Зависимые от толщины характеристики магнитного и микроволнового резонанса пленок FeCoBSi с комбинированным полосчатым узором

Фон

С быстрым развитием телекоммуникационных технологий проблемы электромагнитного вывода (EMI), которые ухудшают работу таких систем на высоких частотах, значительно привлекают внимание общественности [1,2,3,4,5]. Для удовлетворения требований к материалам для защиты от электромагнитных помех необходимы широкополосные и контролируемые резонансы магнитных пленок [6, 7]. Между тем, высокий коэффициент демпфирования на расчетной частоте будет способствовать реализации многообещающих устройств EMI [8, 9]. Из-за плоской одноосной анизотропии пленки могут быть хорошие магнитомягкие свойства на гигагерцовой частоте, следовательно, лучшие свойства поглощения, несколько методов, включая индуцированное магнитное поле [10], индуцированное напряжение [11] во время осаждения, многослойный дизайн [12] , и постотжиг во внешнем магнитном поле [13,14]. Кроме того, узорчатые магнитные пленки с наведенной анизотропией формы, созданные с помощью искусственной структуры, привлекают большое внимание общественности благодаря своим управляемым и надежным свойствам [15, 16]. В связи с этим в нашей предыдущей работе [17] были предложены магнитные пленки на основе FeCo с двойной полосой. В ходе эксперимента наблюдалась широкая резонансная полоса с пиками двойного резонанса, которую приписывают суперпозиции источника двойного резонанса, создаваемого независимыми магнитными полосами.

Поэтому в этой статье, чтобы дополнительно расширить резонансную полосу, мы представили уникальные комбинированные тонкие пленки FeCoBSi с полосчатым рисунком, содержащие различные полосы с пятью разной шириной, и проанализировали характеристики микроволнового резонанса из-за множественных резонансных пиков с помощью метода Ландау-Лифшица-Гильберта ( LLG) формулизм процессуальных движений. Явление широкой резонансной полосы было усилено полушириной на полувысоте (FWHM) 4 ГГц при малой толщине, то есть 45 нм для наших экспериментов. Между тем, изменение резонансной частоты можно предсказать с помощью математической формулы, связанной с коэффициентами размагничивания. Результаты могут быть дополнительно проиллюстрированы с помощью эффективной анизотропии, вызванной формой, созданной из-за выделенной ширины полосы, что сделало возможным управление традиционным процессом литографии в реальном приложении.

Эксперимент

Fe ₆₆ Co ₁₇ В ₁₆ Si ₁ Тонкие пленки различной толщины наносились на кремниевые подложки (111) методом магнетронного распыления на постоянном токе при комнатной температуре. Внешнее магнитное поле величиной 500 Э было приложено вдоль короткой оси подложки, чтобы вызвать одноосную анизотропию в плоскости, как показано на рис. 1. Традиционная технология ультрафиолетовой (УФ) литографии и метод отрыва использовались для изготовления комбинированных полос. Были обработаны комбинированные полосы FeCoBSi с рисунком, содержащие полосы различной ширины. Полосы располагались последовательно с последовательностью ширины 5, 10, 15, 20 и 25 мкм соответственно. Разделительный зазор отличительных полос был зафиксирован на уровне 5 мкм. Толщина узорчатых пленок варьировалась от 45 до 135 нм.

Схема внешнего наведенного магнитного поля при напылении ( а ) и комбинированные полосы с рисунком магнитных пленок ( b ). Ширина каждой полоски составляла 5, 10, 15, 20 и 25 мкм соответственно. Ширина зазора между двумя полосами была зафиксирована на уровне 5 мкм. Процесс снятия был произведен после осаждения, чтобы обнажить окончательную структуру пленки

Толщина пленок определялась путем наблюдения поперечного сечения с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Соответствующие статические свойства магнитной пленки - петли гистерезиса - измерялись с помощью магнитометра с вибрирующим образцом (VSM). Микроволновые свойства были охарактеризованы методом возмущений линии передачи с закороченными микрополосками, подключенными к анализатору векторных цепей в диапазоне частот 0,5–6 ГГц.

Результаты и обсуждение

На рис. 1а представлена ​​схема установки для напыления с внешним наведенным магнитным полем. Во время осаждения прикладывалось внешнее магнитное поле 500 Э, чтобы вызвать одноосную анизотропию в плоскости. После напыления был обработан метод снятия пленки для экспонирования узорчатой ​​структуры пленок. На рис. 1b показана комбинированная полосатая структура наших магнитных пленок. Последовательность ширины для каждой полосы соответствует 5, 10, 15, 20, 25 мкм, соответственно, в то время как зазор между каждой полосой был зафиксирован на уровне 5 мкм. Согласно нашей предыдущей работе, не было никаких явных кристаллических пиков, кроме Si (111) от подложек во время измерения XRD [18]. Следовательно, кристаллическая структура наших пленок была аморфной или нанокристаллической.

Исследованы статические магнитные свойства комбинированных пленок с полосчатым рисунком, осажденных при различной толщине от 45 до 135 нм. Легкая ось была определена как то же самое, что и направление индуцированного магнитного поля, в то время как жесткая ось была ортогональна ему, рис. 2. Текущие части M / Ms -H петли пленок, измеренных в полевых условиях, находятся в диапазоне от 100 до - 100 Э . Различия между легкой осью и жесткой осью ясно показывают индуцированную одноосную анизотропию в плоскости, которая была вызвана индуцированным магнитным полем, а также анизотропией, вызванной формой полосы. Кроме того, петли гистерезиса на рис. 2 хорошо демонстрируют магнитомягкие свойства с H _ч всего 13 э, где H _ч - коэрцитивная сила вдоль жесткой оси, а H _ce - коэрцитивность вдоль легкой оси. С увеличением толщины пленки H _ч будет уменьшаться с 32 Э при 45 нм до 13 Э при 135 нм, что соответствует модели случайной анизотропии, предложенной Герцером [19]. Все подробности можно найти в нашей предыдущей работе [18].

Петли гистерезиса комбинированных полосчатых магнитных пленок различной толщины. Результаты показаны от оси легкого-жесткого, определяемой направлением наведенного магнитного поля на каждом изображении. От а в d , толщина пленок варьировалась от 45 до 135 нм

На рис. 3 показаны действительная и мнимая составляющие спектров проницаемости комбинированных полосчатых узорчатых пленок в зависимости от частоты с разной толщиной. Интересно обнаружить, что для t =45 нм, есть пики расщепляющего резонанса, которые появляются при f _низкий и f _{Высокий} частота в измеряемом частотном диапазоне соответственно. Согласно этому графику, когда t =45 нм, μ ′ высокий около 170, в то время как f _низкий достигает примерно 3,2 ГГц и f _{Высокий} составляет около 5 ГГц. По мере увеличения толщины значение f _низкий все время увеличивается. Для t =135 нм, находим μ ′ все еще может оставаться на должном уровне 170, f _низкий одновременно увеличивается до значительного значения 4,2 ГГц, в то время как f _{Высокий} возможно, находится за пределами измеренного диапазона частот 6 ГГц. Полоса резонанса, определяемая как полуширина на полувысоте (FWHM), была расширена до более чем 4 ГГц при толщине 45 нм, что шире, чем FWHM пленок с двойной полосой с рисунком на частоте 2 ГГц [18]. Это может проложить лучший путь для будущего применения в качестве широкополосных поглотителей микроволновых электромагнитных помех. Явление уширения полосы было связано с анизотропным полем разной формы, индуцированным пятью полосами разной ширины. Считайте фиксированную ширину зазора равной 5 мкм, что достаточно для того, чтобы разделить две следующие друг за другом полосы без эффекта связи. Таким образом, каждая полоска фактически независима друг от друга, что приводит к раздельному магнитному отклику при микроволновом возбуждении. Суммарный отклик на высокочастотное электромагнитное поле должен быть математическим сложением пяти полос разной ширины. Кроме того, анизотропия формы может играть важную роль в определении эффективной анизотропии пленки, то есть резонансной частоты [20]. Следовательно, необходимо учитывать фактор размагничивания при микромагнитном анализе. Чтобы продемонстрировать динамические свойства наших тонких пленок, формула уравнения ЛЛГ Гилберта [21] в сочетании с эффектом размагничивания была использована для описания высокочастотного явления для магнитных тонких пленок с одноосной анизотропией. Таким образом, высокочастотная проницаемость может быть описана следующим уравнением:

Спектры проницаемости, измеренные при комнатной температуре для комбинированных тонких пленок FeCoBSi с полосчатым рисунком различной толщины, показывают реальную проницаемость пленок ( a ) и демонстрируют воображаемую проницаемость ( b )

где 4π M _s определяется как намагниченность насыщения, α коэффициент демпфирования, γ - гиромагнитное отношение (1,76 × 10 ⁷ э ^-1 s ^-1 для сплава FeCo), H _e эффективная анизотропия поля, и N _x , N _y , N _z - коэффициент размагничивания по трем ортогональным направлениям соответственно. е _r может быть получено уравнением Киттла как

В свете полос разной ширины, включенных в наши пленки, которые индуцировали характерную анизотропию формы, приводящую к расщепленным резонансным пикам, весь спектр следует охарактеризовать как математическое сложение пяти отдельных спектров. Коэффициент размагничивания по x , y , и z направление можно записать как [20]

где L длина по z -ось, W ширина по x -axis и T толщина по y -ось. С помощью формул (3), (4), (5) и формулы LLG можно рассчитать резонансную частоту, соответствующую разной ширине магнитной полосы от 5 до 25 мкм, соответственно.

На рис. 4 представлена ​​расчетная резонансная частота отдельных полосок различной толщины от 5 до 25 мкм. В этом расчете α было установлено 0,03, что мало повлияло на положение резонансной частоты. Намагниченность насыщения и эффективное поле плоской анизотропии, которые были извлечены из экспериментальных результатов непрерывных пленок FeCoBSi, были установлены как 1345 emu / cm ³ и 40 Э [18] соответственно. В аморфных магнитных пленках магнитокристаллической анизотропией можно было пренебречь, что привело к более существенной роли анизотропии формы в процессе определения резонансной частоты, что было продемонстрировано в [20]. Следовательно, полосы разной ширины должны вносить вклад в отчетливые резонансные пики из-за эффекта развязки, поддерживаемого зазором, что теоретически приводит к множественным резонансным пикам в спектре. Кроме того, с увеличением толщины пленки будет увеличиваться основная резонансная частота и увеличиваться разность частот между полосами разной ширины (изображенными на фиг. 4). Следовательно, существует сильный эффект суперпозиционирования между множественными резонансными пиками, если толщина пленки достаточно мала, и в этом случае полоса магнитного спектра показывала явно расширенное поведение. С увеличением толщины такой эффект суперпозиции ослаблялся из-за более заметной разности резонансных частот. При увеличении толщины более 110 нм резонансная частота полос с определенной шириной, например, 5 мкм, выходила за пределы нашего диапазона измерений, поскольку видна синяя область, что привело к меньшей полуширине по сравнению с пленкой 45 нм. Частота резонанса также может быть предсказана математическим расчетом. Регулируя ширину полос, а также толщину пленок, каждое явление резонанса можно контролировать для реального применения.

Численный расчет резонансной частоты разной ширины полосы в зависимости от разной толщины. Синяя область показывает доступный диапазон частот измерения (до 6 ГГц) для нашей установки

Предположение о том, что эффект уширения полосы обусловлен суперпозицией независимых резонансных пиков, индуцированных отдельной полосой, можно ясно понять из результата подгонки на рис. 5. Чтобы проверить наше предположение, магнитный спектр пленки с однополосной структурой был также рассчитывается. По сравнению с пленкой с комбинированным рисунком полос резонансная частота каждой полосы попала в диапазон FWHM полосы с комбинированным рисунком, как показано в красной области, что хорошо подтверждает наше предположение о том, что явление уширения полосы пленки с комбинированным рисунком полос было вызвано наложением отличительных резонансных пиков, вызванных разными полосами.

Измеренная и рассчитанная мнимая проницаемость для комбинированной тонкой пленки FeCoBSi с полосатым рисунком и T =45 нм и расчетная мнимая проницаемость для полос разной ширины. Красная область соответствует полосе резонанса (FWHM) комбинированных пленок с полосчатым рисунком

Выводы

В заключение, мы изучили характеристики магнитного и микроволнового резонанса комбинированного полосчатого FeCoBSi разной толщины. По сравнению с предыдущими пленками с двухполосным рисунком, узор FeCoBSi с пятью полосами может расширить полосу резонанса (FWHM) до 4 ГГц. Явлением расширения полосы можно управлять, настраивая ширину различных полосок, а также толщину магнитных пленок, чтобы удовлетворить требованиям в реальном приложении, что может быть полезно в будущих устройствах EMI.

Сокращения

EMI:

Электромагнитный вывод

FWHM:

Половина максимальной ширины

LLG:

Ландау-Лифшиц-Гильберт