韓澤宇 宋乘吉 周杰 鄭富

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,銀川 750021)

采用磁控濺射法制備了具有不同襯底層(Cu,Co 和Ni80Fe20)的Fe65Co35 雙層合金薄膜.研究了不同襯底材料以及NiFe 襯底層厚度對(duì)FeCo 合金薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響.研究結(jié)果表明:襯底層的引入可以增加薄膜的面內(nèi)單軸各向異性,且薄膜的軟磁性能顯著提升,獲得良好軟磁性的原因歸結(jié)為晶粒的細(xì)化、層間的偶極相互作用以及表面粗糙度的降低,并且對(duì)于相同厚度的不同襯底層,NiFe 襯底層對(duì)FeCo 薄膜軟磁性能的提升最為明顯;通過改變NiFe 襯底層厚度,實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜各向異性的調(diào)控,NiFe/FeCo 表現(xiàn)出良好的高頻響應(yīng)和低的阻尼系數(shù),同時(shí)較小的薄膜厚度能夠減小渦流損耗,因此,促進(jìn)了其在高頻微波磁性器件方面的應(yīng)用.

1 引言

隨著高頻磁性器件的應(yīng)用與迅速發(fā)展,具有面內(nèi)單軸磁各向異性的軟磁薄膜得到了廣泛的研究[1?4].這是因?yàn)楸∧け憩F(xiàn)出平面內(nèi)的單軸磁各向異性,確保了磁化過程以磁疇的一致轉(zhuǎn)動(dòng)為主,而不是疇壁位移,以抑制材料在高頻下的能量損耗[5].在眾多的軟磁材料中,FeCo 合金薄膜因其高的飽和磁化強(qiáng)度4πMs而受到研究人員的廣泛關(guān)注[6?8].但由于FeCo 合金本身較大的飽和磁致伸縮系數(shù)λs(4×10–5—6.5×10–5)和磁晶各向異性常數(shù)K1(10 kJ/m3),使其具有較大的矯頑力[9?12],且一般表現(xiàn)出各向同性.良好的軟磁性通常需要材料具有低的或者消除磁晶各向異性.因此,一種有效的方法是在FeCo薄膜中添加第三方元素,例如C,N 和Al2O3等,可以減小或消除磁晶各向異性,有效降低晶粒尺寸[13?15].通常摻雜元素為非磁性元素,雖然容易獲得好的軟磁性,但隨著添加含量的增大,飽和磁化強(qiáng)度會(huì)大大減小.另一種方法是在靶材成分確定的情況下,優(yōu)化濺射條件也能夠改變薄膜的成分和微觀結(jié)構(gòu),從而使得其性能在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化[16,17].但是,只是單純地優(yōu)化沉積條件(沉積氣壓、功率等),無法得到優(yōu)質(zhì)的薄膜材料,并且可能會(huì)伴隨著飽和磁化強(qiáng)度的降低.

許多文獻(xiàn)報(bào)道了合適的襯底層可改善薄膜的磁性能.Acosta 等[18,19]研究了不同襯底層對(duì)FeGa薄膜磁性的影響,得到了較好的軟磁性能,并且認(rèn)為晶粒尺寸的降低是獲得良好軟磁性的主要原因,這也是通常用來解釋軟磁性得到改善的原因.然而,晶粒尺寸的降低并不是唯一可以解釋通過添加襯底層以獲得更好軟磁性的原因:Fu 等[20]研究了Co 襯底層對(duì)FeCo 薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響,獲得了較低的矯頑力以及較大的飽和磁化強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)織構(gòu)的變化對(duì)薄膜的軟磁性也有很大的影響,即以(110)織構(gòu)為主導(dǎo)的薄膜具有較好的軟磁性;Li 等[21]卻認(rèn)為Fe,Ni80Fe20和Cu 等材料作為襯底層,(200)織構(gòu)能獲得更好的軟磁性能;Sun 和Wang[22]對(duì)FeCoN 薄膜添加Permalloy 合金襯底層,同樣得到了較好的軟磁性能,他們認(rèn)為較好軟磁性源于襯底層的加入所引起的交換耦合;還可以通過控制晶格應(yīng)變和薄膜應(yīng)力等方法來降低矯頑力[12,23].因此,在FeCo 薄膜中添加合適的襯底層是一種簡單且易于控制的方法,能夠在保持高飽和磁化強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,有效降低薄膜的矯頑力,并且有利于誘導(dǎo)面內(nèi)單軸磁各向異性.

眾所周知,薄膜在高頻應(yīng)用中產(chǎn)生的渦流損耗與薄膜厚度和電阻率有很大關(guān)系,許多研究致力于提高薄膜的電阻率來減小渦流損耗,而忽略了薄膜厚度這一因素,薄膜厚度大多在幾十或者是上百納米.因此,本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法,制備了厚度約為13 nm 的Fe65Co35(FeCo)合金薄膜,選用不同的襯底材料Cu,Co 和Ni80Fe20(NiFe),系統(tǒng)地研究了不同襯底材料以及不同襯底層厚度對(duì)FeCo合金薄膜結(jié)構(gòu)與磁性能的影響.

2 實(shí) 驗(yàn)

采用美國Kurt J.Lesker 公司的PVD 75 PROLine 磁控濺射裝置,在Si(100)基底上沉積了Cu,Co 和NiFe(襯底層)/FeCo(主層)結(jié)構(gòu)的雙層合金薄膜,濺射靶材均為3 in (1 in=2.54 cm)的金屬或是合金圓盤.其中FeCo 合金靶和Cu 靶使用射頻(RF)濺射,Co 靶和NiFe 合金靶使用直流(DC)濺射.主層薄膜厚度固定為13 nm,襯底層厚度為1—9.3 nm.在沉積過程中,Si 基底處在600 Oe(1 Oe=79.6 A/m)的外加磁場(chǎng)中,并且磁場(chǎng)方向平行于薄膜平面,用于感生面內(nèi)單軸磁各向異性.主腔室的本底真空優(yōu)于5×10–8Torr (1 Torr=1.33322×102Pa),沉積氣壓為4 mTorr,Ar 流量為23 sccm(sccm 為體積流量單位,標(biāo)況下毫升/分鐘).FeCo 層沉積功率為150 W,襯底層功率均為50 W.通過X 射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD,RigaKu,SmartLab SE)分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu);使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(vibrating sample magnetometer,VSM,MicroSense,EZ9)在室溫下表征了薄膜的靜態(tài)磁性;使用原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM,本原,CSPM 5500)來測(cè)量膜厚和觀測(cè)薄膜的表面形貌;使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzer,VNA,Agilent,N5320A),基于短路微帶法測(cè)量了薄膜的磁譜.

3 分析與討論

3.1 襯底材料對(duì)FeCo 合金薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響

眾所周知,薄膜的性能是由薄膜的微觀結(jié)構(gòu)所決定的.在不同襯底材料下沉積的FeCo 薄膜,其微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變.圖1 為在Si 基底及7 nm 厚不同襯底層(Cu,Co 和NiFe)上沉積的FeCo 薄膜的XRD 圖譜.其中,實(shí)線為使用Pearson VII分布函數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)值的擬合曲線,對(duì)于Cu 襯底層上沉積的FeCo 薄膜,采用XPS 分峰擬合得到了完整的Cu(111)峰和FeCo(110)峰.所有薄膜均出現(xiàn)了bcc(110)衍射峰.其中,在以Cu 作為襯底層沉積的FeCo 薄膜中觀察到了Cu(111)峰,這是因?yàn)镃u 襯底層厚度較厚并且具有較好的結(jié)晶性.同時(shí),可以觀察到,與直接沉積在Si 基底上的FeCo薄膜相比,存在襯底材料的FeCo 薄膜衍射峰向小角度略微偏移,并且存在一定程度的寬化.根據(jù)Scherer 公式[24,25],估算得到了不同襯底材料薄膜的晶粒尺寸,如表1 所列,在襯底層上沉積的FeCo薄膜晶粒尺寸均小于在Si 基底上沉積的FeCo 薄膜.從薄膜的生長機(jī)制上可知,在形成連續(xù)多晶薄膜時(shí),晶粒在薄膜生長過程中以再結(jié)晶和小島的方式相結(jié)合,這樣最后形成的晶粒一般會(huì)比初始結(jié)晶的晶核大.加入襯底層后,可以形成更多的新核,這樣會(huì)增加晶粒的數(shù)量而減小晶粒的尺寸.另一方面襯底層能夠抑制FeCo 晶粒的生長以及晶粒的再結(jié)晶過程,實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化從而降低薄膜的矯頑力.

圖1 不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜的XRD 圖譜,實(shí)線為擬合曲線Fig.1.XRD patterns of FeCo films deposited on different underlayers.Solid lines are the fitting curves.

表1 Si 基底和不同襯底上沉積的FeCo 薄膜的易軸矯頑力、剩磁比、應(yīng)變、晶粒尺寸以及阻尼系數(shù)Table 1.Coercivity of easy axis,remanent magnetization ratio,strain,grain size,and damping coefficient of FeCo films deposited on Si substrate and different underlayers.

根據(jù)隨機(jī)各向異性模型(RAM)[26],當(dāng)晶粒尺寸降低到鐵磁交換長度,其中A為交換常數(shù),K1為磁晶各向異性常數(shù).對(duì)于Fe基合金,Lex約為 35 nm)以下,晶粒間強(qiáng)的交換耦合作用使得薄膜中的有效磁晶各向異性以及磁彈性各向異性被平均化而大幅減小,因此薄膜的矯頑力會(huì)顯著降低,并且將按晶粒尺寸D的六次方減小(Hc∝D6),薄膜具有良好的軟磁特性,這將在討論薄膜的磁性時(shí)得到證實(shí).另外與直接沉積在Si 基底上的FeCo 薄膜相比,衍射峰的移動(dòng)意味著薄膜中存在晶格畸變,這種晶格間的應(yīng)變可以根據(jù)晶面間距的變化來計(jì)算得到:Δε(d2?d1)/d1,其中d為晶面間距,應(yīng)變的計(jì)算是基于沉積在Si 基底上的FeCo 薄膜.在Cu,Co 和NiFe 襯底層上沉積的FeCo 薄膜的應(yīng)變分別為0.59%,0.27%和0.29%.

圖2 為不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜易軸方向的磁滯回線.可以看出,在Si 基底上直接沉積的FeCo 薄膜表現(xiàn)出較大的矯頑力以及較低的剩磁比.當(dāng)引入襯底層后,FeCo 薄膜的軟磁性都得到了一定程度的改善,結(jié)合XRD 數(shù)據(jù)分析可知,晶粒尺寸的降低是獲得良好軟磁性的原因之一.其中,在NiFe 襯底層上沉積的薄膜呈現(xiàn)出最好的軟磁性,易軸矯頑力Hce=23 Oe,在Co 襯底層上所沉積的FeCo 薄膜的矯頑力也略小于在Cu 襯底層上所沉積的FeCo 薄膜,這說明鐵磁性材料作為襯底層可以更好地優(yōu)化薄膜的軟磁性能.并且已有研究表明[19,27?30],襯底材料為面心立方(如Cu,NiFe 等)和密排六方(如Co)結(jié)構(gòu)都可以使Fe 基合金的軟磁性得到改善.隨著矯頑力的減小,不同襯底材料薄膜的剩磁比也得到明顯改善,如表1 所列.

圖2 在不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜歸一化的易軸磁滯回線Fig.2.Normalized easy axis hysteresis loops of FeCo films deposited on different underlayers.

根據(jù)以上研究可知通過添加襯底層,可改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu),那么薄膜內(nèi)晶粒間的相互作用應(yīng)該也會(huì)有所改變.目前應(yīng)用較為廣泛來表征薄膜中晶粒間相互作用的方法為δM-H曲線法,該曲線是通過等溫剩磁(isothermal remanent magnetization,IRM)曲線和直流退磁剩磁(dc-demagnetization remanence,DCD)曲線得到,即[31]:

即δM=0,說明在兩種狀態(tài)下,粒子磁矩的翻轉(zhuǎn)一致.根據(jù)Henkel 提出的理論[33],若δM≠ 0,則說明粒子間存在相互作用.當(dāng)δM>0 時(shí),粒子間表現(xiàn)出易磁化、難退磁的交換耦合作用;相反,當(dāng)δM<0 時(shí),粒子間則表現(xiàn)出難磁化、易退磁的偶極相互作用.同時(shí)粒子間的相互作用的改變也會(huì)影響薄膜的軟磁性.因此,為了解襯底層的加入對(duì)薄膜內(nèi)粒子相互作用的影響,通過測(cè)量難軸方向的IRM 曲線和DCD 曲線,由(1)式得到了δM-H曲線,如圖3 所示.所有薄膜均存在較強(qiáng)的晶粒間的耦合作用(因?yàn)榫Я３叽缧〉脑?由XRD 數(shù)據(jù)可以證明).此外,由于襯底層的引入,δM在負(fù)向出現(xiàn)了峰值,也就意味著襯底層的加入使得薄膜表現(xiàn)出較強(qiáng)的偶極相互作用,并且薄膜軟磁性較沒有襯底層的薄膜明顯提升.因此,可以推斷偶極相互作用也可以幫助改善薄膜的軟磁性.同時(shí),較非磁性襯底層,磁性襯底層還具有較高的晶粒間的耦合作用,這可能也是磁性襯底層能更好改善軟磁性的原因.

圖3 不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜的δM 曲線Fig.3.δM curves of FeCo films deposited on different underlayers.

為了進(jìn)一步研究襯底層對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的影響,圖4 為在不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜的三維原子力圖.可以看出,當(dāng)添加襯底層后,薄膜變得更加致密,表面粗糙度有所降低,從Si 基底上的0.92 nm 分別降到0.70 nm(Cu 襯底),0.85 nm(Co 襯底)和0.78 nm(NiFe 襯底).因此,可以推斷出表面粗糙度的降低是加入襯底層后薄膜軟磁性改善的原因之一.

根據(jù)Kittle 方程,薄膜的共振頻率fr與薄膜的各向異性場(chǎng)Hk和飽和磁化強(qiáng)度4πMs相關(guān),即,其中γ為旋磁比.在不同的襯底層上沉積的FeCo 薄膜,Hk和4πMs不同,將導(dǎo)致不同的共振頻率.因此,研究了沉積在不同襯底層上的FeCo 薄膜的高頻特性,磁導(dǎo)率譜線如圖5 所示.沉積在不同襯底層上的FeCo 薄膜,均表現(xiàn)出共振型曲線的特征以及良好的高頻特性,Cu/FeCo,Co/FeCo 和NiFe/FeCo 雙層薄膜的共振頻率fr分別為3.14,3.04 和2.83 GHz.對(duì)于這種類型的動(dòng)態(tài)磁化規(guī)律可以由Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程所描述[34]:

其中γ為旋磁比(γ=1.76×107Hz/Oe),α為無量綱的阻尼系數(shù).基于LLG 方程,薄膜的微波磁導(dǎo)率可以表示為[35]

其中ωr為共振角頻率.擬合了不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜的μ-f曲線(如圖5 中紅色實(shí)線),擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好.在實(shí)際應(yīng)用中,阻尼系數(shù)也是一個(gè)重要的物理量,對(duì)于不同襯底層上沉積的薄膜,擬合中所用的阻尼系數(shù)如表1 所列.在高頻磁化動(dòng)力學(xué)中,了解不同來源的阻尼至關(guān)重要,這會(huì)影響頻率線寬等物理量.在軟磁薄膜中已經(jīng)討論了許多的阻尼機(jī)制[34,36,37].一些外在的來源,例如雙磁子散射[36],實(shí)際上不能用LLG 方程很好地描述.對(duì)于本文中所制備的襯底層/鐵磁層雙層薄膜,磁譜可以很好地用LLG 方程擬合,表明吉爾伯特阻尼仍然占主導(dǎo)地位或阻尼機(jī)制可以包含在吉爾伯特阻尼形式中.在NiFe 襯底上沉積的FeCo 薄膜具有較小的阻尼系數(shù),為0.015.對(duì)具體的微波應(yīng)用而言,小的阻尼可以實(shí)現(xiàn)低的損耗,提高磁性器件的高頻應(yīng)用.

圖5 不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜的磁譜圖Fig.5.Permeability spectra of FeCo films deposited on different underlayers.

在軟磁材料的高頻應(yīng)用中,能量的損耗也是我們關(guān)注的重點(diǎn)之一.在吉赫茲下,主要的能量損耗就是渦流引起的損耗.在交變場(chǎng)中,鐵磁薄膜內(nèi)將形成渦流,造成渦流損耗.渦流的損耗功率可以表示為:Pe∝f2t2/ρ,其中f為頻率,t為膜厚,ρ為電阻率.可以看出,在同樣的材料中,理論上減小薄膜的厚度可以有效地降低高頻應(yīng)用中的渦流損耗.對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)中不同襯底層上沉積的FeCo 薄膜的性能進(jìn)行總結(jié),如表2 所列.可以看出,本文中較薄的薄膜厚度也能獲得良好的軟磁性能和高頻響應(yīng),并且本文中,FeCo 鐵磁層的厚度為13 nm,相比較于幾十或上百納米的薄膜,從理論上可以更好地減小渦流損耗,改善薄膜的高頻特性.

表2 不同襯底上沉積的FeCo 薄膜的磁性總結(jié)Table 2.Summary of magnetic properties of FeCo films deposited on different underlayers.

3.2 NiFe 襯底層厚度對(duì)FeCo 合金薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響

為了進(jìn)一步研究襯底層厚度對(duì)FeCo 薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響,以NiFe 作為襯底材料,制備了具有不同NiFe 襯底層厚度的FeCo 薄膜.圖6 為具有不同NiFe 襯底層厚度的FeCo 薄膜的XRD圖譜.薄膜均存在α-Fe(Co)(110)面的衍射峰,并且隨著NiFe 襯底層厚度的增大,衍射峰出現(xiàn)了一定的寬化.根據(jù)Scherrer 公式[24,25],估算了具有不同NiFe 襯底層厚度的FeCo 薄膜的晶粒尺寸,由不加襯底層的9.4 nm 減小至增加襯底層的7.0 nm左右.根據(jù)隨機(jī)各向異性模型(Hc∝D6),晶粒尺寸減小是獲得良好軟磁性的原因之一.

圖6 具有不同NiFe 襯底層厚度的FeCo 薄膜的XRD 圖譜(實(shí)線為擬合曲線)Fig.6.The XRD patterns of FeCo films with different NiFe underlayer thicknesses.Solid lines are the fitting curves.

圖7 給出了具有不同NiFe 襯底層厚度的FeCo薄膜的面內(nèi)磁滯回線.可以看出,在不加襯底層時(shí),薄膜具有較大的矯頑力,幾乎表現(xiàn)為各向同性.當(dāng)加入NiFe 襯底層后,NiFe/FeCo 薄膜都表現(xiàn)出良好的面內(nèi)單軸磁各向異性,易軸和難軸分別沿著平行和垂直于外加磁場(chǎng)的方向,面內(nèi)各向異性場(chǎng)Hk的大小都在50—60 Oe 之間,這也是磁場(chǎng)誘導(dǎo)感生各向異性的典型數(shù)值.同時(shí),薄膜呈現(xiàn)出較好的軟磁特性,易軸具有極高的矩形度,剩磁比Mr/Ms約為1,且難軸的剩余磁化強(qiáng)度較低,這意味著薄膜中的磁矩基本沿著易軸的方向.

圖7 NiFe 襯底層厚度為(a) 0,(b) 1,(c) 2.3,(d) 4.6,(e) 7,(f) 9.3 nm 的FeCo 薄膜的面內(nèi)磁滯回線Fig.7.In-plane hysteresis loops of FeCo films with NiFe underlayer thickness of (a) 0,(b) 1,(c) 2.3,(d) 4.6,(e) 7,and (f) 9.3 nm.

圖8 展示了FeCo 薄膜的面內(nèi)矯頑力Hc和飽和磁化強(qiáng)度4πMs與NiFe 襯底層厚度的關(guān)系.隨著NiFe 襯底層厚度的增大,薄膜的軟磁性能得到改善,當(dāng)NiFe 襯底層厚度為4.6 nm 時(shí),易軸的矯頑力到達(dá)最小(Hce=22 Oe),之后略微上升,但均維持在30 Oe 以內(nèi).難軸矯頑力均在10 Oe 以內(nèi),矯頑力的變化趨勢(shì)也與之前研究類似[21,38,40].同時(shí),NiFe/FeCo 薄膜的飽和磁化強(qiáng)度由于NiFe 襯底層的引入有所下降,這是因?yàn)殍F磁性襯底層NiFe的飽和磁化強(qiáng)度小于FeCo 合金薄膜的飽和磁化強(qiáng)度,并且主層厚度較小,使得薄膜的飽和磁化強(qiáng)度隨著NiFe 層厚度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì).當(dāng)NiFe層厚度為9.3 nm 時(shí),飽和磁化強(qiáng)度降到最低,為18.7 kG (1 G=10–4T).

圖8 NiFe/FeCo 薄膜的面內(nèi)矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度與NiFe 襯底層厚度的關(guān)系Fig.8.Dependence of the in-plane coercivity and saturation magnetization of NiFe/FeCo films on the thickness of NiFe underlayers.

圖9 為沉積在不同厚度NiFe 襯底層上的FeCo薄膜的動(dòng)態(tài)磁性,使用LLG 方程對(duì)磁譜進(jìn)行了擬合.薄膜均表現(xiàn)出共振型曲線的特征,擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好.并且,隨著NiFe 襯底層厚度的增大,薄膜的共振頻率fr向低頻移動(dòng),由1 nm 時(shí)的3.13 GHz 降低到9.3 nm 時(shí)的2.78 GHz,這是由于飽和磁化強(qiáng)度和各向異性場(chǎng)的降低所引起的.這樣,便可以通過改變襯底層的厚度對(duì)薄膜的動(dòng)態(tài)磁性進(jìn)行調(diào)控.同時(shí),薄膜的實(shí)部磁導(dǎo)率在低頻段維持在一個(gè)較大的值(350—450).因此,這類NiFe/FeCo 薄膜可應(yīng)用于要求高磁導(dǎo)率且工作在吉赫茲頻段的微波磁性器件.

圖9 NiFe 襯底層厚度為(a) 1,(b) 2.3,(c) 4.6,(d) 9.3 nm 的FeCo 薄膜的磁譜圖,紅線為基于LLG 方程的擬合結(jié)果Fig.9.Permeability spectra of FeCo films with NiFe underlayer thickness of (a) 1,(b) 2.3,(c) 4.6,and (d) 9.3 nm.The red lines are the fitting results based on the LLG equation.

NiFe/FeCo 薄膜的共振頻率fr,各向異性場(chǎng)Hk,阻尼系數(shù)α以及頻率線寬Δf隨NiFe 襯底層厚度的變化關(guān)系如圖10 所示.阻尼系數(shù)通過磁譜的擬合得出,頻率線寬為[41]

圖10 (a) NiFe/FeCo 薄膜的各向異性場(chǎng)和共振頻率與NiFe 襯底層厚度的關(guān)系;(b) NiFe/FeCo 薄膜的阻尼系數(shù)和頻率線寬與NiFe 襯底層厚度的關(guān)系Fig.10.(a) Dependence of anisotropic field and resonance frequency of NiFe/FeCo films on thickness of NiFe underlayers;(b) dependence of damping coefficient and frequency linewidth of NiFe/FeCo films on thickness of NiFe underlayers.

上述方程很好地解釋了頻率線寬與阻尼系數(shù)相似的變化趨勢(shì),如圖10(b)所示.并且各向異性場(chǎng)與共振頻率隨著NiFe 襯底層厚度的增大呈現(xiàn)出相同的下降趨勢(shì)(如圖10(a)),根據(jù)Kittle 方程得到的共振頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好.此外,所有的薄膜均表現(xiàn)出較小的阻尼系數(shù),在0.01—0.02 之間(見圖10(b)),使其在微波應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)低損耗.

4 結(jié)論

本文研究了不同襯底層材料(Cu,Co 和NiFe)以及NiFe 襯底層厚度對(duì)FeCo 薄膜結(jié)構(gòu)與磁性的影響.研究結(jié)果表明:NiFe 襯底材料對(duì)薄膜軟磁性的改善效果最佳,矯頑力較沉積在Si 基底上的薄膜減小了79 %,良好軟磁性的原因?yàn)榫Я３叽绲臏p小、層間的偶極相互作用以及表面粗糙度的降低;對(duì)于不同NiFe 襯底層厚度的FeCo 薄膜,均具有較小的阻尼系數(shù)(0.01—0.02),較高的初始磁導(dǎo)率(350—450)和良好的高頻響應(yīng)(2.78—3.15 GHz);NiFe/FeCo 薄膜的共振頻率,各向異性場(chǎng)與NiFe襯底的層厚度有關(guān),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜動(dòng)態(tài)磁性的調(diào)控.本文所研究的具有較低厚度的FeCo 合金薄膜表現(xiàn)出良好的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)磁性能,同時(shí),在理論上還能降低薄膜在高頻應(yīng)用中所產(chǎn)生的渦流損耗,使其成為應(yīng)用于微波磁性器件的潛力材料.