Dikte-afhankelijke magnetische en microgolfresonantiekarakterisering van gecombineerde FeCoBSi-films met streeppatroon

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont het schema van de depositieopstelling met extern geïnduceerd magnetisch veld. Tijdens de depositie werd een extern magnetisch veld van 500 Oe aangelegd om uniaxiale anisotropie in het vlak te induceren. De lift-off-methode werd na afzetting verwerkt om bloot te stellen aan de patroonstructuur van films. Figuur 1b toont de gecombineerde streeppatroonstructuur van onze magnetische films. De volgorde van breedte voor elke streep komt overeen met respectievelijk 5, 10, 15, 20, 25 m, terwijl de opening tussen elke streep was vastgesteld op 5 m. Volgens ons eerdere werk waren er geen duidelijke kristallijne pieken behalve Si (111) van de substraten tijdens XRD-meting [18]. Daarom was de kristallijne structuur van onze films amorf of nanokristallijn.

De statische magnetische eigenschappen van films met een gecombineerd streeppatroon, afgezet met een dikte van 45 tot 135 nm, werden onderzocht. De gemakkelijke as werd gedefinieerd als dezelfde als de richting van het geïnduceerde magnetische veld, terwijl de harde as er orthogonaal op stond, figuur 2. Huidige delen van M/Ms -H-loops van de films, die in het veld zijn gemeten, variëren tussen 100 en − 100 Oe . De verschillen tussen de gemakkelijke as en de harde as laten duidelijk de geïnduceerde in-plane uniaxiale anisotropie zien, die werd bijgedragen door geïnduceerd magnetisch veld en de streepvorm-geïnduceerde anisotropie. Verder lieten de hysteresislussen in figuur 2 goed zachte magnetische eigenschappen zien met H _ch zo laag als 13 Oe, waarbij H _ch is de coërciviteit langs de harde as en H _ce is de coërciviteit langs de gemakkelijke as. Met toename van de filmdikte, H _ch zou afnemen van 32 Oe bij 45 nm tot 13 Oe bij 135 nm, wat in overeenstemming was met het willekeurige anisotropiemodel voorgesteld door Herzer [19]. Alle details zijn te vinden in ons eerdere werk [18].

De hysteresislussen van gecombineerde magnetische films met streeppatroon met verschillende diktes. De resultaten worden getoond vanaf een gemakkelijk-harde as gedefinieerd door de richting van het geïnduceerde magnetische veld in elke afbeelding. Van a naar d , de dikte van films varieerde van 45 tot 135 nm

Figuur 3 toont de echte en denkbeeldige componenten van de permeabiliteitsspectra van gecombineerde streeppatroonfilms op de functie van frequentie met verschillende diktes. Het is interessant om te ontdekken dat voor t = 45 nm, er zijn splitsende resonantiepieken die verschijnen bij f _laag en f _Hoog frequentie over het gemeten frequentiebereik, respectievelijk. Volgens deze grafiek, wanneer t = 45 nm, de μ′ is hoog op ongeveer 170, terwijl de f _laag bereikt net ongeveer 3,2 GHz en f _Hoog is ongeveer 5 GHz. Naarmate de dikte toeneemt, wordt de waarde van f _laag neemt de hele tijd toe. Voor t = 135 nm, vinden we dat μ′ kan nog steeds op het juiste niveau van 170 blijven, de f _laag neemt tegelijkertijd toe tot een aanzienlijke waarde van 4,2 GHz, terwijl de f _Hoog ligt mogelijk buiten het gemeten frequentiebereik van 6 GHz. De resonantieband, gedefinieerd als full width half maximum (FWHM), werd verbreed tot meer dan 4 GHz bij een dikte van 45 nm, wat breder is dan de FWHM van films met dubbele streeppatroon met 2 GHz [18]. Het kan een betere weg effenen voor toekomstige toepassing als breedband microgolf EMI-absorbers. Het fenomeen van de bredere band was te wijten aan het anisotrope veld met verschillende vormen dat werd geïnduceerd door vijf verschillende breedtestrepen. Beschouw de vaste breedte van de opening als 5 μm, wat groot genoeg is om de twee opeenvolgende strepen magnetisch te scheiden zonder koppelingseffect. Elke streep was dus feitelijk onafhankelijk van elkaar, wat leidde tot een afzonderlijke magnetische respons onder microgolfexcitatie. De totale respons op het hoogfrequente elektromagnetische veld moet een wiskundige optelling zijn van vijf verschillende breedtestrepen. Bovendien zou de vormanisotropie een essentiële rol kunnen spelen bij het bepalen van de effectieve anisotropie van de film, d.w.z. de resonantiefrequentie [20]. Daarom is het noodzakelijk om rekening te houden met demagnetisatiefactor tijdens micromagnetische analyse. Om de dynamische eigenschappen van onze dunne films te demonstreren, werd de LLG Gilbert-vergelijkingsformule [21] in combinatie met het demagnetisatie-effect gebruikt om het hoogfrequente fenomeen voor magnetische dunne films met uniaxiale anisotropie te beschrijven. De hoogfrequente permeabiliteit kan dus worden beschreven door de volgende vergelijking:

Permeabiliteitsspectra gemeten bij kamertemperatuur van gecombineerde FeCoBSi dunne films met streeppatroon en verschillende diktes onthullen de echte permeabiliteit van films (a ) en vertonen de denkbeeldige permeabiliteit (b )

waar 4πM _s wordt gedefinieerd als verzadigingsmagnetisatie, α is dempingsfactor, γ is de gyromagnetische verhouding (1,76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ voor FeCo-legering), H _e effectieve anisotropie is ingediend, en N _x , N _j , N _z is de demagnetisatiefactor langs drie orthogonale richtingen, respectievelijk. f _r kan worden afgeleid door de Kittle-vergelijking als

In het licht van strepen met verschillende breedte in onze films, die een onderscheidende vormanisotropie veroorzaakten die leidde tot gesplitste resonantiepieken, moet het hele spectrum worden gekarakteriseerd als een wiskundige optelling van vijf afzonderlijke. De demagnetisatiefactor langs x , j , en z richting kan worden geschreven als [20]

waar L is de lengte langs z -as, W is de breedte langs x -as, en T is dikte langs y -as. Met formule (3), (4), (5) en de LLG-formule kan de resonantiefrequentie die overeenkomt met verschillende breedtes van de magneetstrip van respectievelijk 5 tot 25 μm worden berekend.

Figuur 4 toont de berekende resonantiefrequentie van verschillende strepen met verschillende diktes van 5 tot 25 μm. In deze berekening, α werd ingesteld op 0,03, wat een kleine impact had op de positie van de resonantiefrequentie. De verzadigingsmagnetisatie en het effectieve in-plain anisotropieveld, die beide werden geëxtraheerd uit de experimentele resultaten van voortgezette FeCoBSi-films, werden ingesteld op 1345 emu/cm ³ en 40 Oe [18], respectievelijk. In de amorfe magnetische films kon magnetokristallijne anisotropie worden genegeerd, wat leidde tot een meer essentiële rol van vormanisotropie in het resonantiefrequentiebepalingsproces, wat werd aangetoond in [20]. Daarom zouden strepen met verschillende breedtes moeten bijdragen aan onderscheidende resonantiepieken vanwege het ontkoppelingseffect dat door de opening wordt gehandhaafd, wat theoretisch resulteert in meerdere resonantiepieken in het spectrum. Bovendien, met de toename van de filmdikte, zou de hoofdresonantiefrequentie toenemen en werd het frequentieverschil tussen de strepen van verschillende breedte (afgebeeld in figuur 4) vergroot. Daarom is er een sterk superpositioneringseffect tussen meerdere resonantiepieken als de filmdikte dun genoeg is, in welk geval de band van het magnetische spectrum een ​​uitgesproken verbreed gedrag vertoonde. Met de toename van de dikte werd een dergelijk superpositionerend effect verzwakt vanwege het meer onderscheidende resonantiefrequentieverschil. Toen de dikte boven 110 nm was toegenomen, viel de resonantiefrequentie van strepen met een bepaalde breedte, zoals 5 μm, buiten ons meetbereik, aangezien het blauwe gebied vertoonde, resulteerde in een kleinere FWHM in vergelijking met de 45 nm-film. De resonantiefrequentie kon ook worden voorspeld met betrekking tot wiskundige berekeningen. Door zowel de breedte van strepen als de dikte van films af te stemmen, kon elk resonantieverschijnsel worden gecontroleerd voor daadwerkelijke toepassing.

Numerieke berekening van resonantiefrequentie van verschillende streepbreedte afhankelijk van verschillende dikte. Het blauwe gebied toont het beschikbare meetfrequentiebereik (tot 6 GHz) voor onze opstelling

De aanname dat het bredere bandeffect te wijten is aan de superpositie van onafhankelijke resonantiepiek geïnduceerd door een afzonderlijke streep, kan duidelijk worden begrepen uit het fittingresultaat in Fig. 5. Om onze aanname te verifiëren, was het magnetische spectrum van film met een enkele streeppatroon ook berekend. Vergeleken met de gecombineerde film met streeppatroon, viel de resonantiefrequentie van elke streep in het bereik van FWHM van gecombineerde streeppatroon zoals het rode gebied afgebeeld, wat onze veronderstelling goed ondersteunde dat het bredere bandfenomeen van gecombineerde streeppatroonfilm te wijten was aan superpositie van onderscheidende resonantiepieken veroorzaakt door verschillende strepen.

Gemeten en berekende denkbeeldige permeabiliteit voor gecombineerde FeCoBSi dunne film met streeppatroon en T = 45 nm en berekende denkbeeldige doorlaatbaarheid voor strepen met verschillende breedtes. Het rode gebied komt overeen met de resonantieband (FWHM) van gecombineerde films met streeppatroon