CN104992809A - 平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料及制备方法，该磁性材料由从下往上依次设置的第二铁磁层、隔离层和第一铁磁层组成；第一铁磁层与第二铁磁层的各向异性方向相垂直，且具有数值相同的单轴各向异性。在硅基底上，钴锆做靶材，磁控斜溅射得到具有单轴各向异性的第二铁磁层；在第二铁磁层上磁控溅射得非磁性SiO₂层；在非磁性SiO₂层上磁控斜溅射得到各向异性方向与第二铁磁层相垂直的第一铁磁层，制得在平面内任意方向均能实现高磁导率的磁性材料。该磁性材料在不施加外磁场的条件下，能够实现在薄膜中面内任意方向都具有高频高磁导率，极大地拓宽了材料的使用范围和使用条件。

Description

平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料及制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种平面内任意方向实现高磁导率的材料结构，确切的说该材料是由两个相互垂直的单轴各向异性薄膜构成，该结构展示了在不需要其它外加直流磁场条件下，可在面内不同角度下实现高磁导率的特征。

背景技术

微电子技术和磁性存储技术的发展，使得高频软磁材料受到了广大磁性器件制造商与磁性材料研究者的青睐。磁性器件不断往高频发展，要求磁性材料必须具有高频率下的高磁导率。由于Snoek极限的物理原理限制，磁性粉体材料很难满足目前磁性器件发展的需求，而具有特殊结构的磁性薄膜材料可能在更高频率下得到高磁导率。

通常情况下，要在磁性薄膜中得到高共振频率和高磁导率，就需要在薄膜中得到面内单轴各向异性。然而单轴各向异性有一个缺点，就是它具有很强的方向性，只能在特定的方向使用才有利用价值，一旦材料制成，并被整合到器件中去，便不能再被随意调整。显然这种材料无法满足器件复杂多变使用环境的要求。另一种可行的方法就是转动各向异性。但是，按上述方法得到的材料，仅为后期调整提供方便，而不能在不加外磁场的情况下实现任意方向均具有高磁导率的特性。

发明内容

本发明的的目的是提供一种在不施加外磁场的前提条件下，在平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料。

本发明的另一个目的是提供一种上述磁性材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料，由从下往上依次设置的第二铁磁层、隔离层和第一铁磁层组成；第一铁磁层的各向异性方向与第二铁磁层的各向异性方向相垂直，且第一铁磁层和第二铁磁层具有数值相同的单轴各向异性。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种上述磁性材料的制备方法，具体按以下步骤进行：

1）在硅基底上，用钴锆做靶材，通过磁控斜溅射法溅射得到具有单轴各向异性的钴锆单层膜，该单层膜为第二铁磁层；

2）利用磁控溅射方法，在第二铁磁层上制备非磁性SiO₂层；

3）按步骤1）的方法在非磁性SiO₂层上制备各向异性方向与第二铁磁层相垂直的单轴各向异性钴锆单层膜，该单层膜为第一铁磁层，从而制得在平面内任意方向均能实现高磁导率的磁性材料。

本发明磁性材料由两层铁磁层和该两层铁磁层之间设置的隔离层构成，该两层铁磁层的各向异性方向相垂直，且具有数值相同的单轴各向异性场，在不施加外磁场的条件下，能够实现在薄膜中面内任意方向都具有高频高磁导率，从而极大地拓宽了材料的使用范围和使用条件。

附图说明

图1是本发明磁性材料结构的示意图。

图2是图1所示结构磁性材料中磁化强度的交变部分m沿h方向的分量和各向异性场H_k与微波场h之间夹角θ的关系图。

图3是用矢量网络分析仪测量样品的磁谱，得到不同角度α下的复数磁导率虚部与频率之间的关系图。

图4是用矢量网络分析仪测量样品的磁谱，得到不同角度α下的复数磁导率实部与频率之间的关系。

图5是复数磁导率虚部的共振峰位得到的共振频率f_r随角度α变化的极图。

图6是由复数磁导率实部拟合得到的初始磁化率μ_int随测量角度α变化的极图。

图1中：1.第一铁磁层，2.隔离层，3.第二铁磁层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明磁性材料，由依次叠加的三层薄膜组成，即由从下往上依次设置的第二铁磁层3、隔离层2和第一铁磁层1组成，形成三明治结构。第一铁磁层1和第二铁磁层3均为铁磁性薄膜，且薄膜厚度相同；第一铁磁层1的各向异性方向与第二铁磁层3的各向异性方向相垂直，第一铁磁层1和第二铁磁层3具有数值相同的单轴各向异性H_k，隔离层2为非磁性SiO₂层。

由于本发明磁性材料中两层铁磁层的各向异性方向垂直，则磁化强度的交变部分m沿h方向的分量和各向异性场H_k与微波场h之间的夹角α的关系，如图2所示。因而，该磁性材料整体薄膜结构在任意方向的等效磁导率X_h可以用以下公式表示：

式中： X表示单层CoZr薄膜的磁化率，是一个无量纲量。

由（1）式可以看出，单层膜等效磁导率X_h的大小在薄膜平面内随角度α有cos²α的依赖关系，于是对于各向异性场相互垂直的两层铁磁性薄膜，当该两层铁磁性薄膜的单轴各向异性场大小相等时，在平面内任意方向施加微波场，样品的等效磁导率X_h均为X/2，也就是说，在具有本发明所述结构的双层薄膜中，样品的磁化率在平面内是一个角度无关的量，即本发明实现了面内各个方向的高磁导率。

本发明还提供了一种上述磁性材料的制备方法，具体按以下步骤进行：

1）在（111）取向的硅基底上，用钴锆（CoZr）做靶材，通过磁控斜溅射法溅射得到具有单轴各向异性H_k、厚度为100nm的CoZr单层膜，该单层膜为第二铁磁层3；

2）利用磁控溅射方法，在步骤1）制备的第二铁磁层3上制备一定厚度（约为10 nm）的非磁性SiO₂层，该非磁性SiO₂层为隔离层2；

3）按步骤1）的方法在隔离层2上制备各向异性方向与第二铁磁层3相垂直的单轴各向异性为H_k、厚度为100nm的CoZr单层膜，该单层膜为第一铁磁层1，制得在平面内任意方向均能实现高磁导率的磁性材料。

通过以上步骤即可实现上下两层各向异性大小相等、方向垂直的磁性材料结构，可在平面内任意方向均能实现高磁导率。

以下结合理论公式与实际测试对本发明进行说明：

用矢量网络分析仪（VNA）测量样品的磁谱，得到不同角度（磁化强度的交变部分m沿h方向的分量和各向异性场H_k与微波场h之间的夹角α）下的复数磁导率虚部和实部与频率之间的关系分别如图3和图4所示。通过拟合磁谱曲线，可以得到相应角度α对应的磁导率和共振频率大小。

图3为样品在部分角度下的磁导率的虚部，图3右上角为其在共振峰附近的放大图。可以看到，对样品平面内任意角度，样品都表现出各向同性的性质，其磁谱的共振频率都在3GHz附近，做出每个角度下磁谱的共振峰对应的频率f_r和角度关系的极图，见图5，由图5可以看出，频率f_r的变化几乎为一个圆，其半径大小对应的频率是3GHz，而频率的变化在2.9～3.1GHz范围内。图4为部分角度的磁导率谱实部图，图4显示磁导率等于零的位置对应共振频率，可以看出在3GHz左右，在本发明中，样品的实际使用中的磁导率也是一个非常重要的性能参数，图4中低频段平直部分（低频段）则为实际高频应用时的磁导率。而图6中的黑色小球围成区域内的粗实线圆是根据公式（1）计算得到的磁导率随角度变化的结果，黑色小球是根据磁谱实部拟合得到的低频磁导率的极图，由图6可以看出，磁导率随角度变化的规律和理论结果符合的很好，该圆的半径对应的磁导率的大小为60，其变化范围在57～64之间。

综上所述，本发明提供了一种原理和制备都比较简单，不需要特殊的制备设备，就可以在磁性薄膜的平面内各个方向都能实现较大磁导率的方法，并且共振频率也几乎不随角度而变化，故而本发明磁性材料的结构在器件中应用时可以适应各种复杂的环境和要求。扣除误差及偶然因素，本发明的实验结果和理论分析结果符合的比较好。

Claims (7)

1.一种平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料，其特征在于，该磁性材料由从下往上依次设置的第二铁磁层（3）、隔离层（2）和第一铁磁层（1）组成；第一铁磁层（1）的各向异性方向与第二铁磁层（3）的各向异性方向相垂直，且第一铁磁层（1）和第二铁磁层（3）具有数值相同的单轴各向异性。

2.根据权利要求1所述的平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料，其特征在于，第一铁磁层（1）和第二铁磁层（3）均为铁磁性薄膜，且厚度相同。

3.根据权利要求1所述的平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料，其特征在于，所述隔离层（2）为非磁性SiO₂层。

4.一种权利要求1所述平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体按以下步骤进行：

1）在硅基底上，用钴锆做靶材，通过磁控斜溅射法溅射得到具有单轴各向异性的钴锆单层膜，该单层膜为第二铁磁层（3）；

2）利用磁控溅射方法，在第二铁磁层（3）上制备非磁性SiO₂层；

3）按步骤1）的方法在非磁性SiO₂层上制备各向异性方向与第二铁磁层（3）相垂直的单轴各向异性钴锆单层膜，该单层膜为第一铁磁层（1），从而制得在平面内任意方向均能实现高磁导率的磁性材料。

5.根据权利要求4所述的平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中采用（111）取向的硅基底。

6.根据权利要求4所述的平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料的制备方法，其特征在于，第一铁磁层（1）和第二铁磁层（3）的厚度均为100nm。

7.根据权利要求4或6所述的平面内任意方向均能实现GHz高磁导率的磁性材料的制备方法，其特征在于，第一铁磁层（1）和第二铁磁层（3）的单轴各向异性数值相同。