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摘要随着垂直磁记录材料、磁头技术和无线数据传输技术的不断发展

发布时间:2019-06-19 05:09 来源:未知 编辑:admin

  摘要随着垂直磁记录材料、磁头技术和无线数据传输技术的不断发展 迫切需要提高软磁薄膜的使用频率。在饱和磁化强度无法继续提高的背景下 面内单轴各向异性的调控在软磁薄膜的制备过程中变得十分重要。本文中 利用射频磁控溅射和微磁学模拟 程序等工具 在实验和模拟两方面研究了调控软磁薄膜面内单轴各向异性的方法。得

  摘要随着垂直磁记录材料、磁头技术和无线数据传输技术的不断发展 迫切需要提高软磁薄膜的使用频率。在饱和磁化强度无法继续提高的背景下 面内单轴各向异性的调控在软磁薄膜的制备过程中变得十分重要。本文中 利用射频磁控溅射和微磁学模拟 程序等工具 在实验和模拟两方面研究了调控软磁薄膜面内单轴各向异性的方法。得到的卡要结果如下 、通过改变溅射气体 的流量和倾斜溅射偏角 系统研究了溅射条件对 软磁薄膜的面内单轴各向异性和软磁性能的影响。结果表明 随着 流量的增加 薄膜的面内单轴各向异性和软磁性能逐渐变差。而随着溅射偏角逐渐增大 薄膜的面内单轴各向异性场的大小随之增大 方向并未发生明显的变化。 、通过改变 含量可以有效地控制 软磁薄膜的而内单轴各向异性场和矫顽力。实验结果表明 软磁薄膜面内单轴各向异性场的火小并不随 含量单调变化 向是在某一 含量处出现极大值 而矫顽力随着 含量增加单调降低。并成功制备得到了具有 面内单轴各向异性场的 薄膜。 、利用微磁学模拟研究发现 由饱和磁化强度不同的磁性相交替排列组成的双相条纹耦合体系可以诱导出而内甲 轴各向异性。进一步的模拟和理论推导的结果证明 这种而内单轴各向异性来 两相间磁矩的偶极相互作用 其大小与两寿 饱和磁化强度的差值的平方和薄膜厚度成正比 与两相的条纹宽度成反比。 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已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 救日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。论文作者虢勰灶师签涵邀 林敏兰州人学研究牛学位论文第一章综述第一章综述“磁”现象的发现已经有几千年历史人类早期对磁性材料的应用仅仅局限在指南针和“磁”可吸铁上。直到工业革命之后 生产力的不断发展促使人们研究并且工业应用各种新型的技术和材料。伴随着这样的契机 磁学和磁性材料也得到了迅速的发展。人们通常根据不同的应用需求 将磁性材料笼统的分为软磁材料和永磁材料。而传统的软磁材料在工业化的过程中 经历了从金属软磁 软磁铁氧体到非晶和 纳米品软磁材料的发展过程。随着信息化时代的束临 软磁材料必将继续占据重要的地位 并不断地向着微型化、薄膜化、高频化、易集成等方向发展。 软磁材料的发展‘ 软磁和硬磁材料的划分取决于其矫顽力的大小通常认定矫顽力小于 的材料为软磁材料。而对软磁材料性能的要求也会根据应用目的的不同而不同。但就磁性利。料的应用而言首要考虑的是其居里温度 因为居里温度直接决定了这种材料在实际中应用巾的温度范围。具体到软磁材料一般希望它具有高的磁导率 和饱和磁化强度必 低的矫顽力乜和损耗。软磁材料的种类主要有以硅钢片、坡莫合金、仙台合金等 包括 为代表的纳米晶软磁合金以及本义所研究的纳米结构软磁薄膜此外还有诸如纳米粒状组织软磁合金之类的软磁材料。在软磁材料的工业应用中 上世纪 年代以前主要应用金属软磁材料。伴随着器件工作频率的提高 金属软磁材料电阻率较低会导致高的涡流损耗 随着工作频率的继续提高还会导致趋肤效应 囚此金属软磁材料不能满足口益提高的使用频率。为了研发出适宜于在高频下使用的高电阻率软磁材料 铁氧体软磁材料应运而生。 年荷兰 实验室的 研制成功了适于在接近 高频下应用的软磁材料——软磁铁氧体。软磁铁氧体根据其晶体结构可分为两种 即立方林被兰州大学研究生学位论文第一‘章综述晶系的尖品石 适用于低频、中频和高频 和平面六角品系的磁铅石 适用于特高频 铁氧体三大系列。由于软磁铁氧体在较高频段显示出的优异性质上世纪 年代到 年代它在工业应用领域占据着绝对优势的地位。由软磁铁氧体材料制成的各种磁芯几乎出现在所有的电器中。但是 铁氧体材料由于较低的必很难满足更高的频率要求。上世纪 年代 非晶合金研制成功 以及 年具有比非晶合金更高的饱和磁化强度必 且具有高的截 卜频率和磁导率的 纳米晶软磁材料问世。非晶和纳米晶软磁材料的性能优于软磁铁氧体 但是性价比不如软磁铁氧体 在低端应用中仍然主要依靠软磁铁氧体。虽然软磁材料主要考虑其高的磁导率 和饱和磁化强度坛 低的矫顽力腹和损耗 但是左右软磁材料发展的一个主要因素却是它的截止频率。随着信息化时代的来临 微型化、薄膜化、高频化、易集成等特性已经成为现代工业的主旋律 。相比于其它电子器件 磁性器件显得很难适应这种趋势。这主要因为磁性材料特别是软磁材料通常不具备很高的截止频率 这也大大限制了它的高频应用前景。在这种背景下 纳米晶或非晶软磁薄膜的研究日益成为热点。之所以选择纳米品或者 品体系 是因为在纳米品和非品软磁材料中发现了优于软磁铁氧体的软磁性能。为什么又是薄膜体系呢 原因之一是薄膜化符合现代工业的发展趋势 原因之二是因为软磁薄膜体系比软磁块体材料具有更高的截止频率 式给出了立方和单轴结构块体软磁材料截止频率的变化关系式是具有面内单轴各向异性薄膜材料截止频率的变化关系【 式可以得出软磁薄膜的截止频率要高于块体的截止频率更能适应在高频下的应用。同时 调控软磁薄膜的面内单轴各向异性场的数值可以实现软磁材料截止频率的调节 所以当软磁材料发展到纳米晶或非晶软磁薄膜的阶段后 除了需要具有高的磁导率肌饱和磁化强度坛和低的矫顽力见、损耗外 还必须具有适当大小的面内单轴各向异性场。 林敏兰州大学研究生学位论文第。章综述 软磁材料的应用软磁材料几乎出现存生活中的每个角落 例如 视听设备、家用电器、电磁兼容、绿色照明等诸多领域。这些常规需求软磁铁氧体已经能够满足。而在信息领域 随着信息总量的爆炸性增长 人们对信息存储的密度 信息传输和转换速度的要求越来越高 与之相关联的软磁材料的工作频率也在不断增加。例如 数据传输 器件 读磁头等 随着磁记录密度的高速增加人们对数据传输速率的要求越来越高。只有存在与磁记录密度相匹配的数据传输速度 才能使高的磁记录密度显得有意义。因此 作为数据传输工兰室暑星参譬墨茎《盟鱼璺 具的磁性材料必须保证能在更高频率的交变电流磁场下正常工作。通常情况下磁场作用下的铁磁材料实现其任意稳定磁化状态都需要一定时间。如果在交变磁场作用下 铁磁材料的磁化状态的改变可能会在时间上落后交变磁场的变化。此时 磁导率就不是一个简单的实数 取而代之的是复数形式 即所谓的复数磁导率。而高频磁场作用 铁磁材料被周期性的反复磁化形成的回线称为动态磁滞回线。动态磁滞回线的大小和形状将随交变磁场强度的大小和频率的变化而变化。实验结果显示当交变磁场的强度减小或者交变磁场的频率增大时 动态磁滞回线的形状会逐渐趋于椭圆。 蚺蚺林敏兰州入学研究生学位论文第一。章综述假设交变磁场按照正弦形式变化 根据椭圆动态磁滞回线 发现得到的磁感应强度 的变化规律也为正弦形式 但在时间上落后 一个相位差 。以上表述的数学推导如下 交变磁场 和磁感应强度 可以表示为 此时复数磁导率可表示为 涡流效应交变磁场引起磁性材料中磁通量的改变产生感应电流。这种电流在材料内部构成闭合回路并呈漩涡状 即为涡流。而涡流又会产生反抗磁通变化的磁场 从而导致磁化时间的滞后 成为相位差的来源之一。此外 涡流会引起涡流损耗。而在膜厚小于 岬的磁性薄膜中 涡流损耗很小不占主导地位 磁导率的频散和铁磁共振现象交变磁场作用下的磁化过程中 材料的畴壁移动或者磁矩转动过程奉身需要时间 并且在上述两个过程中还存在阻尼。在畴壁移动过程中 外加交变场的频率接近畴壁振动的本证频率时 畴壁会发生共振 此时的交变磁场能量会被大量吸收 使得能量损耗人人增加。在磁矩转动过程中 磁矩的运动遵循 进动方程。磁矩进动存在固有频率 当外加交变场的频率与其相等时 就会发生共振吸收。 式可知当磁软磁薄膜的饱和磁化强度的大小无法继续提高时其微波共振频率将取决于其面内单轴各向异性场的大小。换言之 当软磁薄膜具有足够大的面内单轴各向异性场时 磁性材料将有可能在更高的频率范围中发挥作用 以实现数据的更高速传输。 三明治结构中通过改蹙 层厚度使得两 层之问存在反铁磁耦合作用 。根据该结果 法国巴黎大学的物理学家 设计 一多层膜 成功地使磁电阻效应得到放大 使之成为巨磁电阻 效应虽然出现仅仅 但足对现代科技的影响已是十分显著这【乜直接促使其发现者获得诺贝尔物理奖。 效应可定性的利用耿电流模型解释 即将传导电子分为自旋向上和向下两类 它们分别独立的贡献电导 并假定存敞射过程中的自旋取向并不发牛反转 如图卜 所示。…啡耻足三一忙川 双电流模型示意圉阁】给出了双 流模型的示意图。当电子的自旋与磁层磁化方向相同叫 电子的平均自由程较长 处于低电阻状态。相反 子的自旋与磁性层的磁化方向相反时电子的平均自由程较短 处于高阻状态。即图 中所示的 和恕的数值不同。基于以上前提 如出现图 所示两种磁化强度的排列方式时 多层膜结构会表现出不同的阻值 从而出现 效应。建立在自旋相关散射基础上的双电流模型是对 效应的定性解释【 两种自旋阔结构的简图分开的结构 顶层软磁磁层可以自山反转而另种自旋阀结构采用不同矫顽力的两个铁磁倒层的结构 两铁磁层被一非磁性层踊开。返两种结构巾外场只能使得一个 未被钉扎或者所低的 软磁性层反转 从而实现从铁磁有序向反铁碰有序的过渡 效应。自旋阎结构的优点是只需很低的外场就可以实现磁性层磁序的变化咀实现高的灵敏度 目前已广泛应用。 器件 如读磁头等 的最高工作频率完全是山上层戟磁性层的性质决定 要利用的是所示的结构。但是 结构由于涉及到反铁磁材刳希 应用中的工序比较复杂。如果能简易调节铁磁薄膜的矫碗力 分简单。众所周知缺定铁磁薄膜矫顽力的主要因素韵反磁化机制和磁各向异性。就大多数软磁薄膜而言其反磁化机制近乎相同 例如遵从一致转动模型。所以可以通过调控铁磁薄膜的各向异性实现 结构。通过前面 效应的实现条件可知 相邻的磁性层发生从铁磁向反铁磁的渡越十分重要。凼此 结构中的铁磁薄膜必须有定的面内单轴各向异性场。当两磁性层的面内单轴各向异性的方向一致且其矫顽力人小相差较大时就 能满足上述条件。现实情况是 当铁磁薄膜的矫顽力变大后 其面内单轴各向异性将会变得不明显甚至消失 铁磁薄膜也会趋于面内各向同性。这也阻碍了 结构工业化巾的应用。三、 是一种非挥发性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器 的高速读取写入能力 以及动态随机存储

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