平面內任意方向均能實現GHz高磁導率的磁性材料及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料技術領域，涉及一種平面內任意方向實現高磁導率的材料結構， 確切的說該材料是由兩個相互垂直的單軸各向異性薄膜構成，該結構展示了在不需要其它 外加直流磁場條件下，可在面內不同角度下實現高磁導率的特征。
【背景技術】
[0002] 微電子技術和磁性存儲技術的發展，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展，要求磁性材料必須具有高頻率下 的高磁導率。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展 的需求，而具有特殊結構的磁性薄膜材料可能在更高頻率下得到高磁導率。
[0003] 通常情況下，要在磁性薄膜中得到高共振頻率和高磁導率，就需要在薄膜中得到 面內單軸各向異性。然而單軸各向異性有一個缺點，就是它具有很強的方向性，只能在特定 的方向使用才有利用價值，一旦材料制成，并被整合到器件中去，便不能再被隨意調整。顯 然這種材料無法滿足器件復雜多變使用環境的要求。另一種可行的方法就是轉動各向異 性。但是，按上述方法得到的材料，僅為后期調整提供方便，而不能在不加外磁場的情況下 實現任意方向均具有高磁導率的特性。
【發明內容】
[0004] 本發明的的目的是提供一種在不施加外磁場的前提條件下，在平面內任意方向均 能實現GHz高磁導率的磁性材料。
[0005] 本發明的另一個目的是提供一種上述磁性材料的制備方法。
[0006] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種平面內任意方向均能實現 GHz高磁導率的磁性材料，由從下往上依次設置的第二鐵磁層、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 磁層具有數值相同的單軸各向異性。
[0007] 本發明所采用的另一個技術方案是：一種上述磁性材料的制備方法，具體按以下 步驟進行： 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，從而制得在平面內任意方向均能實現高磁 導率的磁性材料。
[0008] 本發明磁性材料由兩層鐵磁層和該兩層鐵磁層之間設置的隔離層構成，該兩層鐵 磁層的各向異性方向相垂直，且具有數值相同的單軸各向異性場，在不施加外磁場的條件 下，能夠實現在薄膜中面內任意方向都具有高頻高磁導率，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是本發明磁性材料結構的示意圖。
[0010] 圖2是圖1所示結構磁性材料中磁化強度的交變部分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的關系圖。
[0011] 圖3是用矢量網絡分析儀測量樣品的磁譜，得到不同角度a下的復數磁導率虛部 與頻率之間的關系圖。
[0012] 圖4是用矢量網絡分析儀測量樣品的磁譜，得到不同角度a下的復數磁導率實部 與頻率之間的關系。
[0013] 圖5是復數磁導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是由復數磁導率實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。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0017] 如圖1所示，本發明磁性材料，由依次疊加的三層薄膜組成，即由從下往上依次設 置的第二鐵磁層3、隔離層2和第一鐵磁層1組成，形成三明治結構。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] 由于本發明磁性材料中兩層鐵磁層的各向異性方向垂直，則磁化強度的交變部分 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的關系，如圖2所示。因而， 該磁性材料整體薄膜結構在任意方向的等效磁導率Xh可以用以下公式表示：
式中：X表示單層CoZr薄膜的磁化率，是一個無量綱量。
[0019] 由（1)式可以看出，單層膜等效磁導率Xh的大小在薄膜平面內隨角度a有COS2a 的依賴關系，于是對于各向異性場相互垂直的兩層鐵磁性薄膜，當該兩層鐵磁性薄膜的單 軸各向異性場大小相等時，在平面內任意方向施加微波場，樣品的等效磁導率 也就是說，在具有本發明所述結構的雙層薄膜中，樣品的磁化率在平面內是一個角度無關 的量，即本發明實現了面內各個方向的高磁導率。
[0020] 本發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，制得在平面內任意方 向均能實現高磁導率的磁性材料。
[0021] 通過以上步驟即可實現上下兩層各向異性大小相等、方向垂直的磁性材料結構， 可在平面內任意方向均能實現高磁導率。
[0022] 以下結合理論公式與實際測試對本發明進行說明： 用矢量網絡分析儀（VNA)測量樣品的磁譜，得到不同角度(磁化強度的交變部分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 )下的復數磁導率虛部和實部與頻 率之間的關系分別如圖3和圖4所示。通過擬合磁譜曲線，可以得到相應角度a對應的磁 導率和共振頻率大小。
[0023] 圖3為樣品在部分角度下的磁導率的虛部，圖3右上角為其在共振峰附近的放大 圖。可以看到，對樣品平面內任意角度，樣品都表現出各向同性的性質，其磁譜的共振頻率 都在3GHz附近，做出每個角度下磁譜的共振峰對應的頻率f；和角度關系的極圖，見圖5,由 圖5可以看出，頻率f,的變化幾乎為一個圓，其半徑大小對應的頻率是3GHz，而頻率的變化 在2. 9~3. IGHz范圍內。圖4為部分角度的磁導率譜實部圖，圖4顯示磁導率等于零的位 置對應共振頻率，可以看出在3GHz左右，在本發明中，樣品的實際使用中的磁導率也是一 個非常重要的性能參數，圖4中低頻段平直部分(低頻段）則為實際高頻應用時的磁導率。 而圖6中的黑色小球圍成區域內的粗實線圓是根據公式（1)計算得到的磁導率隨角度變化 的結果，黑色小球是根據磁譜實部擬合得到的低頻磁導率的極圖，由圖6可以看出，磁導率 隨角度變化的規律和理論結果符合的很好，該圓的半徑對應的磁導率的大小為60,其變化 范圍在57~64之間。
[0024] 綜上所述，本發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備，就 可以在磁性薄膜的平面內各個方向都能實現較大磁導率的方法，并且共振頻率也幾乎不隨 角度而變化，故而本發明磁性材料的結構在器件中應用時可以適應各種復雜的環境和要 求。扣除誤差及偶然因素，本發明的實驗結果和理論分析結果符合的比較好。
【主權項】
1. 一種平面內任意方向均能實現GHz高磁導率的磁性材料，其特征在于，該磁性材料 由從下往上依次設置的第二鐵磁層（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)具有數值相同的單軸各向異性。2. 根據權利要求1所述的平面內任意方向均能實現GHz高磁導率的磁性材料，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. 根據權利要求1所述的平面內任意方向均能實現GHz高磁導率的磁性材料，其特征 在于，所述隔離層（2)為非磁性SiOJl。4. 一種權利要求1所述平面內任意方向均能實現GHz高磁導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 )，從而制得在平面內任意方向均能實 現高磁導率的磁性材料。5. 根據權利要求4所述的平面內任意方向均能實現GHz高磁導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. 根據權利要求4所述的平面內任意方向均能實現GHz高磁導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. 根據權利要求4或6所述的平面內任意方向均能實現GHz高磁導率的磁性材料的制 備方法，其特征在于，第一鐵磁層（1)和第二鐵磁層（3)的單軸各向異性數值相同。
【專利摘要】一種平面內任意方向均能實現GHz高磁導率的磁性材料及制備方法，該磁性材料由從下往上依次設置的第二鐵磁層、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，制得在平面內任意方向均能實現高磁導率的磁性材料。該磁性材料在不施加外磁場的條件下，能夠實現在薄膜中面內任意方向都具有高頻高磁導率，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
【申請號】CN201510393656
【發明人】柴國志, 汪文峰, 潘祿祿, 薛德勝
【申請人】蘭州大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年7月8日