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Fe基软磁薄膜的高频磁性研究

曹德让  
【摘要】:软磁材料具有高的饱和磁化强度、高磁导率、低损耗等优良特性,在工业和日常生活中广泛应用于计算机磁芯、磁头、变压器、互感器等电子元器件。近年来,随着电子信息产品的不断发展以及磁性元件需求的日益增长,软磁材料逐渐向高频化、小型化、集成化、薄型化方向发展,磁性材料不但要满足高频率,还得具有低损耗、耐久性、可靠性、低成本和抗电磁干扰等特点,,因此软磁薄膜在高频的应用方面的研究尤为重要。在这些应用中,通常均希望材料有高的饱和磁化强度4πMs、高的磁导率μ和低的矫顽力Hc。在软磁材料中,Fe基软磁材料的4πMs相对较大,满足了软磁薄膜在高频应用的条件之一。其中,FeCo合金具有高的饱和磁化强度和居里温度,FeNi合金的软磁性优异、磁导率高、矫顽力低,FeGa合金的延展性和抗压性以及磁致伸缩较好。这些软磁薄膜在磁存储设备、磁感应和微波应用方面有很重要的现实意义和潜在价值,因此,研究这些薄膜的各向异性以及高频磁性就变得十分重要和具有意义。本论文中薄膜主要使用电化学沉积和磁控溅射的制备方法,根据不同薄膜的特性,分别对FeCo薄膜、FeNi薄膜和FeGa薄膜的各向异性及其高频磁性进行了研究。本论文的主要结果如下:研究了以Fe、Co、Ni及其合金为主的Fe基软磁薄膜中,电沉积过程中磁场诱导薄膜各向异性的情况,并研究了诱导磁场的强度和方向对FeCo薄膜各向异性的影响;在非常小的诱导磁场下FeCo薄膜并不能诱导出很好的面内单轴各向异性,改变诱导磁场的方向由面内转向面外,薄膜也可诱导出面内单轴各向异性。另外,磁场不能对厚度较小的FeCo薄膜诱导出很好的面内单轴各向异性;通过电沉积制备的FeCo合金与氧化石墨烯RGO复合的薄膜,提高了薄膜的高频性能。利用VSM、ESR和VNA-FMR三种方法测量薄膜4πMs私和Hk结果表明:通过VSM得到的4πMs和Hk的值比从ESR和VNA-FMR得到的误差大;对于较薄的薄膜,从ESR得到的4πMs的值比VNA-FMR的准;对于较厚的薄膜从这两种方法得到的4πMs的值都准确。另外,薄膜的面内各向异性对ESR和VNA-FMR方法所得的4πMs的值影响不大,对Hk值的影响比较大。对不同厚度FeNi薄膜的面外铁磁共振谱说明,随着测量角度向面外转动,共振场逐渐增大,并且出现表面模式和体模式。当FeNi薄膜出现条纹畴时,共振场便会随着膜厚的进一步增加而减小。FeNi薄膜出现条纹畴的临界厚度大约为90 nm,而且条纹畴薄膜的垂直各向异性常数、品质因子、畴宽和总转动各向异性随着薄膜厚度的增加而增大,但是薄膜在面内的动态各向异性随着厚度的增加而减小。通过对条纹畴的微磁学模拟的结果也反应了薄膜从无条纹畴到有条纹畴磁矩和磁畴的分布变得复杂,随磁场的翻转需要的能量变大,饱和场也逐渐变大。另一方面,我们发现具有条纹畴FeNi的薄膜,不仅在静态中会有磁滞现象,其动态磁化也会表现很明显的磁滞,这种磁滞与条纹畴在该磁场下对应的有效磁化强度的多少有关。另外,在比较厚的不同成分FeNi薄膜中,纯Fe和纯Ni薄膜中不容易出现条纹畴结构,而FeNi合金的薄膜则均有条纹畴结构。电沉积获得Fe_(80)Ga_(20)磁致伸缩薄膜溶液的组成为FeSO_4 · 7H_2O(0.04 mol/L)、Ga_2(SO_4)_3.16H_2O(0.05mol/L)、硼酸(30g/L)、抗坏血酸(5g/L)、柠檬酸钠(25 g/L),溶液的pH值用NaOH调至4.8,沉积电位为-1.3 V。对其磁性的表征显示具有很好面内各向异性能的电沉积FeGa薄膜、斜溅射FeGa薄膜和斜溅射FeGaN薄膜由于其阻尼太大,薄膜均没有很好的高频磁性。最后通过B元素掺杂的FeGaB薄膜降低了薄膜的阻尼因子,并改善了薄膜的高频软磁性能。


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