Настройка микроволнового резонанса в полосчатых пленках FeCoBSi: толщинозависимая магнитная характеристика

Аннотация

Мы изготовили серию многослойных пленок FeCoBSi с комбинированными полосчатыми паттернами различной толщины с использованием UV литографии и DC спуттерирования. При высокочастотном тестировании возникла широкая резонансная полоса, достигающая полной ширины на полувысоте (FWHM) 4 ГГц для образца толщиной 45 нм. Это расширение происходит от множественных резонансных пиков, генерируемых различными ширинами полос, каждая из которых производит собственное поле анизотропии формы. Поскольку полосы магнитно изолированы зазорами 5 мкм, резонансные пики остаются независимыми, позволяя точной настройке микроволнового отклика путем регулировки геометрии полос и толщины пленки. Наши находки демонстрируют надежный метод инженерии широкополосных микроволновых свойств в магнитных пленках, актуальный для передовых решений ЭМИ экранирования.

Введение

Электромагнитные интерференции (EMI) создают растущую проблему для высокочастотных коммуникационных систем. Для противодействия этому необходимы широкополосные, настраиваемые резонансы в магнитных пленках для эффективного EMI экранирования. Высокий фактор затухания на целевой частоте дополнительно улучшает поглощающую способность.

Вплоскостная униаксиальная анизотропия, часто индуцируемая во время осаждения или пост-отжигом, дает мягкое магнитное поведение на гигагерцовских частотах. Однако достижение контролируемого широкополосного отклика требует дополнительных стратегий проектирования. Паттернированные магнитные пленки, спроектированные с анизотропией формы через литографию, предлагают надежный, масштабируемый путь к адаптации резонансных характеристик.

Наша предыдущая работа над двухполосчатыми FeCo пленками продемонстрировала двухпиковый резонанс, подтверждая, что независимые магнитные полосы могут суперпозиционироваться для расширения отклика. Развивая этот инсайт, настоящее исследование вводит пятиполосчатый дизайн, где каждая полоса отличается по ширине, для дальнейшего расширения резонансной полосы. Мы анализируем результирующее микроволновое поведение с использованием рамки Ландау-Лифшица-Гилберта (LLG), учитывая демагнетизационные эффекты, и подтверждаем, что расширенная полоса математически предсказуема и экспериментально реализуема.

Эксперимент

Пленки Fe₆₆Co₁₇B₁₆Si₁ осаждали DC магнетронным спуттерированием на подложки Si(111) при комнатной температуре. Поле 500 Эрстед, выровненное вдоль короткой оси подложки, индуцировало вплоскостную униаксиальную анизотропию (рис. 1a). UV литография с последующим лифт-оффом определила комбинированный полосчатый паттерн, включающий полосы шириной 5, 10, 15, 20 и 25 мкм, разделенные зазорами 5 мкм. Толщина пленок варьировалась от 45 до 135 нм.

Толщина проверяли поперечным SEM. Статические магнитные свойства измеряли вибрирующим образцом магнетометром (VSM). Микроволновая проницаемость получали методом возмущенного короткого микрополоскового линии, соединенного с векторным анализатором цепей, покрывающим 0,5–6 ГГц.

Результаты и обсуждение

Геометрия осаждения (рис. 1a) обеспечивала поле 500 Эрстед во время роста, придавая четкую вплоскостную легкую ось. Пост-депозиционный лифт-офф дал намеченный полосчатый паттерн (рис. 1b). XRD не показал кристаллических пиков, кроме Si(111), подтверждая аморфную или нанокристаллическую природу пленок.

Гистерезисные петли (рис. 2) иллюстрируют выраженную униаксиальную анизотропию: коэрцитивная сила вдоль жесткой оси (H_ch) падает с 32 Ое при 45 нм до 13 Ое при 135 нм, согласуясь с моделью случайной анизотропии Херцера. Низкие значения H_ce (< 13 Ое) подтверждают мягко-магнитное качество пленок.

Спектры проницаемости (рис. 3) раскрывают расщепленные резонансные пики для пленки 45 нм: μ′ ≈ 170 при f_low ≈ 3,2 ГГц и f_high ≈ 5 ГГц. По мере роста толщины f_low смещается вверх; для 135 нм f_low достигает 4,2 ГГц, в то время как f_high вероятно лежит за 6 ГГц. FWHM расширяется до более 4 ГГц при 45 нм, превосходя 2 ГГц ширину, наблюдаемую в двухполосчатых пленках. Это усиление происходит от различных полей анизотропии формы в пяти ширинах полос, каждая действующая независимо благодаря 5 мкм разделению.

Для моделирования динамики использовали уравнение LLG с включением демагнетизационных факторов (N_x, N_y, N_z) для каждой полосы:

Используя выражения для N_x и N_y (уравнения 3–5), рассчитывали резонансную частоту для каждой ширины полосы (рис. 4). С α = 0,03, M_s = 1345 эму/см³ и H_e = 40 Ое, модель предсказывает резонансные частоты, смещающиеся вверх с толщиной, расширяя общую полосу. Когда пленка превышает 110 нм, резонанс 5 мкм полосы выходит за предел измерения 6 ГГц, уменьшая FWHM относительно образца 45 нм.

Рис. 5 сравнивает измеренную мнимую проницаемость комбинированной-полосчатой пленки (красная полоса) с расчетным одиночным-полосчатым откликом. Отличное совпадение подтверждает, что расширенная полоса возникает от суперпозиции независимых резонансов полос.

Заключение

Инженеря пятиполосчатый паттерн FeCoBSi и контролируя толщину пленки, мы достигли 4 ГГц широкой резонансной полосы — улучшения над предыдущими двухполосчатыми дизайнами. Настраиваемость, предоставляемая шириной полосы и толщиной, делает этот подход высоко подходящим дляEMI экранирования следующего поколения и микроволновых устройств.

Аббревиатуры

EMI:

Электромагнитные интерференции

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

LLG:

Ландау-Лифшиц-Гилберт