脈沖電流快速退火對NiFe/FeMn薄膜磁性能的影響
發(fā)布時間：2021-06-05 10:33
電子設(shè)備集成化、微型化的發(fā)展趨勢下,在GHz頻段表現(xiàn)出的優(yōu)異動態(tài)磁特性的鐵磁薄膜材料,在抗電磁干擾、微波吸收器件等高頻領(lǐng)域備受青睞。通過鐵磁薄膜各向異性的調(diào)節(jié),而進一步提高其共振頻率一直是本領(lǐng)域的研究者的重要方向之一。基于鐵磁/反鐵磁交換耦合的交換偏置薄膜相比于鐵磁薄膜引入了單向各向異性和旋轉(zhuǎn)各向異性,因此其具備更好的可調(diào)控性。本文以[NiFe（15 nm）/FeMn（10 nm）]交換偏置雙層膜為研究對象,重點開展脈沖電流快速退火對其磁性能,特別是其旋轉(zhuǎn)各向異性及共振頻率的影響。主要取得了如下結(jié)果:1.成功搭建了磁性薄膜脈沖電流快速退火平臺,包括真空退火爐、直流電源和脈沖電流發(fā)生裝置;退火過程中本底真空優(yōu)于1×10-4 Pa;通過電容器基脈沖電流發(fā)生裝置可以較為精確地控制樣品通電時間在0.1 s以內(nèi),且不受直流源限制電流的影響,可以實現(xiàn)樣品的溫度在室溫1000℃范圍內(nèi)調(diào)整。2.在反向磁場中,4045 V臨界退火電壓時成功制備不飽和磁化翻轉(zhuǎn)的交換偏置薄膜樣品,通過振動樣品磁強計測量發(fā)現(xiàn)其交換偏置場靜態(tài)各向異性場達到了最小...
【文章來源】：西南科技大學(xué)四川省
【文章頁數(shù)】：127 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
B摻雜量對FeGaB薄膜磁性能的影響[38]
第一章緒論3圖1-1B摻雜量對FeGaB薄膜磁性能的影響[38]（2）鐵氧體薄膜較高的飽和磁化強度、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)以及低損耗等特性是亞鐵材料鐵氧體所具有的特征[45-46]。盡管研究發(fā)現(xiàn)鐵氧體材料的飽和磁化強度總體上略低于磁性金屬合金薄膜，但其在較低的頻率范圍內(nèi)可以較好的控制渦流損耗。由于其磁性能比金屬磁性薄膜材料較差，直到最近，迅猛發(fā)展的無線電通訊技術(shù)等技術(shù)使得該材料逐漸吸引了研究者的注意[47]。鐵氧體材料應(yīng)用于超高頻范圍，始于Snoek對它的系統(tǒng)研究[48]。MrugeseDesai等人采用磁控濺射的方法制備Ni-Zn薄膜，研究其磁性能和微結(jié)構(gòu)受退火溫度影響及機制，發(fā)現(xiàn)在退火溫度600℃時，尖晶石相開始明顯出現(xiàn)，相比于塊體Ni-Zn材料，Ni-Zn薄膜的飽和磁化強度只有塊體的60%左右[49]。Matsushita研究團隊發(fā)現(xiàn)Ni-Zn薄膜的初始實部磁導(dǎo)率~45，共振頻率遠高于塊體值（1.2GHz），突破了Snoek極限[50]。在國內(nèi)，電子科技大學(xué)研究學(xué)者通過退火，使得它們制備的YIG薄膜展現(xiàn)了高達1770Oe的飽和磁化強度[51]（圖1-2）。最近，蘭州大學(xué)的研究者采用激光脈沖沉積(PLD)技術(shù)，以單晶MgO(001)為襯底，通過薄膜生長溫度調(diào)控，高質(zhì)量的LiFe5O8鐵氧體薄膜薄膜被成功制備，發(fā)現(xiàn)磁電阻測試曲線的角度依賴可能歸因于自旋霍爾磁電阻；采用鐵磁共振測試的辦法發(fā)現(xiàn)外電場可以對該薄膜的磁性進行非易失性的調(diào)控，使得該鐵氧體材料的正負剩余極化狀態(tài)下的鐵磁共振場之間的差值達到250Oe左右[52]。圖1-2YIG薄膜厚度對飽和磁化強度的影響[51]
中成功制備了FeHfNO磁性顆粒薄膜，發(fā)現(xiàn)這種制備方法極大的改善了薄膜的高頻磁性能，其飽和磁化強度達到約10KG，同時電阻率也比較大[55],如圖1-3所示。同期，電子科技大學(xué)的研究學(xué)者同樣采用反應(yīng)磁控濺射的技術(shù)，制備了磁性納米多層顆粒膜FeCoB/SiO2，發(fā)現(xiàn)其具有很好的高頻性能[56]。國內(nèi)研究者也在氧氣氛下制備了FeCoHfO薄膜，在氧分壓約為5.1%時獲得了最佳性能顆粒膜結(jié)構(gòu)，晶粒平均大小約為9nm。此時該顆粒薄膜的飽和磁化強度達到18.3kG，同時電阻率高達2675Ω/cm，共振頻率是3.1GHz，初始磁導(dǎo)率達到300[57]。圖1-3N2流量對FeHfN薄膜磁性能的影響[55]（4）磁性多層膜單層磁性金屬膜和顆粒膜均很兼顧共振頻率和飽和磁化強度[58]。因而，研究者開始關(guān)注制備磁性多層薄膜，包括鐵磁/鐵磁[59]、反鐵磁/鐵磁[60]、鐵磁/非磁[61]等幾種結(jié)構(gòu)形式。納米磁性多層膜的高頻磁特性可以通過改變磁性層、非磁性層各自的的膜厚和它們之間的比例進行較大范圍的調(diào)控。上世紀八九十年代Senda等就制備了系列[Fe-SiO2]n納米磁性多層膜材料與其單層膜進行對比，發(fā)現(xiàn)面內(nèi)各向異性受到層間界面效應(yīng)抑制的問題可以通過多層膜體系得到解決，因為其在減小晶粒尺寸、降低矯頑場方面有特定的優(yōu)勢[62-63]。國內(nèi)有研究者探索FeCoSi/MnIr/FeCoSi三層膜的高頻磁學(xué)性能[64-65]，發(fā)現(xiàn)單層的FeCoSi薄膜，其鐵磁共振頻率最大為3.4GHz；而其相應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)的鐵磁共振頻率最大可至8.2GHz。近年本課題組制備了多周期的Ta/[NiFe(15nm)/FeMn(t)]n/Ta交換偏置多層膜并研究反鐵磁層厚度對該多層膜的性質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)與單周期交換偏置多層膜相比進一步提高了NiFe/FeMn薄膜的高頻性能[20,66]。當tAF為4nm時，鐵磁共振頻率最大可以提升到4.02GHz。并且發(fā)現(xiàn)在?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]非對稱條形納磁體的鐵磁共振頻率和自旋波模式[J]. 陳亞博,楊曉闊,危波,吳瞳,劉嘉豪,張明亮,崔煥卿,董丹娜,蔡理. 物理學(xué)報. 2020(05)
[2]微波鐵氧體介電常數(shù)研究進展及回顧[J]. 韓志全. 磁性材料及器件. 2019(01)
[3]Effect of flash thermal annealing by pulsed current on rotational anisotropy in exchange-biased NiFe/FeMn film[J]. 王振,譚士杰,李俊,代波,鄒延珂. Chinese Physics B. 2018(08)
[4]新型光刻技術(shù)研究進展[J]. 何立文,羅樂,孟鋼,邵景珍,方曉東. 激光技術(shù). 2019(01)
[5]電力電子中高頻軟磁材料的研究進展[J]. 劉君昌,梅云輝,陸國權(quán). 材料工程. 2017(05)
[6]振動樣品磁強計的磁性表征測量[J]. 隋文波,張昕,楊德政. 實驗科學(xué)與技術(shù). 2018(01)
[7]磁性材料進展概覽[J]. 都有為. 功能材料. 2014(10)
[8]Flexible tuning microwave permeability spectrum in [ferromagnet/antiferromagnet]n exchange-biased multilayer stack structure[J]. 金立川,張懷武,唐曉莉,白飛明,鐘智勇. Chinese Physics B. 2013(04)
[9]鐵磁/反鐵磁雙層膜系統(tǒng)中交換各向異性及其厚度依賴性[J]. 許小勇,顧加銀,孟如男,李田,胡經(jīng)國. 計算物理. 2011(05)
[10]High-frequency magnetic characteristics of Fe-Co-based nanocrystalline alloy films[J]. HIHARA Takehiko,SUMIYAMA Kenji. Science China（Technological Sciences）. 2010(06)
博士論文
[1]磁性薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)及動力學(xué)研究[D]. 李巖.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所) 2019
[2]負磁晶各向異性常數(shù)合金軟磁薄膜的取向生長及高頻磁性調(diào)控[D]. 馬天勇.蘭州大學(xué) 2019
[3]GHz軟磁顆粒膜的電磁性能和應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 魯廣鐸.電子科技大學(xué) 2012
[4]鐵磁金屬薄膜的高頻性質(zhì)[D]. 范小龍.蘭州大學(xué) 2010
[5]磁性薄膜、超薄膜及圖形薄膜的磁性研究[D]. 翟亞.東南大學(xué) 2003
碩士論文
[1]高頻軟磁薄膜及其頻率調(diào)控研究[D]. 殷曉娜.青島大學(xué) 2019
[2]界面效應(yīng)對Fe基軟磁薄膜高頻性能及垂直各向異性的調(diào)控[D]. 謝宏康.蘭州大學(xué) 2019
[3]鋰鐵氧體薄膜的制備和磁性研究[D]. 曹翠梅.蘭州大學(xué) 2019
[4]交換耦合對條紋疇薄膜高頻磁性的調(diào)控[D]. 馬惠鴿.蘭州大學(xué) 2019
[5]NiFe/FeMn多層膜交換偏置場的測量及磁電耦合[D]. 李俊.西南科技大學(xué) 2018
[6]圖形化金屬軟磁薄膜的高頻電磁特性研究[D]. 張燕.西南科技大學(xué) 2018
[7]Fe基高頻軟磁薄膜的制備及微波特性研究[D]. 楊茹.青島大學(xué) 2017
[8]NiFe/FeMn交換偏置多層膜的高頻性能研究[D]. 王玉波.西南科技大學(xué) 2016
[9]FeCo基薄膜高頻磁性的調(diào)控[D]. 楊成成.蘭州大學(xué) 2016
[10]圖形化FeTa薄膜的磁各向異性調(diào)控和磁化翻轉(zhuǎn)機制研究[D]. 馬金花.蘭州大學(xué) 2013
本文編號：3212001
【文章來源】：西南科技大學(xué)四川省
【文章頁數(shù)】：127 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
B摻雜量對FeGaB薄膜磁性能的影響[38]
第一章緒論3圖1-1B摻雜量對FeGaB薄膜磁性能的影響[38]（2）鐵氧體薄膜較高的飽和磁化強度、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)以及低損耗等特性是亞鐵材料鐵氧體所具有的特征[45-46]。盡管研究發(fā)現(xiàn)鐵氧體材料的飽和磁化強度總體上略低于磁性金屬合金薄膜，但其在較低的頻率范圍內(nèi)可以較好的控制渦流損耗。由于其磁性能比金屬磁性薄膜材料較差，直到最近，迅猛發(fā)展的無線電通訊技術(shù)等技術(shù)使得該材料逐漸吸引了研究者的注意[47]。鐵氧體材料應(yīng)用于超高頻范圍，始于Snoek對它的系統(tǒng)研究[48]。MrugeseDesai等人采用磁控濺射的方法制備Ni-Zn薄膜，研究其磁性能和微結(jié)構(gòu)受退火溫度影響及機制，發(fā)現(xiàn)在退火溫度600℃時，尖晶石相開始明顯出現(xiàn)，相比于塊體Ni-Zn材料，Ni-Zn薄膜的飽和磁化強度只有塊體的60%左右[49]。Matsushita研究團隊發(fā)現(xiàn)Ni-Zn薄膜的初始實部磁導(dǎo)率~45，共振頻率遠高于塊體值（1.2GHz），突破了Snoek極限[50]。在國內(nèi)，電子科技大學(xué)研究學(xué)者通過退火，使得它們制備的YIG薄膜展現(xiàn)了高達1770Oe的飽和磁化強度[51]（圖1-2）。最近，蘭州大學(xué)的研究者采用激光脈沖沉積(PLD)技術(shù)，以單晶MgO(001)為襯底，通過薄膜生長溫度調(diào)控，高質(zhì)量的LiFe5O8鐵氧體薄膜薄膜被成功制備，發(fā)現(xiàn)磁電阻測試曲線的角度依賴可能歸因于自旋霍爾磁電阻；采用鐵磁共振測試的辦法發(fā)現(xiàn)外電場可以對該薄膜的磁性進行非易失性的調(diào)控，使得該鐵氧體材料的正負剩余極化狀態(tài)下的鐵磁共振場之間的差值達到250Oe左右[52]。圖1-2YIG薄膜厚度對飽和磁化強度的影響[51]
中成功制備了FeHfNO磁性顆粒薄膜，發(fā)現(xiàn)這種制備方法極大的改善了薄膜的高頻磁性能，其飽和磁化強度達到約10KG，同時電阻率也比較大[55],如圖1-3所示。同期，電子科技大學(xué)的研究學(xué)者同樣采用反應(yīng)磁控濺射的技術(shù)，制備了磁性納米多層顆粒膜FeCoB/SiO2，發(fā)現(xiàn)其具有很好的高頻性能[56]。國內(nèi)研究者也在氧氣氛下制備了FeCoHfO薄膜，在氧分壓約為5.1%時獲得了最佳性能顆粒膜結(jié)構(gòu)，晶粒平均大小約為9nm。此時該顆粒薄膜的飽和磁化強度達到18.3kG，同時電阻率高達2675Ω/cm，共振頻率是3.1GHz，初始磁導(dǎo)率達到300[57]。圖1-3N2流量對FeHfN薄膜磁性能的影響[55]（4）磁性多層膜單層磁性金屬膜和顆粒膜均很兼顧共振頻率和飽和磁化強度[58]。因而，研究者開始關(guān)注制備磁性多層薄膜，包括鐵磁/鐵磁[59]、反鐵磁/鐵磁[60]、鐵磁/非磁[61]等幾種結(jié)構(gòu)形式。納米磁性多層膜的高頻磁特性可以通過改變磁性層、非磁性層各自的的膜厚和它們之間的比例進行較大范圍的調(diào)控。上世紀八九十年代Senda等就制備了系列[Fe-SiO2]n納米磁性多層膜材料與其單層膜進行對比，發(fā)現(xiàn)面內(nèi)各向異性受到層間界面效應(yīng)抑制的問題可以通過多層膜體系得到解決，因為其在減小晶粒尺寸、降低矯頑場方面有特定的優(yōu)勢[62-63]。國內(nèi)有研究者探索FeCoSi/MnIr/FeCoSi三層膜的高頻磁學(xué)性能[64-65]，發(fā)現(xiàn)單層的FeCoSi薄膜，其鐵磁共振頻率最大為3.4GHz；而其相應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)的鐵磁共振頻率最大可至8.2GHz。近年本課題組制備了多周期的Ta/[NiFe(15nm)/FeMn(t)]n/Ta交換偏置多層膜并研究反鐵磁層厚度對該多層膜的性質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)與單周期交換偏置多層膜相比進一步提高了NiFe/FeMn薄膜的高頻性能[20,66]。當tAF為4nm時，鐵磁共振頻率最大可以提升到4.02GHz。并且發(fā)現(xiàn)在?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]非對稱條形納磁體的鐵磁共振頻率和自旋波模式[J]. 陳亞博,楊曉闊,危波,吳瞳,劉嘉豪,張明亮,崔煥卿,董丹娜,蔡理. 物理學(xué)報. 2020(05)
[2]微波鐵氧體介電常數(shù)研究進展及回顧[J]. 韓志全. 磁性材料及器件. 2019(01)
[3]Effect of flash thermal annealing by pulsed current on rotational anisotropy in exchange-biased NiFe/FeMn film[J]. 王振,譚士杰,李俊,代波,鄒延珂. Chinese Physics B. 2018(08)
[4]新型光刻技術(shù)研究進展[J]. 何立文,羅樂,孟鋼,邵景珍,方曉東. 激光技術(shù). 2019(01)
[5]電力電子中高頻軟磁材料的研究進展[J]. 劉君昌,梅云輝,陸國權(quán). 材料工程. 2017(05)
[6]振動樣品磁強計的磁性表征測量[J]. 隋文波,張昕,楊德政. 實驗科學(xué)與技術(shù). 2018(01)
[7]磁性材料進展概覽[J]. 都有為. 功能材料. 2014(10)
[8]Flexible tuning microwave permeability spectrum in [ferromagnet/antiferromagnet]n exchange-biased multilayer stack structure[J]. 金立川,張懷武,唐曉莉,白飛明,鐘智勇. Chinese Physics B. 2013(04)
[9]鐵磁/反鐵磁雙層膜系統(tǒng)中交換各向異性及其厚度依賴性[J]. 許小勇,顧加銀,孟如男,李田,胡經(jīng)國. 計算物理. 2011(05)
[10]High-frequency magnetic characteristics of Fe-Co-based nanocrystalline alloy films[J]. HIHARA Takehiko,SUMIYAMA Kenji. Science China（Technological Sciences）. 2010(06)
博士論文
[1]磁性薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)及動力學(xué)研究[D]. 李巖.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所) 2019
[2]負磁晶各向異性常數(shù)合金軟磁薄膜的取向生長及高頻磁性調(diào)控[D]. 馬天勇.蘭州大學(xué) 2019
[3]GHz軟磁顆粒膜的電磁性能和應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 魯廣鐸.電子科技大學(xué) 2012
[4]鐵磁金屬薄膜的高頻性質(zhì)[D]. 范小龍.蘭州大學(xué) 2010
[5]磁性薄膜、超薄膜及圖形薄膜的磁性研究[D]. 翟亞.東南大學(xué) 2003
碩士論文
[1]高頻軟磁薄膜及其頻率調(diào)控研究[D]. 殷曉娜.青島大學(xué) 2019
[2]界面效應(yīng)對Fe基軟磁薄膜高頻性能及垂直各向異性的調(diào)控[D]. 謝宏康.蘭州大學(xué) 2019
[3]鋰鐵氧體薄膜的制備和磁性研究[D]. 曹翠梅.蘭州大學(xué) 2019
[4]交換耦合對條紋疇薄膜高頻磁性的調(diào)控[D]. 馬惠鴿.蘭州大學(xué) 2019
[5]NiFe/FeMn多層膜交換偏置場的測量及磁電耦合[D]. 李俊.西南科技大學(xué) 2018
[6]圖形化金屬軟磁薄膜的高頻電磁特性研究[D]. 張燕.西南科技大學(xué) 2018
[7]Fe基高頻軟磁薄膜的制備及微波特性研究[D]. 楊茹.青島大學(xué) 2017
[8]NiFe/FeMn交換偏置多層膜的高頻性能研究[D]. 王玉波.西南科技大學(xué) 2016
[9]FeCo基薄膜高頻磁性的調(diào)控[D]. 楊成成.蘭州大學(xué) 2016
[10]圖形化FeTa薄膜的磁各向異性調(diào)控和磁化翻轉(zhuǎn)機制研究[D]. 馬金花.蘭州大學(xué) 2013
本文編號：3212001
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