軟磁薄膜的高頻磁性測(cè)試方法研究及其在坡莫合金薄膜研究中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)高科技產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高，這也促使電子科學(xué)技術(shù)和元器件的迅速發(fā)展，尤其是向微型化、薄膜化、集成化和高頻化的方向發(fā)展。以通訊頻段為例，最早使用的通訊系統(tǒng)的頻率一般為900MHz和1.8GHz，也就是GSM標(biāo)準(zhǔn)，或者稱(chēng)為第二代（2G）移動(dòng)通訊系統(tǒng)，發(fā)展到目前廣泛使用的通訊頻段已經(jīng)達(dá)到了3GHz和4GHz。這也對(duì)應(yīng)用于其中的磁性功能材料提出了更高的要求。軟磁材料因其在電感和變壓器中的廣泛

2、應(yīng)用而受到關(guān)注。隨著元器件的工作頻率的提高，對(duì)軟磁薄膜材料的高頻性能也提出了相應(yīng)的要求，特別是軟磁薄膜材料的高頻磁導(dǎo)率和共振頻率等。因此，對(duì)軟磁薄膜的高頻磁性進(jìn)行準(zhǔn)確地表征是該領(lǐng)域亟需解決的重要問(wèn)題之一。
　　本論文主要圍繞軟磁薄膜的高頻磁性測(cè)量與評(píng)估這一問(wèn)題，在對(duì)國(guó)內(nèi)外軟磁薄膜的高頻磁性測(cè)量方法調(diào)研和比較的基礎(chǔ)上，提出了基于電磁感應(yīng)的無(wú)需定標(biāo)的高頻磁性測(cè)量方法。另外通過(guò)高頻磁性測(cè)量方法系統(tǒng)地研究了坡莫合金薄膜的高頻磁性。本論文的

3、主要內(nèi)容如下：
　　1、系統(tǒng)地總結(jié)了利用短路微帶線(xiàn)測(cè)量軟磁薄膜的高頻磁性的方法，并且對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。利用高頻仿真軟件對(duì)短路微帶線(xiàn)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)并加工組裝，通過(guò)優(yōu)化測(cè)試夾具的尺寸參數(shù)和優(yōu)化儀器參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟磁薄膜在寬頻段的磁譜的準(zhǔn)確測(cè)量。另外還提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)需定標(biāo)的磁譜計(jì)算方法，在分析過(guò)程中只需要給出薄膜樣品的尺寸大小。另外，研究了直角型的共面波導(dǎo)（Coplanar waveguide，簡(jiǎn)稱(chēng)CPW）測(cè)試夾具對(duì)軟磁薄膜的

4、磁譜的測(cè)試結(jié)果，并與短路微帶線(xiàn)夾具的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如果在測(cè)量磁譜的過(guò)程中，給軟磁薄膜樣品施加一個(gè)直流偏置磁場(chǎng)，那么就構(gòu)成了用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer，縮寫(xiě)VNA）測(cè)量鐵磁共振的測(cè)試方法，可以簡(jiǎn)稱(chēng)為VNA-FMR測(cè)試方法。
　　2、利用Top-down方法制備的不同厚度的坡莫合金薄膜。利用VNA-FMR測(cè)試方法分別研究了微波磁場(chǎng)在垂直和平行條紋方向上激勵(lì)坡莫合金薄膜時(shí)的條紋疇結(jié)構(gòu)的高頻磁性。

5、對(duì)沿著條紋疇方向的偽動(dòng)態(tài)單軸各向異性做了詳細(xì)地研究。通過(guò)建立一個(gè)簡(jiǎn)單的物理模型推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)各向異性場(chǎng)的起源。此外，通過(guò)磁力顯微鏡的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)和VNA-FMR方法研究了條紋疇結(jié)構(gòu)在外磁場(chǎng)作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)性質(zhì)。通過(guò)轉(zhuǎn)角度的磁譜測(cè)量研究了條紋疇結(jié)構(gòu)在任意角度下的高頻磁性。通過(guò)建立唯象的物理模型發(fā)現(xiàn)起始磁化率與轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系可以體現(xiàn)出條紋疇結(jié)構(gòu)中的磁矩分布情況。因此，也獲得了一種分析轉(zhuǎn)角度高頻磁譜的理論方法和擬合公式。利用真空熱處理方法研究了坡莫合

6、金薄膜中交換勁度系數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱處理后的坡莫合金薄膜中條紋疇寬度增大，矯頑力變小，起始磁導(dǎo)率變大等，通過(guò)隨機(jī)各向異性模型分析，以及高頻磁譜分析和微磁學(xué)模擬得出真空熱處理可以增強(qiáng)坡莫合金薄膜的交換勁度系數(shù)。
　　3、利用圖案化對(duì)坡莫合金薄膜的高頻磁性進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)VNA-FMR方法研究了坡莫合金薄膜表面的Fe65Co35圓盤(pán)陣列修飾對(duì)其高頻磁性的影響。結(jié)果表明，不管是方形陣列或者是矩形陣列，不同圓盤(pán)密度的表面圖案化修飾可以

7、有效地對(duì)坡莫合金薄膜的阻尼進(jìn)行微調(diào)，調(diào)控范圍是0.008-0.013之間，而且還可以在不同的外加磁場(chǎng)下調(diào)控阻尼，這個(gè)結(jié)果對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用是很有價(jià)值的。此外，又通過(guò)VNA-FMR方法研究了反盤(pán)結(jié)構(gòu)的坡莫合金薄膜的高頻磁性。結(jié)果表明反盤(pán)結(jié)構(gòu)的坡莫合金薄膜具有比較豐富的共振模式。
　　4、基于自旋霍爾效應(yīng)通過(guò)電學(xué)方法來(lái)調(diào)控軟磁薄膜的鐵磁共振。首先，通過(guò)VNA-FMR方法研究了Pt/Permalloy雙層薄膜中的自旋泵浦效應(yīng)，以此證明在制備