脉冲电流快速退火对NiFe/FeMn薄膜磁性能的影响
发布时间：2021-06-05 10:33
电子设备集成化、微型化的发展趋势下,在GHz频段表现出的优异动态磁特性的铁磁薄膜材料,在抗电磁干扰、微波吸收器件等高频领域备受青睐。通过铁磁薄膜各向异性的调节,而进一步提高其共振频率一直是本领域的研究者的重要方向之一。基于铁磁/反铁磁交换耦合的交换偏置薄膜相比于铁磁薄膜引入了单向各向异性和旋转各向异性,因此其具备更好的可调控性。本文以[NiFe（15 nm）/FeMn（10 nm）]交换偏置双层膜为研究对象,重点开展脉冲电流快速退火对其磁性能,特别是其旋转各向异性及共振频率的影响。主要取得了如下结果:1.成功搭建了磁性薄膜脉冲电流快速退火平台,包括真空退火炉、直流电源和脉冲电流发生装置;退火过程中本底真空优于1×10-4 Pa;通过电容器基脉冲电流发生装置可以较为精确地控制样品通电时间在0.1 s以内,且不受直流源限制电流的影响,可以实现样品的温度在室温1000℃范围内调整。2.在反向磁场中,4045 V临界退火电压时成功制备不饱和磁化翻转的交换偏置薄膜样品,通过振动样品磁强计测量发现其交换偏置场静态各向异性场达到了最小...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
B掺杂量对FeGaB薄膜磁性能的影响[38]
第一章绪论3图1-1B掺杂量对FeGaB薄膜磁性能的影响[38]（2）铁氧体薄膜较高的饱和磁化强度、磁导率和介电常数以及低损耗等特性是亚铁材料铁氧体所具有的特征[45-46]。尽管研究发现铁氧体材料的饱和磁化强度总体上略低于磁性金属合金薄膜，但其在较低的频率范围内可以较好的控制涡流损耗。由于其磁性能比金属磁性薄膜材料较差，直到最近，迅猛发展的无线电通讯技术等技术使得该材料逐渐吸引了研究者的注意[47]。铁氧体材料应用于超高频范围，始于Snoek对它的系统研究[48]。MrugeseDesai等人采用磁控溅射的方法制备Ni-Zn薄膜，研究其磁性能和微结构受退火温度影响及机制，发现在退火温度600℃时，尖晶石相开始明显出现，相比于块体Ni-Zn材料，Ni-Zn薄膜的饱和磁化强度只有块体的60%左右[49]。Matsushita研究团队发现Ni-Zn薄膜的初始实部磁导率~45，共振频率远高于块体值（1.2GHz），突破了Snoek极限[50]。在国内，电子科技大学研究学者通过退火，使得它们制备的YIG薄膜展现了高达1770Oe的饱和磁化强度[51]（图1-2）。最近，兰州大学的研究者采用激光脉冲沉积(PLD)技术，以单晶MgO(001)为衬底，通过薄膜生长温度调控，高质量的LiFe5O8铁氧体薄膜薄膜被成功制备，发现磁电阻测试曲线的角度依赖可能归因于自旋霍尔磁电阻；采用铁磁共振测试的办法发现外电场可以对该薄膜的磁性进行非易失性的调控，使得该铁氧体材料的正负剩余极化状态下的铁磁共振场之间的差值达到250Oe左右[52]。图1-2YIG薄膜厚度对饱和磁化强度的影响[51]
中成功制备了FeHfNO磁性颗粒薄膜，发现这种制备方法极大的改善了薄膜的高频磁性能，其饱和磁化强度达到约10KG，同时电阻率也比较大[55],如图1-3所示。同期，电子科技大学的研究学者同样采用反应磁控溅射的技术，制备了磁性纳米多层颗粒膜FeCoB/SiO2，发现其具有很好的高频性能[56]。国内研究者也在氧气氛下制备了FeCoHfO薄膜，在氧分压约为5.1%时获得了最佳性能颗粒膜结构，晶粒平均大小约为9nm。此时该颗粒薄膜的饱和磁化强度达到18.3kG，同时电阻率高达2675Ω/cm，共振频率是3.1GHz，初始磁导率达到300[57]。图1-3N2流量对FeHfN薄膜磁性能的影响[55]（4）磁性多层膜单层磁性金属膜和颗粒膜均很兼顾共振频率和饱和磁化强度[58]。因而，研究者开始关注制备磁性多层薄膜，包括铁磁/铁磁[59]、反铁磁/铁磁[60]、铁磁/非磁[61]等几种结构形式。纳米磁性多层膜的高频磁特性可以通过改变磁性层、非磁性层各自的的膜厚和它们之间的比例进行较大范围的调控。上世纪八九十年代Senda等就制备了系列[Fe-SiO2]n纳米磁性多层膜材料与其单层膜进行对比，发现面内各向异性受到层间界面效应抑制的问题可以通过多层膜体系得到解决，因为其在减小晶粒尺寸、降低矫顽场方面有特定的优势[62-63]。国内有研究者探索FeCoSi/MnIr/FeCoSi三层膜的高频磁学性能[64-65]，发现单层的FeCoSi薄膜，其铁磁共振频率最大为3.4GHz；而其相应的多层结构的铁磁共振频率最大可至8.2GHz。近年本课题组制备了多周期的Ta/[NiFe(15nm)/FeMn(t)]n/Ta交换偏置多层膜并研究反铁磁层厚度对该多层膜的性质影响，发现与单周期交换偏置多层膜相比进一步提高了NiFe/FeMn薄膜的高频性能[20,66]。当tAF为4nm时，铁磁共振频率最大可以提升到4.02GHz。并且发现在?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非对称条形纳磁体的铁磁共振频率和自旋波模式[J]. 陈亚博,杨晓阔,危波,吴瞳,刘嘉豪,张明亮,崔焕卿,董丹娜,蔡理. 物理学报. 2020(05)
[2]微波铁氧体介电常数研究进展及回顾[J]. 韩志全. 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,谭士杰,李俊,代波,邹延珂. Chinese Physics B. 2018(08)
[4]新型光刻技术研究进展[J]. 何立文,罗乐,孟钢,邵景珍,方晓东. 激光技术. 2019(01)
[5]电力电子中高频软磁材料的研究进展[J]. 刘君昌,梅云辉,陆国权. 材料工程. 2017(05)
[6]振动样品磁强计的磁性表征测量[J]. 隋文波,张昕,杨德政. 实验科学与技术. 2018(01)
[7]磁性材料进展概览[J]. 都有为. 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,张怀武,唐晓莉,白飞明,钟智勇. Chinese Physics B. 2013(04)
[9]铁磁/反铁磁双层膜系统中交换各向异性及其厚度依赖性[J]. 许小勇,顾加银,孟如男,李田,胡经国. 计算物理. 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)
博士论文
[1]磁性薄膜的磁化翻转及动力学研究[D]. 李岩.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2019
[2]负磁晶各向异性常数合金软磁薄膜的取向生长及高频磁性调控[D]. 马天勇.兰州大学 2019
[3]GHz软磁颗粒膜的电磁性能和应用基础研究[D]. 鲁广铎.电子科技大学 2012
[4]铁磁金属薄膜的高频性质[D]. 范小龙.兰州大学 2010
[5]磁性薄膜、超薄膜及图形薄膜的磁性研究[D]. 翟亚.东南大学 2003
硕士论文
[1]高频软磁薄膜及其频率调控研究[D]. 殷晓娜.青岛大学 2019
[2]界面效应对Fe基软磁薄膜高频性能及垂直各向异性的调控[D]. 谢宏康.兰州大学 2019
[3]锂铁氧体薄膜的制备和磁性研究[D]. 曹翠梅.兰州大学 2019
[4]交换耦合对条纹畴薄膜高频磁性的调控[D]. 马惠鸽.兰州大学 2019
[5]NiFe/FeMn多层膜交换偏置场的测量及磁电耦合[D]. 李俊.西南科技大学 2018
[6]图形化金属软磁薄膜的高频电磁特性研究[D]. 张燕.西南科技大学 2018
[7]Fe基高频软磁薄膜的制备及微波特性研究[D]. 杨茹.青岛大学 2017
[8]NiFe/FeMn交换偏置多层膜的高频性能研究[D]. 王玉波.西南科技大学 2016
[9]FeCo基薄膜高频磁性的调控[D]. 杨成成.兰州大学 2016
[10]图形化FeTa薄膜的磁各向异性调控和磁化翻转机制研究[D]. 马金花.兰州大学 2013
本文编号：3212001
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
B掺杂量对FeGaB薄膜磁性能的影响[38]
第一章绪论3图1-1B掺杂量对FeGaB薄膜磁性能的影响[38]（2）铁氧体薄膜较高的饱和磁化强度、磁导率和介电常数以及低损耗等特性是亚铁材料铁氧体所具有的特征[45-46]。尽管研究发现铁氧体材料的饱和磁化强度总体上略低于磁性金属合金薄膜，但其在较低的频率范围内可以较好的控制涡流损耗。由于其磁性能比金属磁性薄膜材料较差，直到最近，迅猛发展的无线电通讯技术等技术使得该材料逐渐吸引了研究者的注意[47]。铁氧体材料应用于超高频范围，始于Snoek对它的系统研究[48]。MrugeseDesai等人采用磁控溅射的方法制备Ni-Zn薄膜，研究其磁性能和微结构受退火温度影响及机制，发现在退火温度600℃时，尖晶石相开始明显出现，相比于块体Ni-Zn材料，Ni-Zn薄膜的饱和磁化强度只有块体的60%左右[49]。Matsushita研究团队发现Ni-Zn薄膜的初始实部磁导率~45，共振频率远高于块体值（1.2GHz），突破了Snoek极限[50]。在国内，电子科技大学研究学者通过退火，使得它们制备的YIG薄膜展现了高达1770Oe的饱和磁化强度[51]（图1-2）。最近，兰州大学的研究者采用激光脉冲沉积(PLD)技术，以单晶MgO(001)为衬底，通过薄膜生长温度调控，高质量的LiFe5O8铁氧体薄膜薄膜被成功制备，发现磁电阻测试曲线的角度依赖可能归因于自旋霍尔磁电阻；采用铁磁共振测试的办法发现外电场可以对该薄膜的磁性进行非易失性的调控，使得该铁氧体材料的正负剩余极化状态下的铁磁共振场之间的差值达到250Oe左右[52]。图1-2YIG薄膜厚度对饱和磁化强度的影响[51]
中成功制备了FeHfNO磁性颗粒薄膜，发现这种制备方法极大的改善了薄膜的高频磁性能，其饱和磁化强度达到约10KG，同时电阻率也比较大[55],如图1-3所示。同期，电子科技大学的研究学者同样采用反应磁控溅射的技术，制备了磁性纳米多层颗粒膜FeCoB/SiO2，发现其具有很好的高频性能[56]。国内研究者也在氧气氛下制备了FeCoHfO薄膜，在氧分压约为5.1%时获得了最佳性能颗粒膜结构，晶粒平均大小约为9nm。此时该颗粒薄膜的饱和磁化强度达到18.3kG，同时电阻率高达2675Ω/cm，共振频率是3.1GHz，初始磁导率达到300[57]。图1-3N2流量对FeHfN薄膜磁性能的影响[55]（4）磁性多层膜单层磁性金属膜和颗粒膜均很兼顾共振频率和饱和磁化强度[58]。因而，研究者开始关注制备磁性多层薄膜，包括铁磁/铁磁[59]、反铁磁/铁磁[60]、铁磁/非磁[61]等几种结构形式。纳米磁性多层膜的高频磁特性可以通过改变磁性层、非磁性层各自的的膜厚和它们之间的比例进行较大范围的调控。上世纪八九十年代Senda等就制备了系列[Fe-SiO2]n纳米磁性多层膜材料与其单层膜进行对比，发现面内各向异性受到层间界面效应抑制的问题可以通过多层膜体系得到解决，因为其在减小晶粒尺寸、降低矫顽场方面有特定的优势[62-63]。国内有研究者探索FeCoSi/MnIr/FeCoSi三层膜的高频磁学性能[64-65]，发现单层的FeCoSi薄膜，其铁磁共振频率最大为3.4GHz；而其相应的多层结构的铁磁共振频率最大可至8.2GHz。近年本课题组制备了多周期的Ta/[NiFe(15nm)/FeMn(t)]n/Ta交换偏置多层膜并研究反铁磁层厚度对该多层膜的性质影响，发现与单周期交换偏置多层膜相比进一步提高了NiFe/FeMn薄膜的高频性能[20,66]。当tAF为4nm时，铁磁共振频率最大可以提升到4.02GHz。并且发现在?
【参考文献】：
期刊论文
[1]非对称条形纳磁体的铁磁共振频率和自旋波模式[J]. 陈亚博,杨晓阔,危波,吴瞳,刘嘉豪,张明亮,崔焕卿,董丹娜,蔡理. 物理学报. 2020(05)
[2]微波铁氧体介电常数研究进展及回顾[J]. 韩志全. 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,谭士杰,李俊,代波,邹延珂. Chinese Physics B. 2018(08)
[4]新型光刻技术研究进展[J]. 何立文,罗乐,孟钢,邵景珍,方晓东. 激光技术. 2019(01)
[5]电力电子中高频软磁材料的研究进展[J]. 刘君昌,梅云辉,陆国权. 材料工程. 2017(05)
[6]振动样品磁强计的磁性表征测量[J]. 隋文波,张昕,杨德政. 实验科学与技术. 2018(01)
[7]磁性材料进展概览[J]. 都有为. 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,张怀武,唐晓莉,白飞明,钟智勇. Chinese Physics B. 2013(04)
[9]铁磁/反铁磁双层膜系统中交换各向异性及其厚度依赖性[J]. 许小勇,顾加银,孟如男,李田,胡经国. 计算物理. 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)
博士论文
[1]磁性薄膜的磁化翻转及动力学研究[D]. 李岩.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2019
[2]负磁晶各向异性常数合金软磁薄膜的取向生长及高频磁性调控[D]. 马天勇.兰州大学 2019
[3]GHz软磁颗粒膜的电磁性能和应用基础研究[D]. 鲁广铎.电子科技大学 2012
[4]铁磁金属薄膜的高频性质[D]. 范小龙.兰州大学 2010
[5]磁性薄膜、超薄膜及图形薄膜的磁性研究[D]. 翟亚.东南大学 2003
硕士论文
[1]高频软磁薄膜及其频率调控研究[D]. 殷晓娜.青岛大学 2019
[2]界面效应对Fe基软磁薄膜高频性能及垂直各向异性的调控[D]. 谢宏康.兰州大学 2019
[3]锂铁氧体薄膜的制备和磁性研究[D]. 曹翠梅.兰州大学 2019
[4]交换耦合对条纹畴薄膜高频磁性的调控[D]. 马惠鸽.兰州大学 2019
[5]NiFe/FeMn多层膜交换偏置场的测量及磁电耦合[D]. 李俊.西南科技大学 2018
[6]图形化金属软磁薄膜的高频电磁特性研究[D]. 张燕.西南科技大学 2018
[7]Fe基高频软磁薄膜的制备及微波特性研究[D]. 杨茹.青岛大学 2017
[8]NiFe/FeMn交换偏置多层膜的高频性能研究[D]. 王玉波.西南科技大学 2016
[9]FeCo基薄膜高频磁性的调控[D]. 杨成成.兰州大学 2016
[10]图形化FeTa薄膜的磁各向异性调控和磁化翻转机制研究[D]. 马金花.兰州大学 2013
本文编号：3212001
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/gckjbs/3212001.html
