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Al-O、C、N元素添加对铁钴基合金软磁薄膜性能影响的研究

作　者: 王璇
导　师: 魏福林
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: FeCo基薄膜纳米晶软磁薄膜非晶软磁薄膜频率响应特性
分类号: TB383.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

伴随着电子信息工业的飞速发展,软磁薄膜的应用日益广泛,而无论是垂直磁记录磁头还是薄膜电感,对软磁薄膜的高饱和磁化强度、低矫顽力、良好的高频响应特性提出了越来越高的要求,这就需要对磁性薄膜的软磁性和高频特性进行研究和改善。迄今为止,FeCo合金则因为具有最高的饱和磁化强度而被广泛研究,不过FeCo合金磁晶各向异性常数和饱和磁致伸缩系数均比较大,导致无法获得良好的软磁特性,因此在保持其高饱和磁化强度的基础上通过各种手段来软化磁性就成了一个重要的课题,常用的手段有添加衬底层和第三元素的掺杂。本文中,我们利用磁控射频溅射制备了三个体系的FeCo基合金薄膜,分别研究了Al-O、C、N等元素添加对薄膜软磁特性和高频特性的改善机理。主要得到了如下结果：Ⅰ. FeCoAlO薄膜1) FeCoAlO薄膜具有良好的软磁特性：矫顽力(Hce=5.2Oe,Hch=3.6Oe),软磁性主要来源是由于Al-0以非晶基质沉积在晶粒边界上,有效地限制了薄膜晶粒的生长,使得晶粒尺寸大幅减小,晶粒间的交换耦合作用增强,从而与磁晶各向异性作用平均形成较小的有效各向异性。2)溅射条件对薄膜的磁性能有影响,最佳溅射条件为：溅射功率P=400W；溅射气压PAr=4mTorr;膜厚t=500nm.3) FeCoAlO薄膜的动态磁性普遍表现为传统的阻尼模式,随Al%含量从6%增加到14.6%,截止频率从0.6提高到1.0 GHz,同时磁导率略有下降。Ⅱ. FeCoAlOC薄膜1)利用无机物(石墨)为薄膜添加C元素,形成的薄膜应力较大,软磁性很差。2)利用有机化合物环氧树脂添加C元素,在适量添加的情况下(SC%≦0.42%)可获得纳米晶FeCoAlOC薄膜,具有较高的饱和磁化强度、良好的软磁性能和高频特性,在Sc%=0.28%时,获得了综合性能最佳的FeCoAlOC纳米晶薄膜：Hce=1.7Oe, Hch=2.1Oe；4πMs=20kG; fr=2.8GHz,μ’=300。3) FeCoAlOC纳米晶薄膜的高频响应曲线表现出共振型的特征。我们用LLG方程对薄膜的高频响应做出拟合,结果与实验结果符合良好。4)当C含量添加进一步增加,可生成FeCoAlOC非晶薄膜,此时由于不存在晶界等对磁矩的阻碍,矫顽力也很低,但Fe、Co原子非晶态下的磁矩低于晶态时的磁矩,饱和磁化强度大幅下降。虽然非晶态FeCoAlOC薄膜的电阻率有明显的提升,但是面内单轴各向异性消失且自然共振损耗增大,最终导致磁导率和截止频率的下降。5)对非晶态FeCoAlOC薄膜分别进行低速和快速升温热处理,希望能够使之晶化,从而获得晶粒尺寸更小的纳米晶薄膜,但发现低速升温的晶化晶粒长大不可避免,快速升温晶化会造成新的化合物相生成,这都导致了软磁性能的恶化。Ⅲ. FeCoAlON薄膜1)在氮分压较低的条件下制备的FeCoAlON薄膜(N2%≦0.2%),饱和磁化强度保持在较高水平(约20kG),矫顽力较低(3-40e)。从微结构上看出N的添加有利于薄膜晶粒的细化从而导致软磁性能提高。2)随着氮分压的增大(N2% (?)0.4%), FeCoAlON薄膜开始形成条形畴,磁矩沿膜面法线方向有分量,薄膜具有高的磁弹性各向异性能,这导致了软磁性能的恶化,面内单轴各向异性消失。3)N含量较低的FeCoAlON薄膜动态磁化过程表现出典型的驰豫型模式,低频磁导率较高(约600)而截止频率较低(仅0.5GHz)。4)N含量较高的FeCoAlON薄膜动态磁化过程较为复杂,表现出了共振模式的特点,并且无论是沿难轴还是易轴的微波场驱动都产生了多个共振峰。

Al-O、C、N元素添加对铁钴基合金软磁薄膜性能影响的研究

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