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摘要近年来随着电子元器件向小型化、高频化、集成化方向发展 对

发布时间:2019-06-12 03:55 来源:未知 编辑:admin

  摘要近年来随着电子元器件向小型化、高频化、集成化方向发展 对作为电子器件基础的材料提出了更高的要求。为了适应磁性器件的需要 具有高磁导率并至 共振频率的软磁薄膜成为磁性材料研究领域的最新热点。由于磁性薄膜在存储材料 读写磁头方面的应用 它们的磁各向异性场和动态响应越来越引起人们的关注。为了提高数据的

  摘要近年来随着电子元器件向小型化、高频化、集成化方向发展 对作为电子器件基础的材料提出了更高的要求。为了适应磁性器件的需要 具有高磁导率并至 共振频率的软磁薄膜成为磁性材料研究领域的最新热点。由于磁性薄膜在存储材料 读写磁头方面的应用 它们的磁各向异性场和动态响应越来越引起人们的关注。为了提高数据的存储速率 反磁化过程被最大程度的控制 这种技术的要求导致了一些基础磁性的研究 例如各向异性场 饱和磁化强度 甚至有效阻尼因子。我们在室温条件下利用射频磁控溅射方法制备了 薄膜。发现利用斜溅射的方法在 薄膜中掺入微量的 元素导致更加良好的软磁性能和高频响应 矫顽力小至 共振频率达到 。我们利用自由各向异性模型定性解释了这种优化主要来源于 颗粒之间的交换耦合的增大。因此 单个颗粒的磁晶各向异性场被抑制。并且 对于利用斜溅射制各的样品来说 斜溅射诱导的各向异性场对样品的静、动态磁性起决定性因素。也就是说 可以通过调控溅射角度来在位控制静动态磁性。我们也利用斜溅射的方法制备了 软磁薄膜。阻尼因子是决定动态响应和磁谱虚部共振峰半高宽的主要因素 其随着 含量的增加明显增加。拟合磁谱得到 的阻尼因子为 相比基本增大了一个数量级。关键词 磁控溅射 软磁薄膜 高频性能 阻尼因子 原创性声明本人郑重声明本人所呈交的学位论文 是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等 均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名 密建拯日期 堕关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名 、盗垂拯导师签名 章综述引言第 章综述在科学技术日新月异的今天 材料是人类社会发展的物质基础和先导 而新材料的发展水平则是人类社会进步的重要标志。纵观人类科学的发明和应用历史 可以清楚地看到 每一种重要新材料的发现和应用都会把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。在诸多新型材料中 磁性材料是国民经济各个领域不可缺少的功能材料 它不仅满足了传统工业的发展要求 而且在电子、信息、能源等新技术中也起着越来越重要的作用。随着科学技术的不断进步 磁性材料除不断提高现有材料的性能和质量外 必将会有新材料出现 以满足不断发展的电子技术的要求 】。随着电子技术的飞速发展 人们生活中电磁污染不断增多 同时为满足现代战争的需要 吸波材料在武器中将有广泛的应用 研究具有吸波性质的材料对于民用和军用都有极大的实用价值 。吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量 并且通过材料的介质损耗将电磁波能量转换成其他形式的能量 如机械能、电能和热能等 而消耗掉的一类材料。根据电磁波吸收机理的不同 吸波材料主要可分为磁损耗型和电损耗型两大类【 】。近年来 随着电子微波技术的飞速发展 对吸波材料性能的要求也越来越高 吸波材料的研究热点主要集中在如何获得更优的吸波特性方面。 般传统的吸波材料难以满足新的需要 因此必须借助新材料和新工艺来解决这一问题 其中吸波材料的超细化 便是发展的热点趋势之一。随着近年来对纳米材料研究的不断深入 特别是有关纳米量级高频软磁吸波材料具有良好的吸波性能 同时兼备了质量轻、宽频带、厚度薄及兼容性好等特点 引起各国研究人员的极大兴趣 都以纳米材料作为新一代吸波材料加以探索和研究 。下面将介绍应用广泛的高频软磁材料的发展过程 以及作为研究热点的高频软磁薄膜的研究现状。第 章综述 高频软磁薄膜材料 高频软磁材料的发展现状磁性材料作为信息功能材料的主要部分 是一种用途广泛的基础功能材料 而软磁材料则是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。所谓软磁材料是指能够迅速响应外磁场的变化 且能低损耗地获得高磁感应强度的磁性材料。对软磁材料性能的基本要求有 高的初始磁导率、最大磁导率、高的饱和磁感应强度、小的矫顽力以及低损耗【 】。最早的软磁材料始于十九世纪末工业纯铁 经过百余年的发展 软磁材料的性能越来越高 成分由简单到复杂 已发展成一个由工业纯铁、 合金、 合金、 合金、 合金、 基非晶合金、 基非晶合金、 基非晶合金和铁氧体等构成的多品种磁性材料体系【 】。随着电子元器件向微型化、高频化、集成化等方向发展 功能材料从三维向低维材料发展成为必然趋势 软磁材料的薄膜化成为必然发展方向 】。磁性薄膜研究的快速发展 已成为近些年来磁学和磁性材料发展的一人特征。有人称 世纪的磁学将是薄膜的天下【 虽然说有点夸张但是并非毫无依据。磁性器件的应用范围涉及磁记录头、微电感、微变压器、电磁噪声抑制器和高频磁传感器等。因此 人们对磁性薄膜在高频 频段范围内的电磁性能、对 艺控制等方面开展了广泛和深入的工作。目前 人们研究的片式电感器、薄膜磁头、薄膜变压器等的工作频率已进入 频段 工作频率为数百 频段的低成本、高可靠性的薄膜滤波器的研制也正在蓬勃进行之中【】。通常 由于铁氧体材料具有较高的电阻率 所以在高于 频率范围内有广泛应用。但是考虑到斯诺克公式的限制 由于铁氧体材料的截止频率通常小于 频率范围内的磁导率实部值通常都低于。而铁氧体薄膜制备通常需要比较高的温度 这给薄膜的实际制备与应用带来了很大的不便。由于金属软磁材料是由磁性基本元素与众多非磁性元素巧妙组合而成的它们的性质和作用很不相同 但是这种组合可导致材料结构的多样化 以达到材料最佳磁性和优异综合技术特性的目的。所以近年来以 基、或者基为主体的铁磁非晶膜、纳米磁性颗粒膜及纳米晶薄膜的研究十分活跃 这类铁磁薄膜具有高居里点、高饱和磁感虑强度、以及在 频率下能够得到比铁氧体更高的磁导率。因此在集成化微磁器件 抗电磁干扰以及新型雷达波吸收材料的研究中受到了广泛和高度的重视。 章综述对于软磁材料来说必须有低的矫顽力。当其在高频下应用时 还需要有以下性质 比较高的电阻率 有利于减小涡流损耗 尽可能高的饱和磁化强度 以利于提高起始磁导率 适度的各向异性场 用来控制薄膜的截止频率 高的有效阻尼因子 用来满足吸波材料的条件。 高频软磁材料的静态磁性材料的物理性质涉及多种学科 而磁性是不同于材料导热性、导电性和机械性质的另一类宏观物理性质。若表征磁性的参数与时间因素无关 叫静态磁性。磁性材料对外磁场有明显的磁性响应特性 可以用磁化曲线和磁滞回线来表征 我们可以从磁化曲线和磁滞回线得到静态磁性参数。 磁化曲线是表示磁感应强度 或者磁化强度 与磁场强度月之间的非线性关系。磁化理论常用肛日关系或者曰 联系 工程技术中 研究问题。在 曲线中 小变大时随着急剧增大 朋逐渐趋近于一个确定的必值称为饱和磁化强度 但是在 曲线中 从小变大时 刚开始时占随晰急剧变化 当月增大到一定值后 曰并不趋近于一个特定值 而是以一定的斜率上升。 材料磁化到饱和以后 逐渐减小外磁场 材料中对应的磁化强度 磁感应强度 随之减小 但并不沿初始磁化曲线返回。当臌小到零时 材料仍保留一定大小的磁化强度或磁感应强度 称为剩余磁化强度膨 剩余磁感应强度 。剩磁是所有剩余磁化强度 剩余磁感应强度 的上限。反向磁场增加 减小。当反向磁场达到一定值时磁化强度 磁感应强度 那么这时的磁场强度称为矫顽力。它是磁性材料的一个重要参数是划分软磁材料、硬磁材料的重要依据。外磁场日沿反方向逐渐增加 磁性材料反磁化逐渐达到饱和。在外加磁场 从正的最大到负的最大 再回到正的最人这个过程中 形成了一条闭合曲线称为磁滞回线。磁化曲线和磁滞回线反映了磁性材料的许多磁学特性 包括饱和磁化强度坛、剩磁 磊、矫顽力皿、磁导率肌最大磁能积俾印 形夕磁体是一个广泛应用的描述磁滞行为的模型。材料的技术磁化有各种机制 而磁滞回线的形状依赖于占主导地位的磁化机制 最简单的情况可能就是无规则取向的单轴单畴铁磁体的集合。对于一个具有理想单轴各向异性的单畴磁体 由于没有畴壁 它的反磁化模型由一致转动决定 在转动过程中 原子的自旋始 章综述终保持平行在许多情形下这是很好的近似。对于孓形单畴磁体 当施加一外场时 磁滞回线可以通过外磁场和各向异性能综合的最小值计算出。从图 可以看出 对于理想的单畴磁性材料 易轴矫顽力等于各向异性场 。磁性材料的矫顽力是一个结构敏感的磁性参量与材料的微结构、热处理、杂质以及磁性历史等有很人关系 这些对饱和磁化强度并不适用 大小可以有几个数量级的变化。“硬”和“软”被用来在矫顽力的基础上区分铁磁体。“硬”磁材料是指矫顽力在 以上的磁性材料 “软”磁材料是指矫顽力在 以下的磁性材料 章综述图所示的磁性材料的磁滞回线的形状具有方向依赖性 称具有磁各向异性。图中符号 表示的是沿易磁化方向的磁滞回线 表示的沿难磁化方向的磁滞回线。薄膜的性质确似一单畴时 难轴方向回线是一直线。非品态材料磁各向异性常数很低而对于晶态薄膜来说 其磁各向异性除与晶体结构密切相关外 还会随其微细组织、成膜方法甚至形状的不同而变化。 等人 提出的计算各向异性场的方法 一个等效的各向异性场对应于单轴各向异性 可以定义为 晶粒尺寸对软磁材料性能的影响对于软磁材料来说 矫顽力是一个很重要的参数 而晶粒尺寸又是影响矫顽力的一个重要因素。单畴尺寸是铁磁性材料晶粒尺寸关键的临界值。大多数铁磁性材料都是多畴结构 多畴结构中畴壁的存在是为了降低系统的总能量。当铁磁材料颗粒的尺寸减小到一。定程度时 多畴的畴肇能就会高于单畴的退磁场 此时畴壁的出现会增加体系的总能量 为了具有更低的能量 铁磁颗粒将由多畴结构变化为单畴结构 这一颗粒尺寸就是材料的单畴临界尺寸。单畴临界尺寸与晶体结构、颗粒形状、组成材料等因素密切相关。在传统软磁材料中 晶粒尺寸一般在 量级。对于大晶粒尺寸材料来说其颗粒尺寸大于单畴临界尺寸时 每个颗粒中的磁化强度将指向颗粒中的易磁化方向 同时出现磁畴 每个磁畴中原子磁矩将由于相互交换作用而平行排列。一般情况下 如果晶粒尺寸大于畴壁宽度 其磁化过程将由晶界处畴壁钉扎理论决定。一般磁性材料的矫顽力皿和初始磁导率胁可以写成 、『上式中、凡为常数。甄、么、腿、 分别是磁晶各向异性常数、交换常数、饱和磁化强度、交换耦合长度和晶粒大小。当晶粒尺寸小于临界尺寸时晶粒处于单畴状态 晶粒内所有的磁矩平行取向。若这一晶粒集合体中所有颗粒变小 即颗粒间距同时变小 那么单畴晶粒之间的铁磁交换

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