Dickenabhängige Magnet- und Mikrowellenresonanzcharakterisierung kombinierter FeCoBSi-Filme mit Streifenmuster

Hintergrund

Mit der raschen Entwicklung der Telekommunikationstechnologie ziehen die Probleme der elektromagnetischen Inferenz (EMI), die die Leistung solcher Systeme bei hohen Frequenzen verschlechtern, erhebliche öffentliche Aufmerksamkeit auf sich [1,2,3,4,5]. Um die Anforderungen an EMI-Abschirmmaterialien zu erfüllen, sind breitbandige und steuerbare Resonanzen von Magnetfilmen erwünscht [6, 7]. Inzwischen würde ein hoher Dämpfungsfaktor bei der vorgesehenen Frequenz dazu beitragen, vielversprechende EMI-Geräte zu realisieren [8, 9]. Aufgrund der in der Ebene liegenden uniaxialen Anisotropie eines Films könnte es zu gut weichmagnetischen Eigenschaften bei Gigahertz-Frequenzen führen, daher bessere Absorptionseigenschaften, verschiedene Methoden, einschließlich induziertes Magnetfeld [10], induzierter Stress [11] während der Abscheidung, Mehrschichtdesign [12] , und Nachglühen unter einem externen Magnetfeld [13, 14] wurden untersucht. Darüber hinaus ziehen gemusterte magnetische Filme mit induzierter Formanisotropie, die durch eine künstliche Struktur entworfen wurden, aufgrund ihrer kontrollierbaren und robusten Eigenschaften große öffentliche Aufmerksamkeit auf [15, 16]. Vor diesem Hintergrund wurde in unserer früheren Arbeit ein Magnetfilm auf FeCo-Basis mit Doppelstreifenmuster vorgeschlagen [17]. Während des Experiments wurde ein breites Resonanzband mit Doppelresonanzpeaks beobachtet, was auf die Überlagerung der Doppelresonanzquelle zurückzuführen ist, die durch unabhängige Magnetstreifen beigetragen wird.

Um das Resonanzband weiter zu erweitern, haben wir daher in diesem Artikel einen einzigartigen kombinierten streifenförmigen FeCoBSi-Dünnfilm vorgestellt, der verschiedene Streifen mit fünf verschiedenen Breiten enthält, und die Mikrowellenresonanzcharakterisierung aufgrund mehrerer Resonanzpeaks mit dem Landau-Lifshitz-Gilbert ( LLG) Prozessionsbewegungsformulismus. Das Breitband-Resonanzband-Phänomen wurde mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 4 GHz bei geringer Dicke, d. h. 45 nm für unsere Experimente, verstärkt. Inzwischen konnte die Änderung der Resonanzfrequenz durch die mathematische Formel in Bezug auf Entmagnetisierungsfaktoren vorhergesagt werden. Die Ergebnisse konnten durch die forminduzierte effektive Anisotropie, die aufgrund der ausgeprägten Streifenbreite abgelegt wurde, weiter veranschaulicht werden, was eine Kontrolle durch das traditionelle Lithographieverfahren in der tatsächlichen Anwendung ermöglichte.

Experiment

Fe₆₆ Co₁₇ B₁₆ Si₁ Durch DC-Magnetron-Sputtern bei Raumtemperatur wurden dünne Filme unterschiedlicher Dicke auf Silizium-(111)-Substraten abgeschieden. Ein externes Magnetfeld von 500 Oe wurde entlang der kurzen Achse des Substrats angelegt, um eine in der Ebene liegende uniaxiale Anisotropie zu induzieren, wie in Abbildung 1 gezeigt. Zur Herstellung der kombinierten Streifenmuster wurden die traditionelle Ultraviolett-(UV-)Lithografietechnologie und das Abhebeverfahren verwendet. Es wurden kombinierte streifengemusterte FeCoBSi-Filme verarbeitet, die verschiedene Streifen mit unterschiedlicher Breite enthielten. Die Streifen wurden nacheinander mit einer Breitenfolge von 5, 10, 15, 20 bzw. 25 μm angeordnet. Ein Trennspalt aus markanten Streifen wurde auf 5 μm festgelegt. Die Dicke der gemusterten Filme variierte zwischen 45 und 135 nm.

Das Schema des externen induzierten Magnetfelds während der Abscheidung (a ) und kombinierte Magnetfolien mit Streifenmuster (b ). Die Breite jedes Streifens betrug 5, 10, 15, 20 bzw. 25 μm. Die Breite der Lücke zwischen zwei Streifen wurde auf 5 μm festgelegt. Der Lift-Off-Prozess wurde nach der Abscheidung durchgeführt, um die endgültige Struktur des Films freizulegen

Die Dicke der Filme wurde durch Querschnittsbeobachtung mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) bestimmt. Entsprechende statische Eigenschaften des Magnetfilms, d. h. Hystereseschleifen, wurden mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM) gemessen. Die Mikrowelleneigenschaften wurden durch eine kurzgeschlossene Mikrostreifen-Übertragungsleitungsstörungsmethode charakterisiert, die mit einem Vektornetzanalysator im Frequenzbereich von 0,5–6 GHz verbunden war.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt das Schema des Abscheidungsaufbaus mit einem externen induzierten Magnetfeld. Während der Abscheidung wurde ein externes Magnetfeld von 500 Oe angelegt, um eine in der Ebene liegende uniaxiale Anisotropie zu induzieren. Das Abhebeverfahren wurde nach der Abscheidung verarbeitet, um eine gemusterte Struktur von Filmen zu belichten. Abbildung 1b zeigt die kombinierte Streifenstruktur unserer Magnetfolien. Die Breitenfolge für jeden Streifen entspricht 5, 10, 15, 20 bzw. 25 μm, während der Abstand zwischen jedem Streifen auf 5 μm festgelegt wurde. Nach unseren früheren Arbeiten gab es während der XRD-Messung keine offensichtlichen kristallinen Peaks außer Si (111) von den Substraten [18]. Daher war die kristalline Struktur unserer Filme amorph oder nanokristallin.

Die statischen magnetischen Eigenschaften kombinierter streifenförmiger Filme, die in unterschiedlichen Dicken von 45 bis 135 nm abgeschieden wurden, wurden untersucht. Die leichte Achse wurde als die gleiche Richtung wie die Richtung des induzierten Magnetfelds definiert, während die harte Achse orthogonal dazu war, Abb. 2. Aktuelle Teile von M/Ms -H-Schleifen der Filme, die im Feld gemessen wurden, liegen zwischen 100 und − 100 Oe . Die Unterschiede zwischen der leichten Achse und der harten Achse zeigen deutlich die induzierte uniaxiale Anisotropie in der Ebene, die durch das induzierte Magnetfeld sowie die streifenforminduzierte Anisotropie beigetragen wurde. Darüber hinaus zeigten die Hystereseschleifen in Abb. 2 gut weichmagnetische Eigenschaften mit H _ch nur 13 Oe, wobei H _ch ist die Koerzitivfeldstärke entlang der harten Achse und H _ce ist die Koerzitivfeldstärke entlang der leichten Achse. Mit zunehmender Schichtdicke H _ch von 32 Oe bei 45 nm auf 13 Oe bei 135 nm sinken würde, was dem von Herzer [19] vorgeschlagenen zufälligen Anisotropiemodell entsprach. Alle Details finden Sie in unserer früheren Arbeit [18].

Die Hystereseschleifen kombinierter streifenförmiger Magnetfolien mit unterschiedlicher Dicke. Die Ergebnisse werden von der leicht-hart-Achse gezeigt, die durch die Richtung des induzierten Magnetfelds in jedem Bild definiert ist. Von a bis d , die Dicke der Filme variierte zwischen 45 und 135 nm

Abbildung 3 zeigt die Real- und Imaginärkomponenten der Permeabilitätsspektren von kombinierten streifenförmigen Filmen in Abhängigkeit von der Frequenz mit unterschiedlicher Dicke. Es ist interessant zu finden, dass für t = 45 nm, es gibt aufspaltende Resonanzpeaks, die bei f . auftreten _niedrig und f _Hoch Frequenz über den gemessenen Frequenzbereich bzw. Laut dieser Grafik, wenn t = 45 nm, der μ′ ist hoch bei etwa 170, während der f _niedrig erreicht nur etwa 3,2 GHz und f _Hoch beträgt etwa 5 GHz. Mit zunehmender Dicke wird der Wert von f _niedrig nimmt die ganze Zeit zu. Für t = 135 nm, wir finden, dass μ′ kann immer noch auf einem angemessenen Niveau von 170 bleiben, das f _niedrig steigt gleichzeitig auf einen beachtlichen Wert von 4,2 GHz an, während die f _Hoch liegt möglicherweise außerhalb des gemessenen Frequenzbereichs von 6 GHz. Das Resonanzband, definiert als Full Width Half Maximum (FWHM), wurde auf mehr als 4 GHz bei einer Dicke von 45 nm verbreitert, was breiter ist als das FWHM von Filmen mit Doppelstreifenmuster mit 2 GHz [18]. Es könnte einen besseren Weg für zukünftige Anwendungen als Breitband-Mikrowellen-EMI-Absorber ebnen. Das Breitband-Phänomen war auf das anisotrope Feld unterschiedlicher Form zurückzuführen, das durch fünf unterschiedlich breite Streifen induziert wurde. Betrachten Sie die feste Breite der Lücke als 5 μm, was groß genug ist, um die beiden aufeinanderfolgenden Streifen ohne Kopplungseffekt magnetisch zu trennen. Somit war jeder Streifen tatsächlich unabhängig voneinander, was zu einer separaten magnetischen Reaktion bei Mikrowellenerregung führte. Die Gesamtantwort auf das hochfrequente elektromagnetische Feld sollte eine mathematische Addition von fünf unterschiedlich breiten Streifen sein. Darüber hinaus könnte die Formanisotropie eine wesentliche Rolle spielen, um die effektive Anisotropie des Films, d. h. die Resonanzfrequenz, zu bestimmen [20]. Daher muss der Entmagnetisierungsfaktor bei der mikromagnetischen Analyse berücksichtigt werden. Um die dynamischen Eigenschaften unserer Dünnschichten zu demonstrieren, wurde die LLG-Gilbert-Gleichungsformel [21] in Kombination mit dem Entmagnetisierungseffekt verwendet, um das Hochfrequenzphänomen für magnetische Dünnschichten mit uniaxialer Anisotropie zu beschreiben. Somit könnte die Hochfrequenzpermeabilität durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

Bei Raumtemperatur gemessene Permeabilitätsspektren von kombinierten streifenförmigen FeCoBSi-Dünnfilmen mit unterschiedlichen Dicken zeigen die tatsächliche Permeabilität von Filmen (a ) und zeigen die imaginäre Permeabilität (b )

wobei 4πM _s ist definiert als Sättigungsmagnetisierung, α ist der Dämpfungsfaktor, γ ist das gyromagnetische Verhältnis (1,76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ für FeCo-Legierung), H _e ist eine wirksame Anisotropie hinterlegt und N _x , N _y , N _z ist der Entmagnetisierungsfaktor entlang dreier orthogonaler Richtungen. f _r kann durch die Kittle-Gleichung abgeleitet werden als

Angesichts der in unseren Filmen enthaltenen Streifen mit unterschiedlicher Breite, die eine ausgeprägte Formanisotropie induzierten, die zu geteilten Resonanzpeaks führte, sollte das gesamte Spektrum als mathematische Addition von fünf separaten gekennzeichnet werden. Der Entmagnetisierungsfaktor entlang x , y , und z Richtung kann geschrieben werden als [20]

wo L ist die Länge entlang z -Achse, W ist die Breite entlang x -Achse und T ist die Dicke entlang y -Achse. Mit den Formeln (3), (4), (5) und der LLG-Formel kann die Resonanzfrequenz entsprechend der unterschiedlichen Breite des Magnetstreifens von 5 bis 25 μm jeweils berechnet werden.

Abbildung 4 zeigt die berechnete Resonanzfrequenz einzelner Streifen mit unterschiedlicher Dicke von 5 bis 25 μm. In dieser Berechnung ist α wurde auf 0,03 gesetzt, was einen geringen Einfluss auf die Lage der Resonanzfrequenz hatte. Die Sättigungsmagnetisierung und das effektive In-Plain-Anisotropiefeld, die beide aus den experimentellen Ergebnissen fortgesetzter FeCoBSi-Filme extrahiert wurden, wurden auf 1345 emu/cm ³ . festgelegt bzw. 40 Oe [18]. In den amorphen magnetischen Filmen konnte die magnetokristalline Anisotropie vernachlässigt werden, was zu einer wichtigeren Rolle der Formanisotropie bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz führte, was in [20] gezeigt wurde. Daher sollten Streifen unterschiedlicher Breite aufgrund des durch die Lücke aufrechterhaltenen Entkopplungseffekts zu ausgeprägten Resonanzpeaks beitragen, was theoretisch zu mehreren Resonanzpeaks im Spektrum führt. Darüber hinaus würde mit der Zunahme der Filmdicke die Hauptresonanzfrequenz ansteigen und der Frequenzunterschied zwischen den Streifen unterschiedlicher Breite (in Fig. 4 dargestellt) vergrößert werden. Daher gibt es einen starken Superpositionierungseffekt zwischen mehreren Resonanzpeaks, wenn die Dicke des Films dünn genug ist, wobei in diesem Fall das Band des magnetischen Spektrums ein ausgeprägtes verbreitertes Verhalten zeigte. Mit der Zunahme der Dicke wurde ein solcher Überlagerungseffekt aufgrund der ausgeprägteren Resonanzfrequenzdifferenz geschwächt. Bei einer Dicke von über 110 nm lag die Resonanzfrequenz von Streifen mit einer bestimmten Breite wie 5 μm außerhalb unseres Messbereichs, da der blaue Bereich zeigte, was zu einer geringeren FWHM im Vergleich zum 45 nm-Film führte. Auch die Resonanzfrequenz konnte durch mathematische Berechnungen vorhergesagt werden. Durch die Abstimmung der Breite der Streifen sowie der Dicke der Filme kann jedes Resonanzphänomen für die tatsächliche Anwendung kontrolliert werden.

Numerische Berechnung der Resonanzfrequenz unterschiedlicher Streifenbreiten in Abhängigkeit von unterschiedlicher Dicke. Der blaue Bereich zeigt den verfügbaren Messfrequenzbereich (bis zu 6 GHz) für unser Setup an

Die Annahme, dass der Breitbandeffekt auf die Überlagerung eines unabhängigen Resonanzpeaks zurückzuführen ist, der durch einen separaten Streifen induziert wird, kann aus dem Anpassungsergebnis in Abb. 5 klar verstanden werden auch berechnet. Verglichen mit dem kombinierten streifengemusterten Film lag die Resonanzfrequenz jedes Streifens im Bereich der FWHM des kombinierten streifengemusterten Films, wie der rote Bereich dargestellt ist, was unsere Annahme gut unterstützt, dass das Breitbandphänomen des kombinierten streifengemusterten Films auf Überlagerung zurückzuführen ist von markanten Resonanzspitzen, die durch verschiedene Streifen induziert werden.

Gemessene und berechnete imaginäre Permeabilität für einen kombinierten streifenförmigen FeCoBSi-Dünnfilm mit T = 45 nm und berechnete imaginäre Permeabilität für Streifen mit unterschiedlicher Breite. Der rote Bereich entspricht dem Resonanzband (FWHM) von kombinierten Streifenmusterfolien

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir die Magnet- und Mikrowellenresonanzcharakterisierung von kombiniertem streifenförmigem FeCoBSi mit unterschiedlicher Dicke untersucht. Im Vergleich zu den früheren doppelstreifengemusterten Filmen konnte das fünfstreifengemusterte FeCoBSi-Muster das Resonanzband (FWHM) weiter auf 4 GHz erweitern. Das Breitbandphänomen könnte durch Abstimmung der Breite verschiedener Streifen sowie der Dicke der Magnetfilme kontrolliert werden, um die Anforderungen in der tatsächlichen Anwendung zu erfüllen, was in zukünftigen EMI-Geräten nützlich sein kann.

Abkürzungen

EMI:

Elektromagnetische Inferenz

FWHM:

Halbe maximale Breite in voller Breite

LLG:

Landau-Lifshitz-Gilbert