FeCo基纳米磁性薄膜材料的微波损耗机理研究

论文摘要

随着经济的发展和现代科学技术的不断进步,人们的生活水平不断提高,电子产品对人们生活的影响越来越大。目前,电脑、手机、无线网络等GHz频段现代信息与通讯技术的蓬勃发展,给人们的生活带来了极大的方便和乐趣。但不可避免的是,由于电子产品带来的高频电磁波辐射无处不在,且辐射强度越来越大,有可能对人类健康造成很严重的影响,并且各种电子产品之间的干扰也越来越严重。电磁污染已经成为当前人类生存的第四大公害。另外,在军事领域,为了提高武器的生存和作战能力,尤其是对于飞行器来说,减小雷达散射截面（RCS）非常重要。飞行器的外形设计虽然可以在一定程度上降低目标的RCS,但却是以牺牲飞行器的机动性能为代价,并且飞行器的某些部位并不能完全依赖于外形结构优化来减少RCS。因此研制出“频带宽、重量轻、吸收强、厚度薄”的微波吸收材料的重要性和迫切性不言而喻。就目前来说,铁磁性薄膜因其自身具有GHz频段优异的动态性能已经成为研究热点,它们具有高饱和磁化强度、可调控的各向异性和高磁导率以及其他新颖的物理特性,在微波器件和微波吸收方面具有很广泛的应用前景。对于铁磁薄膜的研究,最重要也是最本质的工作就是要对材料在微波频段的能量损耗机制有比较深入的认识。基于上述应用背景,本文从铁磁薄膜的微观结构出发,以Landau-Lifshitz方程作为主体理论框架,以铁磁共振和磁谱测量为主要实验手段,系统地研究了[铁磁层/非磁绝缘层]多层膜以及结构更为复杂的多磁结构（含多种不同成分和颗粒尺寸的磁性相）单层膜的微波损耗机制。我们的工作主要包括：1.用磁控溅射的方法制备了多个系列（不同铁磁层厚度,不同非磁层厚度,不同周期层数）的[Fe65Co35/Si02]多层膜,测试发现这些多层膜样品具有极佳的软磁性能,矫顽力极小并且具有一定的面内单轴各向异性。我们研究了这些样品的静磁性能、微波磁导率与铁磁层厚度、非铁磁层厚度、周期层数之间的变化关系,并从微观结构的角度对样品的上述性质和变化规律进行了非常合理的解释。我们还使用理论模型对部分样品的铁磁共振场HRES和线宽ΔHRES与外场极角θH之间的变化关系进行了拟合,对铁磁共振损耗线宽的主要来源和各自的贡献进行了定量的研究与分析。当前,国际上对层数较多的[铁磁层/非磁绝缘层]多层膜损耗特性的研究并不多,我们在这方面进行了较为领先的探索并获得了理论与实验相吻合的结果。并且我们还发现该方向具有非常丰富的物理内涵,可进行的研究工作还有很多,因此我们也对下一步工作计划进行了展望,为磁性多层膜微波物性的深入研究提供了有益的指导。2.用磁控溅射的方法,使用三靶交替溅射的方式制备了具有多磁相结构的FeCo-SiO2单层薄膜样品系列S1,我们还使用了复合靶溅射的方式并使用后续热退火工艺制备了同样具有多磁相结构的FeCoB单层薄膜样品系列S2。静磁测量结果表明上述样品都具有非常良好的软磁性能。我们对样品系列S1进行了铁磁共振与磁谱曲线的表征,对S2进行了磁谱曲线的表征,结果发现其铁磁共振与磁谱曲线都具有双共振峰,双峰的出现正是来源于其特殊的多磁结构,即样品内部含有具有不同成分和不同颗粒大小的FeCo与Fe两种磁性相,为了证实这一点,我们使用多磁成分模型对上述测量结果进行了理论计算与拟合,结果非常吻合。另外,更让人吃惊的是,S2系列样品的共振峰出现了反常的正向频移,即随着退火温度的升高其高频共振峰往高频移动。这一现象无法用一般的各向异性场修正来解释。因为在通常情况下,随着退火温度升高,薄膜内部颗粒长大,不均匀度增加,损耗因子增大,其共振峰应该往低频方向移动。进一步研究发现,这一现象来源于磁性成分与大小分布不均产生的内部杂散场的弥散效应,借助杂散场理论模型对多磁结构薄膜的微波磁导率进行了新的计算,并对上述两个系列样品的实验结果进行了拟合,结果发现理论与实验结果非常吻合,并且拟合参数也出现符合实际的规律性变化,成功地解释了双峰的存在以及反常的正向频移现象。总之,本文对结构更为复杂的具有多磁相结构的薄膜进行了研究与分析,并对异常的正向频移现象没有做回避或者仅做定性的分析,而是借助于建立在微观结构基础上的多磁成分与杂散场理论两个模型对双峰以及正向频移现象都进行了非常合理的解释,对于目前的薄膜微波损耗机制的研究工作来说是一个非常重要的补充,并强调非均匀散射在薄膜微波损耗当中有着非常重要的贡献,对于宽频带、高磁损耗材料的研究来说具有非常重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 纳米磁性薄膜的研究现状
• 1.3 本文的研究动机以及主要工作
• 参考文献
• 第二章 基本理论
• 2.1 磁各向异性
• 2.1.1 磁晶各向异性
• 2.1.2 表面和界面磁各向异性
• 2.2 交换耦合作用
• 2.2.1 Herzer模型
• 2.2.2 层间耦合作用
• 2.3 铁磁共振理论
• 2.4 常规材料的磁损耗
• 2.5 铁磁薄膜的磁损耗机制
• 2.5.1 Gilbert本征损耗
• 2.5.2 非本征损耗
• 2.6 双磁子散射模型
• 2.7 内部杂散场理论
• 参考文献
• 第三章 样品的制备与性能表征
• 3.1 样品的制备
• 3.1.1 磁控溅射的基本原理
• 3.1.2 基片的选择与清洗
• 3.1.3 实验设备与制备程序
• 3.1.4 热退火处理
• 3.2 样品的结构与成分表征
• 3.2.1 X射线衍射（XRD）
• 3.2.2 高分辨率透射电镜（HR-TEM）
• 3.2.3 X射线荧光光谱仪（XRF）
• 3.2.4 台阶仪
• 3.3 样品的性能表征
• 3.3.1 振动样品磁强计（VSM）
• 3.3.2 铁磁共振测量（FMR）
• 3.3.3 微波电磁参量测试
• 参考文献
• 65Co₃₅/SiO₂]多层膜静磁特性与微波损耗机制研究'>第四章 [Fe₆₅Co₃₅/SiO₂]多层膜静磁特性与微波损耗机制研究
• 65Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的制备'>4.1 [Fe₆₅Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的制备
• 65Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的静磁特性'>4.2 [Fe₆₅Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的静磁特性
• 65Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的动态磁性测量结果与分析'>4.3 [Fe₆₅Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的动态磁性测量结果与分析
• 65Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的磁谱测量结果与分析'>4.3.1 [Fe₆₅Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的磁谱测量结果与分析
• 65Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的微波损耗线宽测量结果与分析'>4.3.2 [Fe₆₅Co₃₅/SiO₂]多层膜系列样品的微波损耗线宽测量结果与分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 多磁结构单层膜的静磁特性与微波损耗机制研究
• 5.1 多磁结构单层膜样品的制备与处理
• 5.1.1 样品系列S1的制备-多靶交替循环磁控溅射
• 5.1.2 样品系列S2的制备与处理-复合靶溅射与后续热处理退火
• 5.2 多磁结构单层膜样品的静磁性能与微观结构表征
• 5.2.1 样品系列S1的静磁特性与微观结构表征
• 5.2.2 样品系列S2的静磁特性与微观结构表征
• 5.3 多磁结构单层膜样品的磁谱表征与多磁成分模型分析
• 5.3.1 样品系列S1的磁谱表征与多磁成分模型分析
• 5.3.2 样品系列S2的磁谱表征与多磁成分模型分析
• 5.4 多磁结构单层膜样品的内部杂散场理论计算与分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表以及待发表的论文
• 感谢