论文摘要
非晶磁弹性薄膜由于具有磁晶各向异性消失和高磁弹耦合系数的特点，从而其磁结构及磁性能将受到应力诱导磁各向异性的显著影响，利用非晶磁弹性薄膜的应力敏感特性，它可以应用在应力/应变传感器、可调滤波器、磁存储等领域，因此，非晶磁弹性薄膜中应力对磁性能的影响得到了人们的广泛关注。本论文以FeCoSiB非晶薄膜为研究对象，从理论和实验上系统研究了应力对非晶磁弹性薄膜的静磁特性（如磁畴结构、磁化过程）以及动态磁特性（如高频磁导率、高频阻抗）的影响及其机制。采用直流磁控溅射方法制备了FeCoSiB非晶磁弹性薄膜，系统研究了溅射气压对FeCoSiB薄膜的成分、表面形貌、磁畴结构以及磁性能的影响规律，结果表明，随着溅射气压增加，FeCoSiB薄膜表面粗糙度增加，条状磁畴结构的磁对比度先增加后降低，FeCoSiB薄膜的矫顽力逐渐增加，而剩磁逐渐降低。在FeCoSiB薄膜静态磁特性的研究方面，首先采用应力生长方法制备了受张应力和压应力作用的FeCoSiB薄膜样品，其磁畴分析结果表明，随着外加张应变从0增加到0．2％，FeCoSiB薄膜磁力显微镜图像的（RMS）ΔΦ值从1．23降低到0．838，表明磁对比度逐渐降低。同时，磁畴结构逐渐从无规则的条状畴转变为平行条状畴结构，并且随着张应力从0．15％增加到．18％，条状畴和应力之间的夹角从37°降低到20°，表明条状畴的取向逐渐向张应力方向转动。当受到压应力作用时，随着压应变从0．05％增加到0．15％，FeCoSiB薄膜磁力显微镜图像的（RMS）ΔΦ值从0．771降低到0．693，表明磁对比度也逐渐降低。当压应变分别为0．05％、0．12％和0．15％时，应力与条状畴之间的夹角分别为15°、35°和50°，这表明平行条状畴的取向逐渐转向与压应力垂直的方向。从微磁学的Brown方程出发，建立了应力作用下的条状畴模型，计算结果表明，随着张应力增加，铁磁薄膜中出现条状畴的临界厚度逐渐增加，而临界磁畴宽度也逐渐增加。同时，条状畴的取向逐渐向张应力方向转动。其次，利用基于平均场的Stoner-Wohlfarth模型，考虑非晶磁弹性薄膜的随机各向异性和外加应力，建立了磁畴转动磁滞回线模型。模拟结果表明，在磁畴转动的磁化机制中，与外磁场方向平行的张应力导致矫顽力增加，剩磁也略微增加，而压应力导致矫顽力和剩磁都趋于零。同时，应力也显著影响非晶磁弹性薄膜的表观磁致伸缩特性。基于Jiles-Atherton模型，考虑应力诱导的磁各向异性和应力相关的钉扎系数，建立了各向异性的畴壁位移磁滞回线模型。理论计算表明，在畴壁位移的磁化机制中，与外磁场方向平行的张应力导致矫顽力降低，剩磁增加，而压应力导致矫顽力增加，剩磁降低。实验结果表明，在FeCoSiB非晶磁性薄膜中，张应力方向成为易磁化方向，随着张应变从0增加到0．18％，应力方向的剩磁比从0．324增加0．735，而垂直于应力方向的剩磁比从0．319降低到0．118。在压应力作用下，随着压应变从0增加到0．19％，应力方向的剩磁比从0．236降低到0．194，而垂直于应力方向的剩磁比从0．232增加到0．606。FeCoSiB非晶磁性薄膜的矫顽力随张应力的增加而降低，但随压应力的增加而先增加后降低。FeCoSiB非晶磁性薄膜的矫顽力与薄膜的反磁化机制密切相关。利用应力诱导的磁各向异性等效场可以计算出FeCoSiB薄膜的磁致伸缩系数。在FeCoSiB薄膜动态磁特性的研究方面，从Landau-Lifshitz-Gilbert方程出发，并结合Maxwell方程组，建立了应力对铁磁薄膜高频磁导率影响的微磁学模型，研究了应力对有效磁导率的影响规律，计算了非晶磁弹性薄膜中的应力阻抗效应，计算结果表明，外加张应力作用下，磁性薄膜内的等效各向异性发生变化，导致了其磁导率和截止频率的变化。随着张应力增加，薄膜的有效磁导率先增加后降低，当薄膜内包含应力在内的等效各向异性最小时，薄膜的有效磁导率达到最大。只有当薄膜的厚度大于趋肤深度时，才会出现显著的应力阻抗效应。薄膜的应力阻抗效应随着薄膜的饱和磁化强度增加而增加。具有横向磁各向异性的薄膜才会获得明显的应力阻抗效应，而应力阻抗效应峰的位置则依赖于横向各向异性的大小。实验结果表明，非晶FeCoSiB薄膜的应力阻抗效应随薄膜厚度的增加而增加，当FeCoSiB薄膜厚度为2μm时，最大应力阻抗效应达到7．36％。随着测试频率的提高应力阻抗效应也增加，而强的横向磁各向异性可以获得更高的应力阻抗效应。1000 Oe偏置磁场下沉积的FeCoSiB薄膜与65 Oe偏置磁场下沉积的薄膜样品相比，其最大应力阻抗效应提高了约89．1％。