平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種平面內(nèi)任意方向?qū)崿F(xiàn)高磁導(dǎo)率的材料結(jié)構(gòu)， 確切的說該材料是由兩個(gè)相互垂直的單軸各向異性薄膜構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)展示了在不需要其它 外加直流磁場條件下，可在面內(nèi)不同角度下實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率的特征。
【背景技術(shù)】
[0002] 微電子技術(shù)和磁性存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，使得高頻軟磁材料受到了廣大磁性器件制造 商與磁性材料研宄者的青睞。磁性器件不斷往高頻發(fā)展，要求磁性材料必須具有高頻率下 的高磁導(dǎo)率。由于Snoek極限的物理原理限制，磁性粉體材料很難滿足目前磁性器件發(fā)展 的需求，而具有特殊結(jié)構(gòu)的磁性薄膜材料可能在更高頻率下得到高磁導(dǎo)率。
[0003] 通常情況下，要在磁性薄膜中得到高共振頻率和高磁導(dǎo)率，就需要在薄膜中得到 面內(nèi)單軸各向異性。然而單軸各向異性有一個(gè)缺點(diǎn)，就是它具有很強(qiáng)的方向性，只能在特定 的方向使用才有利用價(jià)值，一旦材料制成，并被整合到器件中去，便不能再被隨意調(diào)整。顯 然這種材料無法滿足器件復(fù)雜多變使用環(huán)境的要求。另一種可行的方法就是轉(zhuǎn)動(dòng)各向異 性。但是，按上述方法得到的材料，僅為后期調(diào)整提供方便，而不能在不加外磁場的情況下 實(shí)現(xiàn)任意方向均具有高磁導(dǎo)率的特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的的目的是提供一種在不施加外磁場的前提條件下，在平面內(nèi)任意方向均 能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種上述磁性材料的制備方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn) GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料，由從下往上依次設(shè)置的第二鐵磁層、隔離層和第一鐵磁層組成； 第一鐵磁層的各向異性方向與第二鐵磁層的各向異性方向相垂直，且第一鐵磁層和第二鐵 磁層具有數(shù)值相同的單軸各向異性。
[0007] 本發(fā)明所采用的另一個(gè)技術(shù)方案是：一種上述磁性材料的制備方法，具體按以下 步驟進(jìn)行： 1) 在硅基底上，用鈷鋯做靶材，通過磁控斜濺射法濺射得到具有單軸各向異性的鈷鋯 單層膜，該單層膜為第二鐵磁層； 2) 利用磁控濺射方法，在第二鐵磁層上制備非磁性SiOJl ; 3) 按步驟1)的方法在非磁性SiOJl上制備各向異性方向與第二鐵磁層相垂直的單軸 各向異性鈷鋯單層膜，該單層膜為第一鐵磁層，從而制得在平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)高磁 導(dǎo)率的磁性材料。
[0008] 本發(fā)明磁性材料由兩層鐵磁層和該兩層鐵磁層之間設(shè)置的隔離層構(gòu)成，該兩層鐵 磁層的各向異性方向相垂直，且具有數(shù)值相同的單軸各向異性場，在不施加外磁場的條件 下，能夠?qū)崿F(xiàn)在薄膜中面內(nèi)任意方向都具有高頻高磁導(dǎo)率，從而極大地拓寬了材料的使用 范圍和使用條件。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明磁性材料結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0010] 圖2是圖1所示結(jié)構(gòu)磁性材料中磁化強(qiáng)度的交變部分m沿h方向的分量和各向異 性場Hk與微波場h之間夾角0的關(guān)系圖。
[0011] 圖3是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量樣品的磁譜，得到不同角度a下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率虛部 與頻率之間的關(guān)系圖。
[0012] 圖4是用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量樣品的磁譜，得到不同角度a下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部 與頻率之間的關(guān)系。
[0013] 圖5是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率虛部的共振峰位得到的共振頻率f；隨角度a變化的極圖。
[0014] 圖6是由復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部擬合得到的初始磁化率Uint隨測量角度a變化的極圖。
[0015] 圖1中：1.第一鐵磁層，2.隔離層，3.第二鐵磁層。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明磁性材料，由依次疊加的三層薄膜組成，即由從下往上依次設(shè) 置的第二鐵磁層3、隔離層2和第一鐵磁層1組成，形成三明治結(jié)構(gòu)。第一鐵磁層1和第二 鐵磁層3均為鐵磁性薄膜，且薄膜厚度相同；第一鐵磁層1的各向異性方向與第二鐵磁層3 的各向異性方向相垂直，第一鐵磁層1和第二鐵磁層3具有數(shù)值相同的單軸各向異性H k，隔 離層2為非磁性SiOJl。
[0018] 由于本發(fā)明磁性材料中兩層鐵磁層的各向異性方向垂直，則磁化強(qiáng)度的交變部分 m沿h方向的分量和各向異性場H k與微波場h之間的夾角a的關(guān)系，如圖2所示。因而， 該磁性材料整體薄膜結(jié)構(gòu)在任意方向的等效磁導(dǎo)率Xh可以用以下公式表示：
式中：X表示單層CoZr薄膜的磁化率，是一個(gè)無量綱量。
[0019] 由（1)式可以看出，單層膜等效磁導(dǎo)率Xh的大小在薄膜平面內(nèi)隨角度a有COS2a 的依賴關(guān)系，于是對于各向異性場相互垂直的兩層鐵磁性薄膜，當(dāng)該兩層鐵磁性薄膜的單 軸各向異性場大小相等時(shí)，在平面內(nèi)任意方向施加微波場，樣品的等效磁導(dǎo)率 也就是說，在具有本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)的雙層薄膜中，樣品的磁化率在平面內(nèi)是一個(gè)角度無關(guān) 的量，即本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)各個(gè)方向的高磁導(dǎo)率。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種上述磁性材料的制備方法，具體按以下步驟進(jìn)行： 1) 在（111)取向的硅基底上，用鈷鋯（CoZr)做靶材，通過磁控斜濺射法濺射得到具有 單軸各向異性Hk、厚度為IOOnm的CoZr單層膜，該單層膜為第二鐵磁層3 ; 2) 利用磁控濺射方法，在步驟1)制備的第二鐵磁層3上制備一定厚度(約為10 nm)的 非磁性SiOJl，該非磁性SiO 2層為隔離層2 ; 3) 按步驟1)的方法在隔離層2上制備各向異性方向與第二鐵磁層3相垂直的單軸各 向異性為Hk、厚度為IOOnm的CoZr單層膜，該單層膜為第一鐵磁層1，制得在平面內(nèi)任意方 向均能實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率的磁性材料。
[0021] 通過以上步驟即可實(shí)現(xiàn)上下兩層各向異性大小相等、方向垂直的磁性材料結(jié)構(gòu)， 可在平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率。
[0022] 以下結(jié)合理論公式與實(shí)際測試對本發(fā)明進(jìn)行說明： 用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA)測量樣品的磁譜，得到不同角度(磁化強(qiáng)度的交變部分m沿h 方向的分量和各向異性場Hk與微波場h之間的夾角a )下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率虛部和實(shí)部與頻 率之間的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。通過擬合磁譜曲線，可以得到相應(yīng)角度a對應(yīng)的磁 導(dǎo)率和共振頻率大小。
[0023] 圖3為樣品在部分角度下的磁導(dǎo)率的虛部，圖3右上角為其在共振峰附近的放大 圖?？梢钥吹剑瑢悠菲矫鎯?nèi)任意角度，樣品都表現(xiàn)出各向同性的性質(zhì)，其磁譜的共振頻率 都在3GHz附近，做出每個(gè)角度下磁譜的共振峰對應(yīng)的頻率f；和角度關(guān)系的極圖，見圖5,由 圖5可以看出，頻率f,的變化幾乎為一個(gè)圓，其半徑大小對應(yīng)的頻率是3GHz，而頻率的變化 在2. 9~3. IGHz范圍內(nèi)。圖4為部分角度的磁導(dǎo)率譜實(shí)部圖，圖4顯示磁導(dǎo)率等于零的位 置對應(yīng)共振頻率，可以看出在3GHz左右，在本發(fā)明中，樣品的實(shí)際使用中的磁導(dǎo)率也是一 個(gè)非常重要的性能參數(shù)，圖4中低頻段平直部分(低頻段）則為實(shí)際高頻應(yīng)用時(shí)的磁導(dǎo)率。 而圖6中的黑色小球圍成區(qū)域內(nèi)的粗實(shí)線圓是根據(jù)公式（1)計(jì)算得到的磁導(dǎo)率隨角度變化 的結(jié)果，黑色小球是根據(jù)磁譜實(shí)部擬合得到的低頻磁導(dǎo)率的極圖，由圖6可以看出，磁導(dǎo)率 隨角度變化的規(guī)律和理論結(jié)果符合的很好，該圓的半徑對應(yīng)的磁導(dǎo)率的大小為60,其變化 范圍在57~64之間。
[0024] 綜上所述，本發(fā)明提供了一種原理和制備都比較簡單，不需要特殊的制備設(shè)備，就 可以在磁性薄膜的平面內(nèi)各個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)較大磁導(dǎo)率的方法，并且共振頻率也幾乎不隨 角度而變化，故而本發(fā)明磁性材料的結(jié)構(gòu)在器件中應(yīng)用時(shí)可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和要 求?？鄢`差及偶然因素，本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果符合的比較好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料，其特征在于，該磁性材料 由從下往上依次設(shè)置的第二鐵磁層（3)、隔離層（2)和第一鐵磁層（1)組成；第一鐵磁層（1) 的各向異性方向與第二鐵磁層（3 )的各向異性方向相垂直，且第一鐵磁層（1)和第二鐵磁 層（3)具有數(shù)值相同的單軸各向異性。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料，其特征 在于，第一鐵磁層（1)和第二鐵磁層（3 )均為鐵磁性薄膜，且厚度相同。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料，其特征 在于，所述隔離層（2)為非磁性SiOJl。4. 一種權(quán)利要求1所述平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料的制備方 法，其特征在于，該制備方法具體按以下步驟進(jìn)行： 1) 在硅基底上，用鈷鋯做靶材，通過磁控斜濺射法濺射得到具有單軸各向異性的鈷鋯 單層膜，該單層膜為第二鐵磁層（3); 2) 利用磁控濺射方法，在第二鐵磁層（3)上制備非磁性SiOJl ; 3) 按步驟1)的方法在非磁性SiOJl上制備各向異性方向與第二鐵磁層（3)相垂直的 單軸各向異性鈷鋯單層膜，該單層膜為第一鐵磁層（1 )，從而制得在平面內(nèi)任意方向均能實(shí) 現(xiàn)高磁導(dǎo)率的磁性材料。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料的制備方 法，其特征在于，所述步驟1)中采用（111)取向的硅基底。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料的制備方 法，其特征在于，第一鐵磁層（1)和第二鐵磁層（3)的厚度均為100nm。7. 根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料的制 備方法，其特征在于，第一鐵磁層（1)和第二鐵磁層（3)的單軸各向異性數(shù)值相同。
【專利摘要】一種平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)GHz高磁導(dǎo)率的磁性材料及制備方法，該磁性材料由從下往上依次設(shè)置的第二鐵磁層、隔離層和第一鐵磁層組成；第一鐵磁層與第二鐵磁層的各向異性方向相垂直，且具有數(shù)值相同的單軸各向異性。在硅基底上，鈷鋯做靶材，磁控斜濺射得到具有單軸各向異性的第二鐵磁層；在第二鐵磁層上磁控濺射得非磁性SiO2層；在非磁性SiO2層上磁控斜濺射得到各向異性方向與第二鐵磁層相垂直的第一鐵磁層，制得在平面內(nèi)任意方向均能實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率的磁性材料。該磁性材料在不施加外磁場的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)在薄膜中面內(nèi)任意方向都具有高頻高磁導(dǎo)率，極大地拓寬了材料的使用范圍和使用條件。
【IPC分類】H01F41/18, H01F10/12
【公開號】CN104992809
【申請?zhí)枴緾N201510393656
【發(fā)明人】柴國志, 汪文峰, 潘祿祿, 薛德勝
【申請人】蘭州大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月8日