激光调控软磁薄膜高频磁性研究

本项目以FeCo系、FeNi等系列软磁薄膜为研究对象，通过激光刻蚀来调控薄膜的面内各向异性，从而达到调控其高频磁性的目的。项目拟通过离子束溅射、磁控溅射、电化学沉积等技术在Si衬底上制备金属合金系列软磁薄膜，结合激光刻蚀技术在薄膜表面刻出不同形状、不同排布的几何图形，调整形状各向异性及图形间偶极相互作用获得不同面内磁各向异性的软磁薄膜；通过宏观磁性测量和微磁学模拟相结合的方法得到面内各向异性与实验参数（图形尺寸、间距、图形排列变化等）之间的关系；在此基础上研究薄膜的高频磁性，讨论高频磁性与薄膜磁各向异性之间的关系。该项目的立项，将为可控调节软磁薄膜微波磁性奠定基础。

近年来，随着信息产业的高速发展，电子元器件向高频化，小型化，薄膜化，集成化的方向发展，这一发展趋势，要求应用于其中的磁性薄膜材料具有GHz频段良好的软磁性能，而软磁性能的好坏不仅取决于材料的内禀矫顽力、饱和磁化强度，而且跟材料的磁各向异性密切相关。本项目以高饱和磁化强度的FeCo,FeNi，FeN系列软磁合金薄膜为研究对象，通过激光图形化、调控应力、倾斜溅射、外加磁场多种方法调控其矫顽力和磁各向异性，从而达到调控其高频性能的目的，在此基础上，我们进一步研究了样品中出现的畴结构演化、畴壁动力学及其条纹畴对微波场的响应，获得了一系列有意义的研究结果。对沉积于ITO衬底上的FeCo基系列薄膜中，我们通过激光刻线的方法，改变刻线间距、刻线方向，实现了共振频率可向高频、低频方向调控的目标（1GHz~8GHz），在此基础上，我们建立了适用于条纹阵列薄膜的物理模型，推导出了响应的计算公式，并对样品磁性参数的实验值和理论值进行了比较，两者符合的很好。对于倾斜溅射制备的FeN薄膜中，N2含量为5%时的样品软磁性能最好，随着溅射角度从3度到32度之间变化，共振频率可从2.87 GHz到6.05 GHz之间可调。对柔性衬底上的FeCo薄膜，我们通过改变弯曲曲率实现各向异性的调控，在不需要施加诱导场的情况下，产生的应力各向异性场可以达到170 Oe，相应的共振频率可以达到4.8GHz。仅通过在电化学沉积过程中施加变化的磁场的方法，我们也可以实现FeCo薄膜共振频率在0.8~4.0GHz之间调控。在对FeNi系列薄膜生长过程中出现的条纹畴结构的研究中，我们发现当微波磁场的方向垂直条纹畴时，其共振模式主要是声学支模式，其动态各向异性场的大小分别为44 Oe（120 nm）, 87 Oe (160 nm), 91 Oe( 200 nm); 而当微波场方向平行条纹畴时，光学模式被激发，而且随着垂直的外加静态磁场的变化，两个模式均出现，但是不同厚度的薄膜声学支激发所需要的外磁场的大小不同。以上这些研究，对高频软磁薄膜材料微结构、各向异性、畴结构演化及高频性能调控提供了详细的参考数据。