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纳米晶薄膜芯材及其应用基础研究

蒋向东  
【摘要】:IT系统正向高功率密度化、高频宽带化和大集成阵列化方向发展,要求在更小的基片上集成更多的元器件,除了依靠高密度集成技术的发展外,非半导体器件的共同集成成为制约世界IT发展的瓶颈。在元器件本身必须小型化和薄膜化的进程中,作为微磁器件中最重要的薄膜电感器,尤其能和半导体器件一起集成的薄膜电感器,在现代信息领域中有着广泛的应用前景,一直是国内外研究的热点。同时以薄膜芯材为基础的集成薄膜器件在高速信息传输系统发展进程中发挥着至关重要的作用,因而成为电子信息领域最具吸引力的研究方向之一。 软磁薄膜芯材不同于一般的软磁体材。为了维持其优良的频率特性,软磁薄膜的电阻率和饱和磁化强度都要很高,并且具有适度大小的单轴平面各向异性。传统的晶态金属磁性材料具有大的饱和磁感强度而电阻率很小,而铁氧体磁性材料虽然具有大的电阻率,但是饱和磁感强度很小。显然这两种材料很难满足微磁器件对材料的要求。近年来,以Fe(Co)基为主的纳米晶软磁合金膜和纳米晶软磁颗粒膜的研究成为解决上述不足的突破点。经设计与合成的Fe(Co)软磁薄膜同时具备高电阻率、高饱和磁感应强度及宽频带范围的高磁导率特性,是十分理想的微磁器件用磁芯材料。 本论文基于单轴各向异性理论设计了几种不同的纳米晶薄膜芯材并对其做了较为系统的研究,提出了全新的薄膜电感的设计理念,并检验了薄膜材料的电感性能。整个论文在理论模型、软件模拟、材料制备、器件设计和性能上都作了探索性和创新性的工作,全文的研究内容如下: (1)详细分析了非晶薄膜合金材料的晶化特点、晶化类型以及等温和变温晶化动力学原理及模型。通过对非晶合金薄膜晶化过程的剖析,提出一种获得纳米晶以及细化软磁薄膜晶粒的方法—快速循环退火法(RRTA)。首次从无规双相各向异性模型和快速循环退火法两方面入手,建立了RRTA纳米晶化动力学模型,给出了软磁薄膜的磁电性能与纳米晶化工艺的关系。建立了软磁薄膜高频阻抗效应的理论分析和模拟。 (2)首次研究了CoNbZr非晶软磁薄膜的等温、变温晶化动力学,并进行了结构分析。运用MC方法,编制金属软磁薄膜等温晶化过程的软件模拟系统。首次利用脉冲闪烁热处理方法纳米晶化非晶CoNbZr薄膜,从微结构、磁电性能和磁畴结构等方面系统的分析了CoNbZr纳米尺度效应。实验表明当晶粒大小为10nm左右时,纳米晶软磁薄膜的高频阻抗出现临界跃变,这一结果可归结为纳米尺度效应。 (3)采用掺杂稀土离子Dy~(3+),改进和提高纳米晶CoNbZr薄膜平面各向异性以


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1 蒋向东;纳米晶薄膜芯材及其应用基础研究[D];电子科技大学;2005年
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