軟磁金屬薄膜面內(nèi)單軸磁各向異性與微波性能調(diào)控

徐 展，張 志，胡 芳，徐 鋒

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

特約專欄

軟磁金屬薄膜面內(nèi)單軸磁各向異性與微波性能調(diào)控

徐 展，張 志，胡 芳，徐 鋒

(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用于該領(lǐng)域的高頻軟磁材料成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。相比傳統(tǒng)塊體材料與微波鐵氧體材料，軟磁金屬薄膜有望在高頻條件下實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率,同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化、薄型化等技術(shù)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景，因而受到磁性材料和微波器件研究領(lǐng)域的一致關(guān)注。面對(duì)微波集成應(yīng)用技術(shù)向更高頻率發(fā)展的重大需求，提高材料的面內(nèi)單軸各向異性是該領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容。分別針對(duì)感生各向異性、形狀各向異性、磁彈(應(yīng)力)各向異性、交換各向異性、磁晶各向異性等不同類別，綜述軟磁金屬薄膜面內(nèi)單軸磁各向異性與微波性能調(diào)控方面的進(jìn)展。

軟磁金屬薄膜；面內(nèi)單軸各向異性；微波性能；共振頻率

Abstract：With the rapid development of information technology, the high frequency soft magnetic materials have become one of the hot research areas. Compared with the traditional bulk materials and microwave ferrite materials, the soft magnetic metallic thin films are expected to meet the technical requirements of high-performance, being lighter and thinner at the same time, and show great potentials in applications. Therefore, they attract much attention from the area of magnetic materials and microwave devices. Facing the development of integrated microwave technology toward higher frequency, to improve the in-plane uniaxial magnetic anisotropy is the key in this field. This paper summarizes the developments of the tuning of in-plane uniaxial magnetic anisotropy and microwave magnetic properties in soft magnetic metallic thin films, according to different kinds of anisotropies, including induced anisotropy, shape anisotropy, magnetoelastic anisotropy, exchange anisotropy, magnetocrystalline anisotropy, and so on.

Key words：soft magnetic metallic thin films; in-plane uniaxial magnetic anisotropy; microwave properties; resonance frequency

1 前 言

軟磁合金作為電力、信息等領(lǐng)域重要的功能材料之一，以其能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)變化，并兼具低損耗、高磁感應(yīng)強(qiáng)度等特性，而備受關(guān)注[1,2]。電子信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，推動(dòng)磁性器件向微型化、集成化、高頻化方向發(fā)展。以硅鋼、非晶軟磁等為代表的塊體軟磁合金，弛豫頻率往往低于1 MHz，其性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在工頻到MHz范圍內(nèi)的高磁導(dǎo)率，卻難以滿足信息技術(shù)領(lǐng)域GHz以上工作頻率的要求。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軟磁合金薄至薄膜范疇，通過在薄膜制備過程中加以外磁場(chǎng)誘導(dǎo)，可以感生出面內(nèi)單軸磁各向異性。當(dāng)微波信號(hào)沿磁各向異性易軸方向傳輸，電場(chǎng)分量垂直膜面時(shí)，其微波磁場(chǎng)分量沿著面內(nèi)難軸方向，相應(yīng)的自然鐵磁共振頻率在GHz以上。這一GHz以上的鐵磁共振行為，可以有效吸收微波信號(hào)，在噪聲干擾抑制器、陷波濾波器、薄膜電感等微波集成器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，如圖1所示[3-5]。

根據(jù)Kittel關(guān)系，面內(nèi)單軸磁各向異性軟磁薄膜，其共振頻率取決于飽和磁化強(qiáng)度和磁各向異性場(chǎng)[6]。在材料體系確定的前提下，飽和磁化強(qiáng)度提升空間非常有限。因此，如何提高磁各向異性場(chǎng)成為該領(lǐng)域中研究者共同思考的問題。常見的磁各向異性包括感生各向異性、形狀各向異性、磁彈(應(yīng)力)各向異性、交換各向異性、磁晶各向異性等[7]。本文分別針對(duì)不同類別的磁各向異性，綜述軟磁金屬薄膜磁各向異性和微波性能調(diào)控方面的進(jìn)展。

圖1 典型噪音抑制器整體器件結(jié)構(gòu)示意圖(a)，及其噪聲抑制效果(b)[5]Fig.1 Schematic diagram of a typical noise suppressor (a) and the effect of its noise suppression (b)[5]

2 感生各向異性調(diào)控

實(shí)現(xiàn)面內(nèi)單軸磁各向異性最常見的手段是利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)感生各向異性。在軟磁金屬薄膜中添加適量的非磁元素，由于具有不同磁性的兩相之間的偶極作用，可以有效地誘導(dǎo)感生各向異性[8-12]。這類薄膜的成分可以F-M-X形式描述，其中F為Fe，Co，Ni等鐵磁金屬及其合金，M為Nb，Hf，Ta，Zr，Al，Si等非磁性元素，X為N，O，F(xiàn)元素。這類薄膜常呈納米顆粒膜形態(tài)，不僅有效抑制了磁性晶粒的生長(zhǎng)，改善了軟磁性能，更可以提高電阻率，有利于獲得優(yōu)異的高頻性能。

Chang等人[13]通過共濺射方法制備了Co-M(M=Ti，Zr，Hf)薄膜，發(fā)現(xiàn)摻雜原子半徑大的元素更易獲得良好的軟磁性能與高頻特性，并在Co93Hf7薄膜中得到320 Oe的各向異性場(chǎng)與5.2 GHz的共振頻率。KimI[14]通過射頻磁控濺射法制備了(Fe7Co3)1-xBx薄膜，研究了B的摻雜量對(duì)薄膜磁性能的影響，發(fā)現(xiàn)B的引入減小了薄膜的矯頑力并增大了電阻率， Fe55Co28B17的感生各向異性場(chǎng)達(dá)120 Oe，鐵磁共振頻率提高至3.3 GHz。Liu Y等人[15]通過反應(yīng)濺射法制備了FeCo-Si-N納米晶薄膜，呈典型的顆粒膜結(jié)構(gòu)，其微觀結(jié)構(gòu)受Si和N的成分影響，如圖2所示，從而影響薄膜的高頻特性，薄膜的各向異性場(chǎng)與共振頻率可以分別實(shí)現(xiàn)40 Oe與 1.6 GHz范圍的調(diào)制。

圖2 不同Si含量FeCoSiN納米晶薄膜的明場(chǎng)像與選取電子衍射花樣：(a) 23%；(b) 32%; (c) 40%; (d) 45%[15]Fig.2 TEM BF micrographs and SAD patterns (inset) of the Fe-Co-Si-N film with Si concentration of (a) 23%, (b) 32%, (c) 40%, and (d) 45%

Ge S等人[16]制備了(Fe65Co35)x(SiO2)1-x薄膜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在x=0.57時(shí)，薄膜表現(xiàn)出較好的軟磁特性，易軸矯頑力低至1.7 Oe，難軸矯頑力低至4 Oe，面內(nèi)各向異性場(chǎng)為60 Oe，共振頻率達(dá)到2.4 GHz。Zhang B等人[17]在FeCoNiNbB中摻雜SiO2制備了納米顆粒薄膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適量SiO2的添加可以改善靜磁特性，即降低薄膜的矯頑力并提高單軸各向異性和電阻率，并且進(jìn)一步結(jié)合傾斜沉積將面內(nèi)各向異性場(chǎng)與薄膜共振頻率提高至580 Oe與7.8 GHz。Wang Y等人[18]通過CoFe和TiO2共濺射，制得了CoFe-Ti-O顆粒膜，對(duì)其微波特性和磁性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)面內(nèi)各向異性場(chǎng)與鐵磁共振頻率分別提高至65 Oe與3 GHz以上。Lu G等人[19]利用反應(yīng)濺射法制備了Fe-Co-Hf-O顆粒膜，薄膜中的Hf-O顆粒抑制FeCo晶粒的生長(zhǎng)，改善了軟磁性能、高頻特性并提高了電阻率，通過控制氧分壓與濺射功率可以對(duì)結(jié)構(gòu)與成分進(jìn)行調(diào)控，可獲得50 Oe以上的感生面內(nèi)各向異性，鐵磁共振頻率達(dá)到3.2 GHz。

3 形狀各向異性調(diào)控

隨著微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展完善，通過軟磁金屬薄膜的圖案化處理獲得明顯的形狀各向異性，成為獲得磁各向異性的常用方法。Chen等人[20]研究了FeTaN條形薄膜的形狀各向異性場(chǎng)對(duì)鐵磁共振頻率的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)條形寬度從500 μm減小至30 μm時(shí)，薄膜單軸各向異性由12 Oe增加至36 Oe，鐵磁共振頻率由1.38 GHz提升至2.58 GHz。Zhuang等[21]通過電鍍與光刻技術(shù)制備了圖形化的FeNi薄膜，研究結(jié)果表明當(dāng)長(zhǎng)寬比從10 ∶1提高至40 ∶1時(shí)，薄膜的各向異性場(chǎng)與鐵磁共振頻率分別從50 Oe與1 GHz增大至150 Oe與5.3 GHz。Han等人[22]研究了條形FeTa薄膜的高頻磁性、磁化翻轉(zhuǎn)機(jī)制與磁疇結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步表明了更窄的條形寬度有利于得到更高的各向異性場(chǎng)，通過對(duì)條形寬度的調(diào)制得到了250 Oe以上的單軸各向異性與 5 GHz 以上的鐵磁共振頻率。近期，Ren等人[7]結(jié)合磁控濺射與光刻技術(shù)制備了圖形化的FeNi條形薄膜，通過系統(tǒng)地調(diào)制條形寬度與間隙寬度提高形狀各向異性場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)576 Oe的面內(nèi)單軸各向異性場(chǎng)與1～10.6 GHz的超寬鐵磁共振頻率的調(diào)制。圖形化薄膜的超高各向異性場(chǎng)和易于調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)為進(jìn)一步提高薄膜高頻性能提供了新的自由度。

4 交換各向異性調(diào)控

利用鐵磁/反鐵磁交換偏置效應(yīng)引入單向的交換各向異性，可實(shí)現(xiàn)交換偏置場(chǎng)隨鐵磁層厚度的反比增強(qiáng)，對(duì)面內(nèi)有效各向異性及鐵磁共振頻率具有顯著提升效果[23-31]。利用交換偏置效應(yīng)，法國(guó)學(xué)者Acher、Queste等人[23]最先探討了Ni81Fe19/Ir23Mn77雙層膜的高頻磁導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)其共振頻率由單層膜感生各向異性的0.67 GHz提高至交換偏置后的2.7 GHz。Viala等人[24]研究了高飽和磁化強(qiáng)度Co90Fe10和Co50Fe50薄膜與Ni50Mn50反鐵磁薄膜構(gòu)成的反鐵磁/鐵磁/反鐵磁三層膜，在Ni50Mn50(50 nm)/Co90Fe10(15 nm)/Ni50Mn50(50 nm)三層膜體系中得到了高達(dá)755 Oe的有效單向磁各向異性場(chǎng)。席力等[25]通過鐵磁層厚度調(diào)制，獲得100 Oe以上范圍的交換各項(xiàng)異性的調(diào)制，在FeCoSi/MnIr/FeCoSi體系中觀察到了8.2 GHz的共振頻率。而Chen等人[26, 27]分別設(shè)計(jì)出NiO/(FeCo/NiO)10、IrMn/(FeCo/IrMn)10多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，在Fe65Co35、Fe70Co30中得到了500～600 Oe的高面內(nèi)各向異性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了9～10 GHz的鐵磁共振頻率，進(jìn)入了X波段的頻率范圍。

Phuoc等人[27-31]還研究了NiFe/IrMn、NiFe/FeMn和FeCo/IrMn多層膜及其混合體系的交換偏置效應(yīng)及磁導(dǎo)率，通過薄膜厚度(包括鐵磁層和反鐵磁層厚度)對(duì)交換偏置、面內(nèi)各向異性及鐵磁共振頻率進(jìn)行了有效調(diào)制，如圖3所示。他們還基于稀釋反鐵磁效應(yīng)探索了Al2O3稀釋IrMn對(duì)FeCo/IrMn體系交換偏置的影響，研究結(jié)果表明在特定稀釋條件下交換偏置效應(yīng)有所增強(qiáng)，共振頻率有相應(yīng)提升[31]。

圖3 不同反鐵磁層厚度[FeCo (40 nm)/MnIr (tAF nm)]10多層膜的磁導(dǎo)率譜[27]Fig.3 Permeability spectra of [FeCo (40 nm)/MnIr (tAF nm)]10multilayers with different AF thicknesses[27]

5 應(yīng)力各向異性調(diào)控

調(diào)控應(yīng)力各向異性需要控制薄膜應(yīng)力。借助磁電耦合效應(yīng)，將磁性薄膜與壓電襯底結(jié)合，利用壓電襯底的單軸應(yīng)力以及兩者之間的應(yīng)力耦合，可以實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)應(yīng)力各向異性的精確控制。

Sun等人開展了系列基于磁電耦合效應(yīng)調(diào)控軟磁薄膜應(yīng)力各向異性和微波性能的工作。最初，他們將沉積于超薄襯底Si基片上具有高磁致伸縮系數(shù)的FeGaB軟磁薄膜與PZT壓電陶瓷粘結(jié)[32]，在電場(chǎng)調(diào)制下鐵磁共振頻率由2.3 GHz上移110 MHz。而在FeGaB/Si與PMN-PT壓電單晶的粘結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)[33]中，鐵磁共振頻率的電場(chǎng)調(diào)制效應(yīng)則較為顯著，由初始的1.6 GHz上移900 MHz，相對(duì)頻移幅度Δfr/fr達(dá)56%。在上述研究中，應(yīng)力、應(yīng)變耦合通過粘結(jié)層和Si襯底傳遞，磁電耦合效果受到限制。針對(duì)這一問題，Pettiford等人[32]預(yù)測(cè)，如果壓電材料中的應(yīng)變直接傳遞到鐵磁薄膜中，將會(huì)產(chǎn)生10倍以上的頻移幅度，大大增強(qiáng)該材料鐵磁共振頻率的可調(diào)性。2009年，他們?cè)趬弘妴尉现苯映练e鐵磁薄膜，大幅提高了界面相互作用強(qiáng)度。在Fe3O4/PZT多鐵異質(zhì)結(jié)[34]中實(shí)現(xiàn)了600 Oe可調(diào)節(jié)的各向異性場(chǎng)。隨后借助PZN-PT單晶與FeGaB軟磁薄膜的直接磁電耦合，使得薄膜鐵磁共振頻率從感生各向異性產(chǎn)生的1.75 GHz大幅提升至7.57 GHz(如圖4)[35]。

圖4 不同電場(chǎng)下，F(xiàn)eGaB/PZN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)微波透射系數(shù)S21頻譜[35]Fig.4 Electric field dependence of the transmission coefficient (S21) frequency spectra of the FeGaB/PZN-PT multiferroic heterostructure[35]

蔣長(zhǎng)軍等人[36-39]通過界面的應(yīng)力誘導(dǎo)的磁電耦合獲得了各向異性場(chǎng)的線性調(diào)制。他們認(rèn)為此效應(yīng)來自壓電效應(yīng)對(duì)各向異性場(chǎng)的調(diào)控。通過將FeCo薄膜沉積在壓電陶瓷PMM-PT上，當(dāng)外加電場(chǎng)從0升至12.5 kV·cm-1，面內(nèi)各向異性場(chǎng)由8增大至200 Oe，得到鐵磁共振頻率由0.8到2 GHz的調(diào)制[38]。

除了上述磁電耦合方式外，2009年，Li等人[40]基于常見的均勻共濺射技術(shù)，發(fā)展出一種成分梯度濺射(CGS)技術(shù)，并通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了薄膜中成分、應(yīng)力、性能的梯度分布。更重要的是，通過應(yīng)力的梯度分布，實(shí)現(xiàn)了單軸的應(yīng)力(磁彈)各向異性，從而有效提高了薄膜的各向異性場(chǎng)和共振頻率。他們首先在FeCoHf薄膜中得到高達(dá)547 Oe的單軸磁各向異性場(chǎng)，共振頻率達(dá)到7 GHz以上。并在隨后的研究中指出，高Hf含量引入更大的成分應(yīng)力，導(dǎo)致更高的單軸磁彈各向異性。進(jìn)一步，他們結(jié)合成分梯度濺射與磁電耦合，在FeCoB/PZN-PT多鐵異質(zhì)結(jié)中，在外加8 kV·cm-1的電場(chǎng)下獲得高達(dá)1498 Oe的高單軸各向異性場(chǎng)，其中由成分梯度濺射貢獻(xiàn)了384 Oe磁彈各向異性場(chǎng)，磁電耦合作用貢獻(xiàn)了1114 Oe的應(yīng)力各向異性場(chǎng)，高于常用的磁場(chǎng)退火產(chǎn)生的各向異性場(chǎng)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。鐵磁共振頻率達(dá)到12.96 GHz，涵蓋C波段至X波段，進(jìn)入了Ku波段的頻率范圍[41]。

Phuoc等擅長(zhǎng)于表征微波性能的溫度依賴性。有意思的是，他們?cè)谔荻裙矠R射制備的FeCoHf、FeCoZr薄膜中觀察到了反常的磁各向異性的溫度依賴關(guān)系[42, 43]。如圖5所示，與普通濺射方法不同，梯度共濺射制備的FeCoHf薄膜各向異性場(chǎng)隨溫度升高而增大，帶來鐵磁共振頻率提高。分析表明，這應(yīng)歸因于Si襯底與FeCoHf薄膜熱膨脹系數(shù)的差異。Si襯底熱膨脹系數(shù)為2.3×10-6K-1，遠(yuǎn)小于FeCoHf薄膜的12×10-6K-1。當(dāng)溫度升高時(shí)，F(xiàn)eCoHf薄膜由于Si襯底的鉗制因而受到壓縮張力并隨溫度升高而增大。對(duì)于成分梯度濺射制備的FeCoHf薄膜，壓應(yīng)力帶來的應(yīng)力各向異性是其單軸各向異性的主要來源，所以出現(xiàn)了反常的磁各向異性的溫度依賴關(guān)系。

圖5 普通濺射與不同濺射角度下梯度濺射的FeCoHf薄膜的歸一化各向異性場(chǎng)與溫度變化關(guān)系[42]Fig.5 Temperature dependences of normalized magnetic anisotropy field (HK) of the FeCoHf films grown at different deposition angles by gradient sputtering technique and the FeCoHf film of the same composition fabricated by conventional oblique sputtering[42]

6 磁晶各向異性調(diào)控

薄膜成分結(jié)構(gòu)一旦確定，想要再調(diào)控磁晶各向異性，可以借助于傾斜濺射。傾斜濺射是一種較為傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)薄膜面內(nèi)單軸磁各向異性的手段，其原理在于利用襯底平面與薄膜沉積方向的傾斜角，使得晶粒在自陰影效應(yīng)作用下形成定向傾斜的柱狀晶，進(jìn)而增強(qiáng)單軸磁各向異性[44-49]。圖6給出傾斜基片方法示意圖，其優(yōu)勢(shì)在于角度控制更精確[47, 48]。

薛德勝課題組[44, 50]在Co基金屬薄膜體系中，實(shí)現(xiàn)了大范圍的面內(nèi)磁各向異性與寬頻段的鐵磁共振頻率的連續(xù)調(diào)節(jié)。在利用傾斜濺射的方法制備的Co90Zr10中[50]，發(fā)現(xiàn)隨著濺射角度從10°到70°增加，單軸各向異性場(chǎng)與共振頻率均升高并在55°時(shí)達(dá)到各自的峰值(517.6 Oe，7.13 GHz)，超過峰值后迅速減小，實(shí)現(xiàn)了寬至5.3 GHz的頻率調(diào)節(jié)。最近，Li等人[51]通過傾斜濺射的方法在CoFeB薄膜中獲得了608.8 Oe的高面內(nèi)單軸各向異性，并且隨著濺射角度的改變可實(shí)現(xiàn)從2.83到9.71 GHz的頻率調(diào)節(jié)，范圍涵蓋了從S到X波段。徐展等人[52]也報(bào)道了在Co2FeSi合金薄膜中通過傾斜濺射得到了626.7 Oe的高面內(nèi)單軸各向異性，從而實(shí)現(xiàn)2.8至10.8 GHz的調(diào)節(jié)，顯示該方法是制備高面內(nèi)各向異性、高共振頻率軟磁薄膜的有力手段。

圖6 基片傾斜濺射示意圖[50]Fig.6 Schematic drawing of the oblique sputtering arrangement [50]

7 多層膜層間耦合作用調(diào)控

金屬軟磁薄膜沉積過程中晶粒隨厚度的增加而長(zhǎng)大，這將改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，惡化薄膜的軟磁性能。突破薄膜厚度限制的重要途徑之一是制備磁性多層膜。在鐵磁/非磁金屬多層膜結(jié)構(gòu)中，引入界面各向異性與鐵磁層間的交換耦合作用為調(diào)控軟磁薄膜高頻特性增加了新的途徑[52-59]。薛德勝課題組在多周期的(Co90Zr10/Cu)n體系中[53]，獲得了面內(nèi)單軸各向異性的多層膜，控制CoZr層總體厚度不變同時(shí)保持Cu隔離層厚度固定為20 nm，通過改變鐵磁層的周期實(shí)現(xiàn)對(duì)界面各向異性的調(diào)控。當(dāng)n=15時(shí)，面內(nèi)各向異性場(chǎng)為142.8 Oe，鐵磁共振頻率高

達(dá)4.59 GHz，突破了單層膜的斯諾克極限。該極限值的提高源自多周期薄膜引入的界面各向異性。

除了界面各向異性，在鐵磁/非磁/鐵磁結(jié)構(gòu)中，鐵磁層間的相互作用常被忽視。影響鐵磁層相互作用最主要因素為中間非磁層的厚度。當(dāng)厚度較薄時(shí)，鐵磁層之間存在著鐵磁交換相互作用；而當(dāng)厚度較厚時(shí)，鐵磁層之間仍然存在著靜磁耦合[56, 57]。在CoNb/Ta多層膜體系[54]中，更強(qiáng)的層間耦合作用導(dǎo)致了更高的共振頻率?？刂艭oNb層厚度不變，通過改變Ta厚度調(diào)制相鄰CoNb層間的交換耦合作用，當(dāng)Ta厚度從8.0 nm減小1.8 nm時(shí)，鐵磁共振頻率和各向異性場(chǎng)分別從1.4 GHz和12 Oe增大為6.5 GHz和520 Oe。

交換耦合的鐵磁/非磁/鐵磁三明治結(jié)構(gòu)中存在兩個(gè)鐵磁共振模式，其中聲學(xué)模被廣泛應(yīng)用于射頻微波器件，而光學(xué)模由于其極低的磁導(dǎo)率制約難以應(yīng)用。最近，李山東課題組[59]在FeCoB/Ru/FeCoB結(jié)構(gòu)中通過調(diào)節(jié)單軸各向異性與反鐵磁層間交換耦合作用獲得了高達(dá)11.28 GHz 的光學(xué)模共振頻率，同時(shí)共振最大磁導(dǎo)率保持在200(圖7)，為設(shè)計(jì)多頻帶微波器件與基于高頻光學(xué)模的器件提供了新途徑。

8 各向同性微波性能的構(gòu)建

面向GHz以上頻率實(shí)現(xiàn)各向同性的高磁導(dǎo)率是高頻軟磁薄膜應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一。柴國(guó)志[60, 61]等人報(bào)道了在Ni0.5Zn0.5Fe2O4鐵氧體摻雜的CoFe薄膜中存在高達(dá)5 GHz以上鐵磁共振頻率，同時(shí)具有各向同性的磁導(dǎo)率。通過分析動(dòng)態(tài)各向異性，發(fā)現(xiàn)這種高頻特性來自條紋狀磁疇與旋轉(zhuǎn)的亞鐵磁自旋和鐵磁晶粒之間的交換耦合作用引起薄膜中高的可轉(zhuǎn)動(dòng)磁各向異性貢獻(xiàn)，其中當(dāng)鐵磁共振頻率為6 GHz時(shí)，可轉(zhuǎn)動(dòng)磁各向異性為243 Oe，遠(yuǎn)大于8 Oe的靜態(tài)單軸各項(xiàng)異性的貢獻(xiàn)。李山東課題組[62]利用旋轉(zhuǎn)疊加不同F(xiàn)e0.7Co0.3-B薄膜層的易磁化方向獲得了準(zhǔn)各向同性的多層膜。該體系中，各個(gè)單層膜具有各自獨(dú)立的單軸磁各向異性方向，而相鄰層的易磁化軸方向彼此成60o夾角。層間耦合作用與多層膜的平均效應(yīng)使得該三層膜中實(shí)現(xiàn)了鐵磁共振頻率高達(dá)3.7 GHz時(shí)磁導(dǎo)率的各向同性。最近，Pan等人[63]通過理論分析，在兩個(gè)鐵磁層的單軸各向異性場(chǎng)等效且方向正交的Co90Zr10/SiO2/Co90Zr10三層膜中得到了鐵磁共振頻率3 GHz以上各向同性的微波性能，如圖8所示，并進(jìn)一步通過改變傾斜濺射的角度調(diào)控鐵磁層的單軸各向異性，獲得了鐵磁共振頻率3.1到5.3 GHz的調(diào)制，從而可實(shí)現(xiàn)在更高工作頻率下的各向同性的高磁導(dǎo)率特性。

圖7 樣品L1與樣品L3在不同外場(chǎng)下的磁導(dǎo)率譜[59]：(a) 樣品L1在0 Oe外場(chǎng)下；(b～d) 樣品L3在0, 100和175 Oe外場(chǎng)下Fig.7 The permeability spectra of samples L1 and L3 at various fields [59]: (a) Sample L1 at 0 Oe and (b～d) sample L3 at 0, 100 and 175 Oe, respectively

圖8 30°傾斜濺射制備的Co90Zr10 鐵磁/非磁/鐵磁結(jié)構(gòu)三層膜與Co90Zr10單層膜的磁導(dǎo)率最大值的角度變化關(guān)系 [63]Fig.8 The θ dependence of permeability maximum (μ″) of the Co90Zr10 FNF films and the Co90Zr10 single layer fabricated by 30° oblique deposition [63]

9 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的微波性能的關(guān)鍵在于調(diào)制金屬軟磁薄膜的面內(nèi)單軸磁各向異性場(chǎng)。近年來，研究人員充分利用各類不同的磁各向異性機(jī)制，甚至是綜合利用各類不同的磁各向異性機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)各向異性場(chǎng)以及鐵磁共振頻率的大幅提高，為在更高頻率微波領(lǐng)域應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，將推動(dòng)軟磁金屬薄膜在信息通訊領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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(編輯 惠 瓊)

Tuning of In-Plane Uniaxial Magnetic Anisotropy and the Microwave Properties in Soft Magnetic Metallic Thin Films

XU Zhan, ZHANG Zhi, HU Fang, XU Feng

(School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

O482.54

A

1674-3962(2017)09-0609-07

2017-01-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51271093，51571121)

徐 展，男，1991年生，博士研究生

徐 鋒，男，1978年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: xufeng@njust.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.09.01