薄膜制备完成后其抑制频率及抑制带宽即已确 定。在磁性薄膜噪声抑制器中采用的高频软磁薄膜主要有铁基、钴基、铁钴基软 磁(颗粒)薄膜及交换耦合多层膜。其中，交换耦合多层膜是利用[铁磁层/反铁 磁层]体系(其中铁磁层选用钴基、铁基、铁钴基软磁薄膜)产生的交换偏置场 来提升钴基、铁基、铁钴基软磁薄膜的各向异性场，可在利用它们高饱和磁化强 度的条件下将薄膜的应用频段提升至微波段甚至更高。因此，[铁磁层/反铁磁 层]n交换耦合多层膜是目前高频段中应用较广泛的一类材料。在[铁磁层/反铁 磁层]n交换耦合多层膜体系中，薄膜的共振频率及抑制带宽主要由该体系的交 换偏置场决定，且当[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜制备完成后，其交换 偏置场的大小就已确定。根据高频软磁薄膜频率特性的Kittel公式： $f_{FMR}=\frac{\gamma }{2\pi }\sqrt{(H_k-H_{ex})\left(\right(H_k-H_{ex}-4{\mathrm{\pi M}}_3})$(其中：γ为旋磁比；H_k为薄膜本身 的单轴各向异性场；H_ex为交换偏置场；M_s为薄膜的饱和磁化强度)，一确定大 小的交换偏置场对应一确定大小的共振频率f_FMR。因此，利用其所制备的噪声抑 制器也就只能实现某一确定频段的噪声信号的抑制。然而在目前的电路系统中， 高频噪声信号的频率范围较宽，因此，若能按需要调整噪声信号抑制频段及展宽 抑制频段将大大提高薄膜噪声抑制器的应用灵活性。

发明内容

本发明提供了一种磁性薄膜噪声抑制器带宽的调制方法，在制备得到基于 [铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜的薄膜噪声抑制器后，通过自旋转移效应调 制[铁磁层/反铁磁层]n多层膜中顶部[铁磁层/反铁磁层]单周期的交换偏置场，基 于顶部[铁磁层/反铁磁层]单周期交换偏置场的改变来调制交换耦合多层膜的共 振频率和共振线宽，从而实现对磁性薄膜噪声抑制器带宽的调制。本发明可在薄 膜噪声抑制器制备完成后，根据实际需要调整噪声信号抑制频段及展宽噪声抑制 器的抑制频段，可大大提高薄膜噪声抑制器的应用灵活性。

本发明的技术方案如下:

一种磁性薄膜噪声抑制器带宽的调制方法，包括以下步骤：

步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场H1作用下，在基片上沉积[铁磁层/ 反铁磁层]n(n＝1～30)交换耦合多层膜；

采用薄膜沉积工艺沉积[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜时，所述外磁场 H1的方向沿膜面，大小在50Oe～300Oe之间；所得的[铁磁层/反铁磁层]n交换耦 合多层膜由于铁磁层与反铁磁层之间的钉扎作用，会产生沿外磁场H1方向的交 换偏置场H_ex1；

步骤2：对步骤1得到的交换耦合多层膜施加外磁场作用，所述施加的外磁 场H2的大小为大于交换耦合多层膜的交换偏置场H_ex1、方向与步骤1所述交换 耦合多层膜交换偏置场H_ex1方向相反；同时，在所述交换耦合多层膜表面沿步骤 2施加的外磁场H2方向施加脉冲电流；即可实现对磁性薄膜噪声抑制器带宽的 调制。

进一步地，步骤1所述基片为Si基片、玻璃基片等；所述铁磁层材料为Ni、 Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等；所述反铁磁层材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn 等。

进一步地，步骤2所述施加的脉冲电流的电流密度大于10⁶A/cm²，作用时 间为10～100ms。

本发明的原理如下：

当在交换耦合多层膜表面施加脉冲电流时，脉冲电流经过顶部[铁磁层/反铁 磁层]单周期，电流会因为顶部[铁磁层/反铁磁层]单周期中铁磁层的作用而极化， 极化后电子的自旋取向将沿外磁场H2的方向取向。当该极化电流流经顶层[铁磁 层/反铁磁层]时，其所携带的自旋角动量将转移给顶层[铁磁层/反铁层]单周期界 面的未补偿自旋，该过程称为自旋转移过程。当该极化电流大于[铁磁层/反铁层] 界面未补偿自旋翻转的阈值电流(一般为大于10⁵A/cm²)大小时，就会使界面 未补偿自旋的取向沿外磁场H2的方向发生翻转；且界面未补偿自旋翻转的角度 大小与流经顶层[铁磁层/反铁磁层]的电流大小呈正比。交换偏置场的大小决定于 界面未补偿自旋的大小。由于[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜制备过程中产 生的未补偿自旋沿外磁场H1的取向，而脉冲电流作用时采用的外磁场H2与H1 的方向正好相反，自旋转移作用会使顶层[铁磁层/反铁磁层]的未补偿自旋向外磁 场H2方向翻转，使得沿原外磁场H1方向的界面未补偿自旋减小，因而顶层[铁 磁层/反铁磁层]单周期薄膜沿外磁场H1方向的交换偏置场H_ex2将小于最初的 H_ex1。然而，在[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜中，大部分电流由于顶层反 铁磁层的分流作用，被限制在顶部[铁磁层/反铁磁层]中，而底部的[铁磁层/反铁 磁层]n-1薄膜中通过的自旋极化电流密度无法达到大于10⁵A/cm²量级，不能满 足[铁磁层/反铁层]界面未补偿自旋翻转的阈值电流要求，因而不会发生改变，其 交换偏置场仍为H_ex1。由于沿薄膜表面注入的脉冲电流仍有一小部分会耗散在底 部[铁磁层/反铁磁层]n-1交换耦合多层膜中，因此，沿膜面所施加的脉冲电流需 要大于10⁶A/cm²，才能保证在顶部[铁磁层/反铁磁层]薄膜中流过满足翻转界面未 补偿自旋的阈值电流的要求。

本发明在交换耦合多层膜中施加脉冲电流后，在[铁磁层/反铁磁层]n交换耦 合多层膜中出现了两个不同大小的交换偏置场H_ex1和H_ex2，根据高频软磁薄膜频 率特性的kittle公式，该交换耦合多层膜将出现两个共振峰，当这两个共振峰部 分重叠时，即可实现展宽磁性薄膜噪声抑制器共振吸收带宽的目的。

本发明的有益效果为：

本发明利用自旋转移效应改变[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜顶部[铁 磁层/反铁磁层]单周期薄膜的交换偏置场，在[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层 膜中形成两个不同大小的交换偏置场，根据高频软磁薄膜频率特性的kittle公式， 该交换耦合多层膜将出现两个共振峰，当这两个共振峰部分重叠时，即可实现展 宽及调整磁性薄膜噪声抑制器共振吸收带宽的目的。本发明方法减少了工艺步 骤，降低了制备难度，可在多层薄膜制备完成后对其共振频段进行调制，大大提 高了磁性薄膜噪声抑制器的应用灵活性。

附图说明

图1为磁性薄膜噪声抑制器的结构示意图；

图2为[NiFe/IrMn]₁₀交换耦合多层膜沉积态(电流脉冲与外磁场H2作用前) 的磁滞回线；

图3为实施例中[NiFe/IrMn]₁₀交换耦合多层膜电流脉冲与外磁场H2作用后 的磁滞回线；

图4为实施例磁性薄膜噪声抑制器制备态及自旋转移效应作用后传输性能 曲线对比；其中，1为磁性薄膜噪声抑制器自旋转移效应作用后的传输性能曲线； 2为磁性薄膜噪声抑制器制备态传输性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

一种磁性薄膜噪声抑制器带宽的调制方法，包括以下步骤：

步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场H1的作用下，在基片上沉积[铁磁层 /反铁磁层]n交换耦合多层膜；

其中，所述[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜制备时所选基片为高阻Si 基片，铁磁层材料为NiFe，反铁磁层材料为IrMn，n＝10；沉积时的外磁场H1 大小为300Oe，方向沿基片表面；

采用振动样品磁强计测试步骤1得到的交换耦合多层膜的磁滞回线，得到的 磁滞回线如图2所示，并从磁阻曲线上确定交换偏置场H_ex1的大小(该样品交换 偏置场的大小为238Oe，即回线中心点偏离零场的大小)。然后将该薄膜放置于 特征阻抗为50Ω的共面波导，其中，共面波导表面镀100nm厚的SiO₂层，用于 交换耦合多层膜与共面波导之间的绝缘；并采用美国CASCADE公司M150型 RF探针台及安捷伦N5230A矢量网络分析仪测试该磁性薄膜噪声抑制器初始制 备态的S₂₁传输特性参数。

步骤2：步骤1得到的[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜的磁滞回线和S₂₁传输特性参数测试后，对步骤1得到的交换耦合多层膜施加外磁场作用，所述施 加的外磁场H2的大小为大于交换耦合多层膜的交换偏置场H_ex1、方向与步骤1 所述交换耦合多层膜交换偏置场H_ex1方向相反，本实施例中施加的外磁场H2为 500Oe；同时，在所述交换耦合多层膜表面沿步骤2施加的外磁场H2方向施加 一脉冲电流，脉冲电流密度为3×10⁶A/cm²，脉冲电流作用时间为10ms。

在外磁场H2以及脉冲电流作用完成后，采用振动样品磁强计沿初始沉积磁 场H1的方向测试磁滞回线，结果如图3所示。由图3可知，磁滞回线上出现了 两个不同交换偏置场的磁滞回线；其中，较大的磁滞回线I其交换偏置场仍为初 始制备态时的H_ex1，而较小的磁滞回线II对应顶部[铁磁层/反铁磁层]单周期薄膜 在自旋转移效应作用后的交换偏置场H_ex2，其大小为138Oe。同样，与步骤1相 同，将电流脉冲作用后的薄膜放置于特征阻抗为50Ω的共面波导上，测试该磁 性薄膜噪声抑制器的S₂₁传输特性参数，其与初始制备态薄膜噪声抑制器的S₂₁传输特性参数对比图如图4所示。由图4可知，当[NiFe/IrMn]₁₀交换耦合多层膜 经过电流脉冲所产生的自旋转移效应作用后，其噪声抑制带宽展宽，从初始制备 态的Δf₁＝1.08GHz展宽到了Δf₂＝3.48GHz(其中抑制带宽以S₂₁传输参数-20dB 处的带宽计)，大大提高了磁性薄膜噪声抑制器的应用灵活性。