AlN-FeCoSiB復合薄膜的磁電各向異性研究.pdf

1、基于磁電效應的磁電傳感器具有靈敏度和分辨力高、室溫工作、響應頻率范圍寬、功耗小以及制備工藝簡單等特點，在地磁場、生物磁場等微弱磁場探測領域表現(xiàn)出非常好的應用前景。磁電敏感單元具有高度各向異性是將磁電傳感器推向實用化的關鍵。當前有關各向異性的研究僅限于塊體磁電復合材料，但各向異性較弱，在進行微弱磁場探測時會導致較大測量誤差。磁電復合薄膜可以實現(xiàn)層與層之間原子尺度結合，各向異性的調控會更加容易，但目前未見這方面的報道。本文以AlN/FeCo

2、SiB復合薄膜體系為對象，首先采用微磁學模擬軟件OOMMF和多物理場仿真軟件COMSOL對不同長寬比下的FeCoSiB條狀單元進行形狀各向異性場的模擬和磁化狀態(tài)仿真，旨在探明通過改變磁性層的形狀各向異性來提高磁電各向異性的可行性。然后系統(tǒng)研究了采用射頻磁控濺射制備具有優(yōu)良壓電性AlN薄膜和優(yōu)異磁性能FeCoSiB薄膜的工藝條件。在上述研究工作基礎上，通過硬掩膜法和光刻工藝將FeCoSiB薄膜制備成條狀單元，同時對AlN/FeCoSiB復

3、合薄膜的磁電各向異性進行了測試。
　　本研究主要內容包括：⑴模擬和仿真結果表明，隨著FeCoSiB條狀單元長寬比的增加，形狀各向異性場逐漸增大；此外，沿長度和寬度方向施加一同樣大小直流磁場（Hdc=200 Oe）或交變磁場（Hac=1 Oe，f=1 kHz），長度方向上的磁感應強度逐漸增大，而寬度方向上的磁感應強度逐漸減??；這表明通過改變磁致伸縮相的形狀各向異性來提高磁電各向異性是可行的。⑵改變?yōu)R射參數不能顯著提高AlN薄膜（00

4、2）峰的強度，而退火熱處理能大幅度提高（002）擇優(yōu)取向，其中在500℃熱處理后AlN薄膜（002）衍射峰最強，且具有典型柱狀生長結構，壓電性能最好。FeCoSiB薄膜的矯頑力隨磁場退火溫度的升高具有先減小后增大的趨勢，其中350℃退火后的矯頑力最低，磁場靈敏度最好。對AlN/FeCoSiB復合薄膜進行磁電效應測試發(fā)現(xiàn)，在偏置磁場為10Oe、頻率為1 kHz下，正磁電電壓系數和逆磁電系數分別達到最大值101 V/cm·Oe和0.0943

5、 mG·cm/V，且交變磁場分辨率達到1.6 nT/√ Hz。同時，對摻雜Terfenol-D后的AlN/FeCoSiB復合薄膜進行研究發(fā)現(xiàn)，在偏置磁場分別為11 Oe和96 Oe時，其磁電電壓系數分別達到最大值78.1 V/cm·Oe和77.5 V/cm·Oe。⑶在上述研究工作的基礎上，采用硬掩膜法將FeCoS iB薄膜的寬度從5 mm降低到260μm，沿長度和寬度方向上的磁電電壓系數分別從1085 mV/cm·Oe和536.5 mV

6、/cm·Oe降低到489 mV/cm·Oe和54.5 mV/cm·Oe，磁電各向異性系數K提高了13倍左右；當采用光刻工藝進一步減小 FeCoSiB薄膜條狀單元的寬度到10μm，AlN/FeCoSiB復合薄膜沿長度和寬度方向上的磁電電壓系數分別為867 mV/cm·Oe和0.78 mV/cm·Oe，相應的磁電各向異性系數K達到1111.5。如果將具有該磁電各向異性系數的磁電復合薄膜用于測量50000 nT的地磁場，其噪聲信號可以降低到4