GHz軟磁顆粒膜的電磁性能和應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和節(jié)省空間，一個(gè)顯著地趨勢(shì)是電子元器件的工作頻率和集成度不斷的在提高。作為電子元器件關(guān)鍵組成部分之一的磁性元器件必然要適應(yīng)這種趨勢(shì)而向高頻化、小型化方向發(fā)展。工作在1GHz以上的高磁導(dǎo)率磁性材料是發(fā)展磁性電子器件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)大集成的瓶頸。但是傳統(tǒng)的大塊材料受自身性質(zhì)的限制，不能同時(shí)具有超過(guò)1GHz以上的工作頻率和高的磁導(dǎo)率。在這樣的背景和潛在需求的推動(dòng)下，可以工作于射頻甚至微波頻段

2、的磁性納米顆粒薄膜受到了特別的關(guān)注，它的潛在應(yīng)用之一就是薄膜電磁噪聲抑制器。
　　微型化磁性電子器件對(duì)磁性薄膜性能的具體要求是：(1)GHz的工作頻率；(2)GHz的工作頻率下的高磁導(dǎo)率；(3)良好的電磁匹配；(4)納米尺度下的性能調(diào)控。圍繞以上要求，用反應(yīng)磁控濺射法制備了FeCoHfO薄膜，射頻磁控濺射法制備了NiFe-NiZnFe2O4和FeCo-SiO2薄膜，探索影響薄膜性能的各種因素和物理機(jī)制，找出適合于實(shí)際應(yīng)用的最佳薄膜

3、材料和最優(yōu)的制備工藝；然后將薄膜應(yīng)用于噪聲抑制器，研究影響噪聲抑制效果的各種因素。
　　用反應(yīng)濺射法制備了FeCoHfO薄膜，研究了氧分壓、濺射功率和退火對(duì)薄膜性能的影響。固定濺射功率和壓強(qiáng)，隨著氧分壓PO2的增加，薄膜的飽和磁化強(qiáng)度一直減小而電阻率一直增大；在PO2＜5.1％時(shí)，薄膜的矯頑力隨著氧分壓的增加而減小，PO2＞5.1%時(shí)隨著氧分壓的增加而變大，面內(nèi)各向異性有相反的趨勢(shì)。在PO2=5.1%時(shí)獲得了最佳性能的薄膜，微觀結(jié)

4、構(gòu)是顆粒膜結(jié)構(gòu)，晶粒平均大小約為9nm。此時(shí)薄膜的飽和磁化強(qiáng)度是18.3kG，電阻率高達(dá)2675??cm，磁譜是典型的共振型磁譜，共振頻率是3.1GHz，初始磁導(dǎo)率為300。在氧分壓很低或者較高時(shí)，磁譜則顯示出弛豫特性。固定濺射壓強(qiáng)為0.4Pa，氧分壓的大小為5%，濺射功率能明顯改變薄膜的結(jié)構(gòu)、成分和性能。隨著濺射功率的增加，薄膜中磁性FeCo的比例逐漸增加而非磁性成分減小，薄膜的矯頑力急劇的減小，超過(guò)200W后隨著濺射功率的增加又逐漸

5、增加，其最小值為1Oe；薄膜的電阻率隨著濺射功率的增加一直減小，在功率為200W時(shí)是2500??cm；薄膜的共振頻率隨著濺射功率的增加先增加而后減小，在200W時(shí)達(dá)到最大3.2GHz，變化范圍為0.92GHz-3.2GHz。固定最佳的濺射功率200W，氧分壓5%，隨著濺射壓強(qiáng)的增加，薄膜的矯頑力一直增大，壓強(qiáng)為0.8Pa時(shí)，完全沒(méi)有軟磁性能；薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨濺射壓強(qiáng)的增加單調(diào)減小，而電阻率隨濺射壓強(qiáng)的增加單調(diào)增大。
　　為了進(jìn)

6、一步提高薄膜高頻性能和簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作，用復(fù)合靶制備了NiFe-NiZnFe2O4和 FeCo-SiO2薄膜。x?0.13時(shí)(Ni80Fe20)1-x(Ni0.5Zn0.5Fe2O4)x薄膜有最佳的軟磁和高頻性能，矯頑力是2.5Oe，共振頻率是2.9GHz，在低頻下磁導(dǎo)率的實(shí)部超過(guò)150。薄膜此時(shí)的飽和磁化強(qiáng)度是9.8kG，電阻率是1500???cm。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)濺射功率對(duì)薄膜的電磁性能有很大影響。對(duì)于FeCo-SiO2薄膜，隨著摻雜SiO

7、2的增加，飽和磁化強(qiáng)度減小而電阻率增加，薄膜的共振頻率也隨著發(fā)生變化，變化范圍為1.5GHz-4.05GHz。薄膜最佳性能為，共振頻率4.05GHz，磁導(dǎo)率的實(shí)部在2.8GHz以前基本保持120不變；其易軸和難軸方向的矯頑力分別是2.5Oe和4.5Oe，此時(shí)薄膜的電阻率和飽和磁化強(qiáng)度分別是1600???cm和16.4kGs，透射電鏡(TEM)分析表明薄膜中FeCo晶粒的平均大小為3nm左右。在最佳條件下制備的FeCo-SiO2薄膜，當(dāng)膜

8、厚在50nm-1200nm之間變化時(shí)，薄膜的矯頑力和的磁譜有明顯的變化，但是薄膜仍然有良好的高頻和軟磁性能。薄膜磁譜虛部的半高寬?f和有效阻尼系數(shù)?eff隨著膜厚的增加單調(diào)變大，這意味著薄膜存在較大的非本征阻尼貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明，不同厚度Cu緩沖層對(duì)FeCo-SiO2薄膜的矯頑力大小沒(méi)有明顯改善，但是對(duì)薄膜動(dòng)態(tài)磁性能的影響較大。薄膜磁譜在 Cu的厚度為2nm有最低的共振頻率、最大的阻尼系數(shù)和虛部半高寬，原因和薄膜表面或者界面的粗糙度增加

9、有關(guān)。
　　選擇綜合性能最優(yōu)的FeCo-SiO2薄膜，對(duì)它的的電磁噪聲抑制特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著薄膜厚度的增加，對(duì)信號(hào)的衰減增大，薄膜厚度為1200nm時(shí)衰減達(dá)到接近60dB；保持FeCo-SiO2薄膜厚度不變，信號(hào)衰減的幅度隨絕緣層厚度的增加而明顯減小，但是噪聲抑制共振頻率沒(méi)有發(fā)生明顯變化；噪聲抑制共振頻率和和薄膜的自然共振頻率密切相關(guān)，說(shuō)明微波信號(hào)的衰減主要來(lái)源于薄膜的鐵磁共振損耗，而不是由分布電容和分布電感引起的L-