调控FeCoBSi条纹图案薄膜微波共振：厚度依赖磁学表征

摘要

我们利用UV光刻和DC溅射制备一系列不同厚度组合条纹图案的多层FeCoBSi薄膜。高频测试中出现宽共振带，45 nm厚样品半高全宽（FWHM）达4 GHz。展宽源于不同宽度条纹产生的多个共振峰，各自产生独特形状各向异性场。因条纹被5 μm间隙磁隔离，共振峰保持独立，可通过调节条纹几何和薄膜厚度精确调控微波响应。研究展示磁性薄膜宽带微波性质工程化可靠方法，适用先进EMI屏蔽方案。

背景

电磁干扰（EMI）对高频通信系统构成日益挑战。为应对，磁性薄膜宽带可调谐共振对有效EMI屏蔽至关重要。目标频率高阻尼因子进一步增强吸收性能。

面内单轴各向异性常由沉积诱导或退火后产生，在GHz频率产生软磁行为。但实现可控宽带响应需额外设计策略。图案化磁性薄膜通过光刻工程化形状各向异性，提供稳健可规模化途径定制共振特性。

前期双条纹FeCo膜研究展示双峰共振，证实独立磁性条纹可叠加拓宽响应。基于此洞见，本研究引入五条纹设计，每条宽度不同，进一步延展共振带。我们用Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）框架分析微波行为，考虑去磁效应，证实展宽带数学可预测且实验可实现。

实验

Fe₆₆Co₁₇B₁₆Si₁薄膜室温DC磁控溅射沉积Si(111)衬底。沿衬底短轴施加500 Oe场诱导面内单轴各向异性（图1a）。UV光刻后剥离工艺定义组合条纹图案，含5、10、15、20、25 μm宽度条纹，间隔5 μm间隙。膜厚45-135 nm范围。

沉积方案（a）及所得条纹图案（b）。宽度：5、10、15、20、25 μm；间隙：5 μm。

横截面SEM验证厚度。振动样品磁强计（VSM）测静态磁性。微波磁导率用短路微带线扰动法结合矢量网络分析仪测得，覆盖0.5-6 GHz。

结果与讨论

沉积几何（图1a）确保生长时500 Oe场，赋予清晰面内易轴。沉积后剥离产生预期条纹图案（图1b）。XRD除Si(111)外无晶体峰，确认薄膜非晶或纳米晶本质。

磁滞回线（图2）显示显著单轴各向异性：硬轴矫顽力（H_ch）随厚度从45 nm 32 Oe降至135 nm 13 Oe，符合Herzer随机各向异性模型。低H_ce值（<13 Oe）确认薄膜软磁质量。

45-135 nm薄膜磁滞回线，显示易轴和硬轴。厚度从(a)到(d)增加。

磁导率谱（图3）揭示45 nm膜分裂共振峰：μ'≈170，f_low≈3.2 GHz和f_high≈5 GHz。随厚度增加，f_low上移；135 nm时f_low达4.2 GHz而f_high可能超6 GHz。FWHM在45 nm展宽超4 GHz，超越双条纹膜观察到的2 GHz宽度。增强源于五宽度条纹各自独特形状各向异性场，因5 μm分离独立作用。

建模动力学用包含各条纹去磁因子（N_x、N_y、N_z）的LLG方程：

用N_x和N_y表达式（式3-5）计算各条纹宽度共振频率（图4）。取α=0.03，M_s=1345 emu cm⁻³，H_e=40 Oe，模型预测共振频率随厚度上移拓宽总带宽。膜厚超110 nm时5 μm条纹共振超6 GHz测量上限，FWHM相对45 nm样品减小。

5-25 μm条纹跨厚度计算共振频率。蓝带标记6 GHz测量窗口。

图5对比组合条纹膜实测虚部磁导率（红带）与计算单条纹响应。极佳重叠确证展宽带源于独立条纹共振叠加。

45 nm膜实测与计算虚部磁导率；红区指示组合条纹FWHM。计算单条纹曲线展示宽带起源。

结论

通过工程化五条纹FeCoBSi图案并控制膜厚，实现4 GHz宽共振带——优于先前双条纹设计。条纹宽度和厚度赋予的可调性使此法极适合下一代EMI屏蔽和微波器件。

缩略语

EMI:

电磁干扰

FWHM:

半高全宽

LLG:

Landau-Lifshitz-Gilbert