组合条纹图案的 FeCoBSi 薄膜的厚度相关磁和微波共振表征

背景

随着电信技术的飞速发展，电磁干扰（EMI）问题导致此类系统在高频下的性能恶化，引起了公众的极大关注[1,2,3,4,5]。为了满足EMI屏蔽材料的要求，需要磁膜的宽带和可控谐振[6, 7]。同时，设计频率下的高阻尼系数将有助于实现有前途的 EMI 设备 [8, 9]。由于薄膜的面内单轴各向异性可以在千兆赫频率下产生良好的软磁特性，因此，更好的吸收特性，包括感应磁场 [10]、沉积过程中的感应应力 [11]、多层设计 [12] 等几种方法和外部磁场下的后退火 [13, 14]，进行了研究。此外，由人工结构设计的具有诱导形状各向异性的图案化磁性薄膜由于其可控性和鲁棒性而备受公众关注[15, 16]。鉴于此，我们以前的工作[17]中提出了双条纹图案化的 FeCo 基磁性薄膜。实验过程中观察到了宽共振带和双共振峰现象，这归因于独立磁条贡献的双共振源的叠加。

因此，在本文中，为了进一步扩展共振带，我们引入了一种独特的组合条纹图案 FeCoBSi 薄膜，其中包含具有五种不同宽度的各种条纹，并分析了由于使用 Landau-Lifshitz-Gilbert 的多个共振峰而导致的微波共振特性（ LLG) 游行运动形式主义。宽谐振带现象随着 4 GHz 的半高全宽 (FWHM) 在较薄的厚度（即我们的实验中为 45 nm）而得到增强。同时，共振频率的变化可以通过与退磁因素相关的数学公式来预测。由于条宽不同，形状诱导的有效各向异性场可以进一步说明该结果，这使得在实际应用中可以通过传统的光刻工艺进行控制。

实验

在室温下通过直流磁控溅射在硅（111）衬底上沉积了不同厚度的 Fe66Co17B16Si1 薄膜。沿着基板的短轴施加 500 Oe 的外部磁场以诱导平面内单轴各向异性，如图 1 所示。传统的紫外线 (UV) 光刻技术和剥离方法用于制造组合条纹图案。处理包含不同宽度的各种条纹的组合条纹图案的 FeCoBSi 薄膜。条纹依次排列，宽度顺序分别为 5、10、15、20 和 25 微米。独特条纹的分离间隙固定为 5 μm。图案化薄膜的厚度从 45 到 135 nm 不等。

沉积过程中外感应磁场的示意图(a ) 和组合条纹图案磁性薄膜 (b ）。每个条纹的宽度分别为 5、10、15、20 和 25 μm。两条条纹之间的间隙宽度固定为 5 μm。沉积后进行剥离工艺以暴露薄膜的最终结构

薄膜的厚度通过扫描电子显微镜（SEM）的横截面观察来确定。通过振动样品磁强计（VSM）测量磁膜的相应静态特性，即磁滞回线。微波特性通过连接到矢量网络分析仪的短路微带传输线扰动方法在 0.5-6 GHz 频率范围内表征。

结果与讨论

图 1a 显示了具有外部感应磁场的沉积设置方案。在沉积期间施加 500 Oe 的外部磁场以诱导平面内单轴各向异性。在沉积后处理剥离方法以暴露于膜的图案化结构。图 1b 展示了我们磁性薄膜的组合条纹图案结构。每个条纹的宽度顺序分别对应于 5、10、15、20、25 μm，而每个条纹之间的间隙固定为 5 μm。根据我们之前的工作，在 XRD 测量过程中，除了来自衬底的 Si（111）外，没有明显的结晶峰 [18]。因此，我们的薄膜的晶体结构为非晶或纳米晶。

研究了以 45 至 135 nm 的不同厚度沉积的组合条纹图案薄膜的静磁特性。易轴定义为与感应磁场方向相同，而难轴与其正交，图 2. M/Ms 的当前部分 在现场测量的薄膜的 -H 环范围在 100 和 - 100 Oe 之间 .易轴和难轴之间的差异清楚地显示了感应的面内单轴各向异性，这是由感应磁场以及条形感应各向异性引起的。此外，图 2 中的磁滞回线显示出良好的软磁特性，H ch 低至 13 Oe，其中 H ch 是沿硬轴的矫顽力，H ce 是沿易轴的矫顽力。随着薄膜厚度的增加，H ch 会从 45 nm 处的 32 Oe 降低到 135 nm 处的 13 Oe，这与 Herzer [19] 提出的随机各向异性模型一致。所有细节都可以在我们以前的工作中找到[18]。

不同厚度组合条纹图案磁膜的磁滞回线。结果显示在每个图片中由感应磁场方向定义的易-难轴。从a d , 薄膜厚度从 45 到 135 nm 不等

图 3 显示了不同厚度的组合条纹图案薄膜的渗透率谱的实部和虚部对频率的函数。有趣的是发现对于 t =45 nm，在f处出现分裂共振峰 低和 f 分别是测量频率范围内的高频。根据这张图，当 t =45 nm，μ' 高在 170 左右，而 f 低仅达到约 3.2 GHz 和 f 高约为 5 GHz。随着厚度的增加，f的值 低一直增加。对于 t =135 nm，我们发现 μ′ 仍然可以保持在 170 的适当水平，f 低同时增加到 4.2 GHz 的可观值，而 f 高 可能超出 6 GHz 的测量频率范围。定义为半高全宽 (FWHM) 的共振带在 45 nm 的厚度下加宽到 4 GHz 以上，这比具有 2 GHz 的双条纹图案薄膜的 FWHM 更宽 [18]。它可能为未来作为宽带微波 EMI 吸收器的应用铺平道路。宽带现象是由于五个不同宽度的条纹引起的不同形状的各向异性场。将间隙的固定宽度视为 5 μm，该宽度足以将两个连续的条纹磁分离而不会产生耦合效应。因此，每个条纹实际上彼此独立，导致在微波激发下产生单独的磁响应。对高频电磁场的总响应应该是五个不同宽度条纹的数学加法。此外，形状各向异性对于确定薄膜的有效各向异性，即共振频率，起着至关重要的作用 [20]。因此，在进行微磁分析时需要考虑退磁因素。为了证明我们薄膜的动态特性，使用LLG Gilbert方程公式[21]结合退磁效应来描述具有单轴各向异性的磁性薄膜的高频现象。因此，高频磁导率可用下式描述：

在室温下测量的不同厚度组合条纹图案的 FeCoBSi 薄膜的渗透率谱揭示了薄膜的真实渗透率 (a ) 并表现出虚渗透率 (b )

其中 4πM s 定义为饱和磁化强度，α 是阻尼系数，γ 是旋磁比（1.76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ 铁钴合金），H e 是有效的各向异性归档，并且 N x , N 是 , N z 分别为沿三个正交方向的退磁因子。 f r 可由基特尔方程推导出为

鉴于我们的薄膜中包含不同宽度的条纹，这会引起独特的形状各向异性，导致共振峰分裂，整个光谱应被表征为五个单独的一个的数学加法。沿 x 的退磁因子 , y , 和 z 方向可以写成[20]

其中 L 是沿 z 的长度 -轴，W 是沿 x 的宽度 -axis 和 T 是沿 y 的厚度 -轴。利用公式(3)、(4)、(5)和LLG公式，可以分别计算出5～25μm不同磁条宽度对应的谐振频率。

图 4 展示了不同厚度从 5 到 25 微米的不同条纹的计算共振频率。在这个计算中，α 设为 0.03，对谐振频率的位置影响不大。从连续FeCoBSi薄膜的实验结果中提取的饱和磁化强度和有效平面各向异性场设置为1345emu/cm ³ 和 40 Oe [18]，分别。在非晶磁性薄膜中，磁晶各向异性可以被忽略，导致形状各向异性在谐振频率确定过程中具有更重要的作用，这在[20]中得到了证明。因此，由于间隙保持的去耦效应，不同宽度的条纹应该有助于产生独特的共振峰，理论上会导致光谱中出现多个共振峰。此外，随着薄膜厚度的增加，主谐振频率会增加，不同宽度的条纹（如图 4 所示）之间的频率差异会增大。因此，如果薄膜的厚度足够薄，则多个共振峰之间存在很强的超定位效应，在这种情况下，磁谱带表现出明显的展宽行为。随着厚度的增加，这种叠加效应减弱，因为共振频率差异更加明显。随着厚度增​​加到 110 纳米以上，具有一定宽度（例如 5 微米）的条纹的共振频率超出了我们的测量范围，因为蓝色区域显示，与 45 纳米薄膜相比，导致 FWHM 更小。共振频率也可以通过数学计算来预测。通过调整条纹的宽度和薄膜的厚度，可以在实际应用中控制每种共振现象。

不同厚度下不同条宽共振频率的数值计算。蓝色区域显示了我们设置的可用测量频率范围（最高 6 GHz）

从图 5 中的拟合结果可以清楚地理解宽带效应是由于独立条纹引起的独立共振峰叠加的假设。为了验证我们的假设，单条纹图案薄膜的磁谱为也计算。与组合条纹图案薄膜相比，每个条纹的共振频率都落在组合条纹图案的 FWHM 范围内，如红色区域所示，这很好地支持了我们的假设，即组合条纹图案薄膜的宽带现象是由于叠加不同条带引起的共振峰的不同。

测量和计算具有 T 的组合条纹图案 FeCoBSi 薄膜的虚磁导率 =45 nm 和计算出的不同宽度条纹的假想渗透率。红色区域对应组合条纹图案薄膜的共振带（FWHM）

结论

总之，我们研究了不同厚度的组合条纹图案 FeCoBSi 的磁共振和微波共振特性。与以前的双条纹图案薄膜相比，五条纹图案的 FeCoBSi 图案可以将共振带 (FWHM) 进一步扩展到 4 GHz。可以通过调整不同条带的宽度和磁性薄膜的厚度来控制宽带现象，以满足实际应用中的要求，这可能对未来的EMI器件有用。

缩写

EMI：

电磁推理

FWHM：

全宽半高

LLG：

兰道-利夫希茨-吉尔伯特