（材料物理与化学专业论文）fecosib非晶磁弹性薄膜材料及应用研究.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 f e c o s i b 薄膜由于具有优良的磁弹性能而受到了人们的广泛关注。本文针对 f e c o s i b 薄膜材料的应力敏感特性，从理论和实验上研究了f e c o s i b 薄膜材料 的应力阻抗效应，并研究了f e c o s i b 薄膜在磁场可调平面薄膜电感中的应用。 理论上，本文从l a n d a u l i f s h i t z - g i l b e r t 方程和m a x w e l l 方程出发，推导了 磁弹性薄膜在外加应力下高频有效磁导率和阻抗的表达式，计算了不同参数如 膜厚、残余应力、磁各向异性、饱和磁化强度对薄膜应力阻抗效应的影响。结 果表明，要获得明显的应力阻抗效应，薄膜厚度须大于其趋肤深度，当薄膜的 饱和磁化强度m s 较高，薄膜内的残余张应力和薄膜的磁各向异性方向与外加应 力方向垂直时，可有效增强薄膜的应力阻抗效应。 实验上，采用d c 磁控溅射法制备了f e c o s i b 单层和f e c o s i b c u l f e c o s i b 多层薄膜，并对薄膜进行磁场热处理，研究了不同工艺条件对薄膜应力阻抗效 应的影响。发现溅射气压对薄膜的成分和应力阻抗效应影响很大，最佳溅射工 艺为：溅射气压2 p a ，薄膜厚度21 1m ；适当温度的磁场热处理有助于提高f e c o s i b 薄膜的磁各向异性和应力阻抗效应，最佳热处理条件为：外磁场3 0 0 0 e ，温度 3 0 0 ，时间6 0 r a i n 。研究发现，f e c o s i b c u f e c o s i b 多层膜的应力阻抗效应 要远大于f e c o s i b 单层膜。 本文还制备了“c u ( 栅极型) p i ( 聚酰亚胺绝缘层) f e c o s i s ( 磁芯 层) t b f e 。( 应力产生层) 基板”平面薄膜电感。测试结果表明，在外磁场为0 2 t 对，电感变化l l 最大值为一1 0 4 ，且电感变化l l 的绝对值随测试频率， 的增大而增大。研究表明，电感变化的原因是t b f e ：磁致伸缩薄膜在外磁场作用 下，伸缩而对f e c o s i b 产生的张应力，其本质是f e c o s i b 薄膜的磁导率随应力 的变化而改变。 关键词：磁弹性薄膜、f e c o s i b 、应力阻抗、可调薄膜电感 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t e x t e n s i v es t u d i e sh a v eb e e nc o n d u c t e do nt h ef e c o s i bt h i nf i l mf o ri t sp e r f e c t m a g n e t o e l a s t i cp r o p e r t y i nt h i st h e s i s ，t h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c t so ft h ef e c o s i b t h i nf i l mh a v eb e e ns t u d i e da n dt h et u n a b l ep l a n a rt h i nf i l mi n d u c t o rb a s e do nt h e m a g n e t o e l a s t i cp r o p e r t yo ff e c o s i bt h i nf i l mh a sb e e np r e p a r e d t h eh i g hf r e q u e n c yp e r m e a b i l i t ya n dt h ei m p e d a n c eo ft h ef e c o s i bt h i nf i l m h a v eb e e nd e d u c e dt h e o r e t i c a l l yb a s e do nt h el a n d a u - l i f s h i t z - g i l b e r te q u a t i o na n d t h em a x w e l le q u a t i o n s t h ei n f l u e n c e so ft h ep a r a m e t e r ss u c ha st h ed e p t h ，t h e a n i s o t r o p yf i e l d ，t h ei n t e r n a ls t r e s sa n dt h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no ft h et h i nf i l m o nt h ei m p e d a n c eo ft h ef e c o s i bt h i nf i l mh a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w t h a ts t r e s si m p e d a n c ee f f e c tc a nb eo b t a i n e do b v i o u s l yw h e nt h ed e p t ho ft h et h i nf i l m i sb i g g e rt h a nt h es k i nd e p t ho ft h et h i nf i l m a n dt h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c tc a nb e i n c r e a s e dw h e nt h ed i r e c t i o no fm a g n e t i ca n i s o t r o p yf i l e do rt h a to ft h ei n t e r n a l t e n s i l es t r e s si sp e r p e n d i c u l a rt ot h a to ft h ea p p l i e ds t r e s so ft h et h i nf i l m 谢mh i 曲 s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n t h ef e c o s i bt h i nf i l ma n df e c o s i b c u f e c o s i bm u l t i l a y e r sh a v eb e e n p r e p a r e db yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n go ng l a s ss u b s t r a t e ，a n da n n e a l e di nas t a t i c m a g n e t i cf i e l ds u b s e q u e n t l y t h ei n f l u e n c e so ft h es p u t t e r i n gc o n d i t i o n so nt h es t r e s s i m p e d a n c ee f f e c th a v eb e e ns t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tg o o ds t r e s s i m p e d a n c e e f f e c to f t h ef e c o s i bt h i nf i l mw i 血t h et h i c k n e s so f 2 1 a mh a sb eo b t m n e d w h e nt h ea rp r e s s u r ei s2 p aa n dt h et h i nf i l mi sa n n e a l e di n3 0 0o em a g n e t i cf i l e da t 3 0 0 。cf o r6 0m i n u t e s c o m p a r e dw i t ht h ef e c o s i bt h i nf i l m ，t h es t r e s si m p e d a n c e e f f e c to f t h ef e c o s i b c u f e c o s i bm u t i l a y e r si sb i g g e rt h a nt h a to f t h ef e c o s i bt h i n f i l m t h et u n a b l e p l a n a r t h i nf i l mi n d u c t o rw i lt h es t r u c t u r e o f c u j p i f e c o s i b t b f e 2 s u b s t r a t eh a sb e e nf a b r i c a t e d t h ei n d u c t a n c e so ft h ei n d u c t o r 电子科技大学硕士论文 h a v e b e e nm e a s u r e du n d e rd i f f e r e n ta p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e l a t i v ec h a n g eo ft h ei n d u c t a n c e so ft h et h i nf i l mi n d u c t o r ( l l ) a r r i v e s 一1 0 4 w h e nt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di s2 0 0 0 0 e a n dt h e i j ld e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h e 疗e q u e n c y k e y w o r d s ：m a g n e t o e l a s t i ct h i nf i l m ，f e c o s i b ，s t r e s si m p e d a n c e ，t u n a b l ep l a n a r t h i nf i l mi n d u c t o r 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：杨! 訇j日期：) 。s 年f 月，r 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：拯! 虽宣 导师签名：至硅至 日期：矽。j 年1 月棚 电子科技大学硕士论文 1 1 研究目的、意义 第一章前言 磁弹性材料在外加应力的作用下发生形变，导致内部磁化状态发生变化， 此时测量材料的阻抗，其阻抗发生显著变化，该现象称为磁弹性材料的应力阻 抗效应( s t r e s si m p e d a n c ee f f e c t ，s i ) 。由于磁弹性材料具有磁化状态随外 应力敏感的特性，该材料可望应用于研制应力应变传感器、可调电感、可调l c 回路、声表面波器件等电子器件，应用于移动通讯、6 p s 、t r 组件、网络阻抗 匹配等系统中“”。制备高性能的基于磁弹性材料应力敏感特性的器件的关键是 获得高磁弹性能的磁弹性材料，即在外应力( 或应变) 作用下其磁化状态会发 生显著变化。因此，开展具有优良磁弹性能的磁弹性材料研究对这类器件的研 制具有至关重要的作用。在众多的磁弹性材料中，f e c o s i b 磁弹性材料具有磁导 率高、机一电耦合系数大、截止频率高、灵敏度高、响应时间短等特点，成为该 类器件的首选材料之一。 随着电子器件及整机系统的小型化、微型化，要求电子元器件向片式化、 薄膜化方向发展，从而要求电子功能材料向薄膜化方向发展。利用磁弹性材料 制各的各类器件的微型化同样也需求高性能的磁弹性薄膜材料，这就要求开展 针对f e c o s i b 薄膜材料的研究。因而开展f e c o s i b 薄膜材料磁弹性能及相关其 应用研究具有重要的意义。 本文的研究目的就在于针对磁弹性薄膜材料应力敏感特性，通过研究制备 工艺、热处理工艺对其应力阻抗性能的影响，获得具有高应力敏感特性的 f e c o s i b 磁弹性薄膜材料，并利用其应力敏感特性，设计并制各可调平面薄膜电 感。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 材料特性研究 非晶态的f e c o s i b 材料具有优异的软磁性能和磁弹性能，在薄膜材料方面， 电子科技大学硕士论文 近几年来，国内外对其特性和潜在应用开展了大量的研究。 1 9 9 9 年，日本的t o h o k u 大学电子通信研究所0 1 通过射频磁控溅射的方法制 备了f e c o s i b 单层薄膜，并将薄膜进行热处理，发现热处理后f e c o s i b 薄膜具 有很高的磁弹性能，在外加应力的作用下，其a u a 可高达3 5 ( 磁导率的相对 变化量) ，与非晶f e c o s i b 薄带的雏，相当。2 0 0 1 年，k w a n g h os h i n 等人”3 在厚度为0 1 m m 的玻璃基片上制备了f e c o s i b 薄膜，并通过磁场热处理使薄膜 产生磁各向异性，他们发现f e c o s i b 薄膜在5 0 0 m h z 时应力阻抗效应z z 达 1 1 2 ，这表明该薄膜在微型应力、应变传感器等器件中具有极大的应用潜力。 2 0 0 0 年，h i d e y ay a m a d e r a 等人“1 研究了c o s i b c u c o s i b 三明治结构的应 力阻抗效应，发现其阻抗变化a z z 远大于f e c o s i b 单层膜，频率为1 m h z 时 z z 为2 4 ，频率为1 5 m h z 时az z 可以达到4 0 。他们还研究了频率为1 5 m h z 时，电抗和电阻随外加应力的变化，结果表明电抗变化x x 达到了4 2 ，电阻 变化ar r 达到了9 8 ，其中电抗的变化反映了磁弹性薄膜磁导率u 随外加应力 的变化。他们还发现在高频下应力阻抗效应和薄膜的趋肤深度密切相关，只有 当薄膜的厚度可以和趋肤深度相比较时才会出现明显的应力阻抗效应。 a l f r e dl u d w i g 等人“3 采用磁控溅射的方法制备了( f e c o c o b ) n 多层膜，在 溅射过程中沿面内施加一大小为1 0 0 0 e 的偏置磁场，然后将薄膜置于4 0 0 的真 空中进行热处理。测试结果表明，薄膜在偏置磁场方向感生出易磁化方向，f e c o 层和c o b 的内应力不一样，f e c o 层薄膜处于压应力状态，丽c o b 层薄膜呈现张 应力状态，因而( f e c o c o b ) n 多层薄膜总的内应力接近于零。在高频下， ( f e c o c o b ) 1 2 多层膜的截止频率超过2 g h z ，谐振频率达到5 g h z 。对薄膜磁弹性能 的研究发现，频率为2 5 g 时薄膜具有良好的磁弹性能。当应变e = o 2 时，磁 导率的变化u u 高达1 0 0 。 在国内，早在上个世纪9 0 年代，人们就认识到了非晶态f e c o s i b 材料的优 异磁性能，但其研究大部分集中在块材和薄带“”上，应用研究上主要集中在压 力传感器、磁场传感器、变压器等器件方面“1 “。对于非晶态f e c o s i b 薄膜国内 只有很少的相关研究报道，上海交通大学的茅昕辉等。2 1 研究了f e s i b 单层薄膜 和f e s i b c u f e s i b 多层膜的应力阻抗效应。单层薄膜的应力阻抗效应在4 0 m h z 时达5 4 ，多层膜在1 m h z 时达2 0 ，且发现经过热处理后，薄膜的应力阻抗 电子科技大学硕士论文 效应明显增大。 1 2 2 器件应用研究 由于f e c o s i b 薄膜材料具有优异的磁弹性能，从而可应用在可调滤波器、 应力一应变传感器、声表面波器件等方面。 ( 1 ) 可调滤波器 位于德国的欧洲预先研究中心“”( c a e s a r ) 把基于磁弹性薄膜的可调电感 应用于可调l c 滤波器。当对可调电感施加一应力时，由于磁弹耦合，薄膜电感 中的磁性层的内部磁化状态发生改变，引起高频磁导率发生变化，进而引起了 电感感值的变化。由于滤波器中心频率和电感密切相关，所以最终会导致l c 电 路中心频率发生偏移。 ( 2 ) 远距离应变传感器 a 1 u d w i g 等人“”将( f e c o c o b ) n 多层膜应用于高频无线测量装置，他们把 这种多层膜作为天线的磁芯，当有外力使天线发生形变时，由于磁弹耦合，薄 膜内部磁化状态会发生改变，最终导致天线的工作参数会发生变化! 因而天线 发射的无线信号也会有所改变，此时若在远处放置一个可以发射接收无线信号 的测量装置时，就可以制成远距离的应变传感器，对远距离目标的位移变化进 行测量。 ( 3 ) 声表面波器件 h c h i r i a c 和m p l e t e a 等人“”把f e s i b 薄膜以及( f e s i b s i o ：) n 多层薄膜 应用于声表面波器件( s a w ) ，制成磁声表面波器件，其具体工作原理如下：首 先由叉指电极利用逆压电效应把输入电信号转换为声信号，使声信号以表面波 的形式在压电基体上传播，当表声波经过磁弹性薄膜时，若外加一磁场，此时 由于e 效应，薄膜的杨氏模量随之发生改变，进而影响到表声波的速度和振幅， 从而实现对表声波信号的调制。利用这一特点，可以制成磁场或应力传感器以 及延迟线等信号处理器件。 ( 4 ) 传输线 电子科技大学硕士论文 磁弹性薄膜还可以用在传输线、霍尔元件以及其他信号处理装置中。 m f r o m m b e r g e r 等人“”将f e c o s i b 磁弹性薄膜应用到混合传输线中。他们首先在 基片上溅射一层金膜，然后制备一层f e c o s i b 磁弹性薄膜，最后再溅射一层s i0 2 作为绝缘层。当对该传输线施加一磁场时，由于薄膜内部状态发生改变，从而 等效电路中的电感和电容也发生变化。由于传输线的等效电路放生了变化，所 以最终导致其微波参数也随之改变。利用传输线的这一特性，可制成一种开关 滤波器，通过施加外磁场来控制微波信号在不同频率下的损耗。 目前，国内关于磁弹性材料应力敏感特性的应用研究未见有报道，其研究 尚处于起步阶段。 1 3 选题依据与研究内容 1 3 1 选题依据 从研究方向来看，目前，国内外对f e c o s i b 非晶材料的研究大部分集中在 块材和薄带上，应用领域主要涉及压力传感器、磁场传感器、变压器等方面。 对于非晶态f e c o s i b 薄膜应力敏感特性研究很少，而对于利用其应力敏感特性 的应用研究，特别是用于研制可调薄膜电感则几乎没开展工作。 从应用背景来看，磁弹性薄膜材料应力敏感特性可应用到诸如可调电感、 可调l c 回路、压力传感器等，进而可应用到移动通讯、g p s 、t r 组件、网络阻 抗匹配等领域。而这类器件也迫切需求具有高应力敏感特性的薄膜材料。 因此，开展基于f e c o s i b 薄膜材料应力阻抗效应及其相关应用研究是当今 磁性领域的重要研究方向之一，应用需求背景明确。 1 3 2 研究内容 针对上述选题依据，本论文将首先在理论上计算应力阻抗效应，研究材料 磁特性对应力作用下材料高频磁导率及阻抗的影响；实验上采用磁控溅射的方 法制备f e c o s i b 薄膜样品，然后在磁场中热处理，以获得具有高应力灵敏度和 高磁导率的f e c o s i b 薄膜。最后，利用f e c o s i b 薄膜和磁致伸缩薄膜t b f e 2 相 结合来制备磁场可调平面薄膜电感。具体内容包括： ( 1 ) 从l a n d a u l i f s h i t z g i l b e r t 和m a x w e l l 方程出发，推导应力作用下单层 4 电子科技大学硕士论文 磁性薄膜高频有效磁导率的表达式，然后计算薄膜材料的应力阻抗效应。研究 材料特性如膜厚、残余应力、磁各向异性等对薄膜性能的影响，为材料制备提 供理论依据。 ( 2 ) 利用磁控溅射法制各f e c o s i b 单层和f e c o s i b ，c u f e c o s i b 多层薄膜 样品，然后将薄膜在磁场下热处理，研究制备条件和热处理条件对薄膜磁性能 和应力阻抗效应的影响。 ( 3 ) 用d c 和r f 磁控溅射制各“c u ( 栅极型) p i ( 聚酰亚胺) f e c o s i b t b f e 2 基片”型可调平面薄膜电感，研究外加磁场( 应力) 、测试频率对电感变化al l 的影响。 电子科技大学硕士论文 第二章f e c o s i b 薄膜应力阻抗效应模拟 应力阻抗效应是指磁弹性薄膜材料在应力作用下，其阻抗发生明显变化的 现象。当铁磁材料受到外加应力时，材料将发生相应的应变，产生磁弹性能量， 从而铁磁材料内部的等效场会发生变化，进而影响铁磁材料的磁化状态，并进 一步影响材料的高频有效磁导率，引起铁磁材料的趋肤深度6 ( 占= p 斫l 。， 其中厂为电流频率，p 为材料电阻率，f r 为有效磁导率) “”发生变化，而交流 阻抗与趋肤深度密切相关，从而引起交流阻抗的变化。应力阻抗效应与薄膜材 料的软磁性能、残余应力等各种因素密切相关，因此从理论上研究这些因素对 应力阻抗效应的影响，对f e c o s i b 薄膜材料的制备和应用具有重要的理论指导 意义。本章在l a n d a l l l i f s h i 乜- g i l b e r t 方程和m a x w e l l 方程的基础上，推导出单 层薄膜的高频有效磁导率，得到单层薄膜的阻抗表达式，讨论了不同物理参数 对f e c o s i b 薄膜有效磁导率、应力阻抗效应的影响。 2 1 应力阻抗效应的理论分析 当高频交变电流通过磁性薄膜时，其阻抗可表示阻抗为“9 z = r , i p dc o t h ( p d i ) z = 如【1 + 丽1 ( 否d ) 4 】 2 d 6 2 d 6 ( 2 一l a ) ( 2 1 b ) 其中r d 。为薄膜的赢流电阻，2 d 是薄膜厚度，p 为趋肤深度的函数 p ：i _ + i ：( 1 + i ) 、j o j c r t c f f ( 2 - 2 ) 占2 从( 2 1 ) ( 2 2 ) 式可见，要计算外加应力作用下铁磁材料的交流阻抗，关 键是获得铁磁材料在外应力作用下的高频磁导率u 。f f 。下面是计算铁磁材料的高 频磁导率的详细过程，在计算过程中除了特别说明以外，以下推导均采用国际 单位制。 当铁磁材料中通以高频电流时，将在铁磁体内产生交变磁场，此时要求解 6 电子科技大学硕士论文 铁磁材料的磁化状态，需要从磁化强度的运动方程l a n d a u l i f s h i t z - g i l b e r t 方程出发“，即 警刊( 赢置咿 岳赢警 协s ， 式中，为旋磁比，a 为阻尼系数，以是材料内等效场，m 。是材料饱和磁化 强度。 为了从( 2 3 ) 式求解出在一定交变磁场下的磁化强度庸，从而获得有效磁 导率，首先需要确定( 2 3 ) 式中的铁磁材料中的有效场疗盯。 2 1 1 等效场的确定 在铁磁材料中有五种能量：交换能，磁各向异性能，退磁能，磁应力能和 外场能。他们分别代表五种作用，铁磁材料系统的总能量为上述五种能量之和。 按照有效场的定义，上述五种能量对应的等效场依次为交换场，各向异性场， 退磁场，应力场和外磁场。从而从等效场为上述五种等效场之和。 盯= h “+ r + 月d + h 。+ 日 ( 2 4 ) 其中外磁场的形式简单，这里只讨论其他四种能量的有效场。当某种能量u 已知时，该能量对应的等效场可通过能量对磁化强度求导得出 h - 一罢( 2 - 5 ) 8 “凇 ( 1 ) 交换作用等效场 交换作用等效场是由于相邻自旋不平行，即磁化强度矢量m 在空间分布有 变化所产生的交换作用等效场。交换能是磁体内部的相互作用，因此交换作用 等效场为 珏一! 胁i ( 毗r i g 7 + 象a 舞；j - 茄v 2 而协s ， 式中a 为交换积分，o 为真空磁导率。 电子科技大学硕士论文 ( 2 ) 磁各向异性等效场 除了磁晶各向异性外，各向异性包括形状各向异性，感生各向异性等。在 非晶材料中，由于原子呈无序排列，没有晶体结构，因此不存在磁晶各向异性。 此时，薄膜中的磁各向异性类型主要为感生磁各向异性，它的等效场一般可用 一个单轴各向异性场来描述 吼2 羞 池， 式中k 是单轴磁各向异性常数。 ( 3 ) 应力等效场 非晶材料的应力包括内应力和外应力，但不论是内应力还是外应力，假定 应力仅在一个方向，并且与磁化强度的夹角为0 ，则磁应力能密度为 = 一要 盯c o s 2 曰 ( 2 - 8 ) 式中五为饱和磁致伸缩系数，盯为材料受到的应力。 由( 2 5 ) 式，将u 。对磁化强度求导可得到应力等效场， 以= 羞 沼。， ( 4 ) 退磁场 当铁磁材料由于磁化而具有面磁萄或者体磁荷时，在铁磁材料内将产生与 磁化强度方向相反的退磁场。磁性材料沿x 方向的退磁场为 h d = 一n ，m ， ( 2 - 1 0 ) 以指磁性材料在x 方向的退磁因子。 对于无限大的磁性薄膜，考虑到f e c o s i b 薄膜易磁化方向在面内，从而可 假定磁化强度无垂直于膜面方向的分量，此时可不考虑退磁场的作用。一般的， 在频率小于1 g h z 时不考虑交换耦合作用唧1 。因而等效场为外磁场、应力等效场、 各向异性场之和。 电子科技大学硕士论文 2 1 2 高频有效磁导率的求解 假定薄膜内畴壁位移类型为交替磁化的条形磁畴，外加静磁场不存在时， 相邻磁畴磁化强度大小相等，方向相反为1 8 0 。条形畴。假定在磁化强度运动过 程中，畴壁不发生变形，即认为畴壁是刚性体。下面以单轴磁各向异性的薄膜 为例，如图2 1 所示。单轴易磁化方向阼沿基片横向方向( y 方向) ，小幅交流 电流沿x 轴方向，并产生一交流小磁场。考虑薄膜中在拄方向存在内应力g ，( 与 易磁化方向夹角为0 。) 以及外加应力盯( 与易磁化方向夹角为0 。) ，磁化强度与易磁 化方向n 夹角为0 。 z m - + dn 2 x 图2 1 计算模型 下面求解l a n d a u l i f s h i t z 一6 i l b e r t 方程以获得铁磁材料的高频磁导率。 首先，不考虑小交变磁场作用时，假定磁化强度为凰，此时铁磁薄膜总 自由能密度为 e = 砌s i n 2 0 一3 2 a c o s 厂2 ( o - 0 ) 一3 z o ，c o 广s 2 ( 0 - o k ) ( 2 一1 1 ) 从而静态平衡时磁化强度与易磁化方向的夹角0 可由自由能密度最小决定 9 电子科技大学硕士论文 篓：胁s i n 2 0 + 3 ) , 0 s i n 2 ( 0 - 0 ) + 3 2 c s i n 2 ( 0 - o k ) ：0 ( 2 - 1 2 ) a 占22 r 3 五ps i n 2 0 + o rs i n 2 0 k ) 、ar c t a n ( 二一1 可得口：二2 k u + 3 2 ( c r c o s 2 0 + a ，- c o s 2 0 逆k ) 2 ( 2 一1 3 ) 考虑交流磁场h 作用后，考虑到交变磁场远小于无交变磁场时的等效场 h e 肋，即ih i 。，磁化强度可表示为 m = m o + 而 ( 2 - 1 4 ) 其中府。为不考虑交变磁场的静态磁化强度，而为交变磁场引起磁化强度。 考虑交变磁场时，薄膜中的等效场可表示为： 一嚣m 焉铲再+ 鼍铲叵+ = h 埘b + h 罐 式中 3 2 c r ( m f h ) h 2 + 五 弘o m ： ( 2 - 1 5 ) 。2 鼍铲半匾+ 鼍铲碗亿 毛= 矗。+ 元= 兰等亓+ 等i + 等而+ 五( z 一，) 在交变电流的作用下，假定在薄膜内磁矩旋转磁化过程中l mj 保持不变，交 变磁场可写成h = oe “。如果交流电流的幅值足够小，则诱生的交变磁场远远 小于其他等效场。卅，小，川：分别是未在x 、y 、z 轴上的分量，与l 赢i 和瞄。l 相 比，m ，卅，m ：和h 相当小，而这些交流变量都正比于p 1 “，因此忽略三次小 项的乘积( 如m x h ) 。 由m a x w e l l 方程可得到 电子科技大学硕士论文 v 2 青一胁仃( 言+ 亩 = 一胛d 加云 由( 2 - 1 6 ) ，利用( 2 - 1 2 ) 可得到 一 呻斗 v 2 + i o 彻h = 一i z o o mr n g r a d d i v f n 因为m 4 、元正比于e i ( p z 一一，并且 ( - p z + 砜俐) z ：一i , u o c r c o m + + p 2 z 令p 0 = 撕i 面，则( 2 2 1 ) 可写成 ( p ；一p ：) 葛：一p ；而+ p 2 m = k 分别在x ，y ，z 三个坐标轴上展开，得到 以= 尚2 m ， ，： 唾。， p 一p ；。 h = 一卅 把( 2 1 4 ) 代入( 2 3 ) 式，得到 斗斗 m o x 日盯o = 0 以及与时间有关的项 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) r 2 2 0 ) r 2 - 2 1 ) f 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) l | ：幻 + 一 唧 恸赢警舭 耐 + m d 舻 加 沼 电子科技大学硕士论文 “i 去 7 斛j 如。 从而在三个坐标上展开得到 7 ( 2 9 i ( 一警耽= m 等一( 一警炉以也 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) r 2 2 7 ) 等慢+ 4 册q h # j o y m x 一6 0 丁c i _ m 百= 一鲁) 一( m a 。一m j ( 2 2 8 ) = m 如一m 如 利用( 2 2 3 ) ，( 2 2 6 ，2 7 ，2 8 ) ，从而得到 鲫， 一m ，+ ( 2 k u c o s _ _ _ _ _ 0 0j3,tr，-cos(a-ak)eosok u o m 。- t o m 。 m s c o s 0 ) m ：= 0 + 3 , t a c o s ( o - a d c o s a o + 皇翌! c o s 臼+ “o m 。 r 等州堡铲+ 塑铲+ a 脚y s i n 8 - 蛔叫m ：= 。 - ( 等+ 面2 k u ) c o s 0 - + - 堑筹燮+ 等+ 舢s 口磊pp ” 、r p a m ；jt t 口m ；“m 。 。 z 一；。 c 睾一者m 坷帆 r 弘bs 3 2 0 , s i n ( 2 0 k - 0 ) 。 h 越s半坤伽磊p ”= 。u 0 晓； 1 z p ；。yy ： ( 2 - 2 9 ) 要使方程组( 2 2 9 ) 有非零解，其系数行列式的绝对值必须等于零，令 1 2 _ h叶m | | m_ 崩_ m一斗m 赢可誉|y 电子科技大学硕士论文 爿：f 2 k u c o s 0 + 3 2 0 - rc o s ( 0 - 0 k ) c o s 0 4 + 3 4 0 - c o s ( o - 0 ) c o s 0 + ! 兰堕c o s 0 + m c o s 目) 、 口m ；“n ms m ；y b ：一l _ 3 2 0 - , c o s ( o - o k ) s i n 0 4 + 3 2 盯c o s ( o - 0 ) s i n o u + ! 竺竺s i n 0 一msin臼】s、 “水。m 。 y 。 则行列式的绝对值为 歹0 ) 2 埘睾一瓦2 k u ) s i n 0 + 等 爿c 睾+ 嵩m 细s ， 胁 04 3 2 0 - , c o s ( 2 0 k - 0 ) “o ms 3 4 0 - s i n ( 2 0 “ 。3 2 0 c o s ( 2 0 - o ) “o m ； ( 2 - 3 0 ) 整理上式，并利用p = 瓦面和风= 撕五蒜，得到 式中 驴麒1 + 第 c = t 华一面2 k u ，s i n 0 + ，等+ 一c c 等+ 羞灿小 r “朋 3 2 0 - s i n ( 2 眈 ( 2 - 3 1 ) 3 0 - , c o s ( 2 0 k - o ) 。3 2 盯c o s ( 2 0 u - o ) ”n m 。 o m ； ( 2 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 由( 2 3 2 ) 式可见，高频有效磁导率是外加应力的函数，通过施加并改变外 加应力会使铁磁材料的有效磁导率发生变化。 2 2 应力阻抗效应的计算 电子科技大学硕士论文 结合( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 和( 2 3 2 ) 式可以计算出磁弹性薄膜的阻抗。为了表 征应力对磁弹性薄膜阻抗的影响，定义应力阻抗效应大小为 盯= 留= 咤争 ( 2 - 3 4 ) 从高频磁导率的推导可知，影响薄膜有效磁导率的因素很多，例如单轴各 向异性方向、单轴各向异性大小、薄膜的厚度，外加磁场的大小、材料中的内 应力、交变电流的频率等等，因而这些因素均会对应力阻抗效应产生影响。本 论文讨论并分析了这些因素对薄膜应力阻抗效应的影响，计算中所用基本参数 为：交变电流频率= i o m h z ，电阻率p = 1 2 2 1 0 。6 q m ，阻尼系数口取为2 7 1 0 ，磁致伸缩系数 。= 2 7 1 0 。5 ，自旋回磁比y 取为2 2 1 0 5 ，残余应力6 ，取 为3 m p a ，薄膜直流电阻凡c = l q 。 1 薄膜厚度对应力阻抗效应的影响 厚度分别为1 、2 、5 、l o p m 的薄膜的阻抗随外应力的变化如图2 2 所示。 a u c 俺 口 e s t r e s s o ( m p a ) 图2 2 不同厚度下阻抗与外加应力的关系( o k = 1 5 。，0 。= 7 5 。，m = 4 1 0 6 a m 1 ) 4 电子科技大学硕士论文 从图2 2 中可以看出，不同薄膜厚度的应力阻抗效应显著不同。在图2 2 中薄膜的趋肤深度约为3 2 p m ，从而可见，当薄膜厚度小于趋肤深度时，应力阻 抗效应不明显，并且随着薄膜厚度降低，应力阻抗效应逐渐消失。而当薄膜厚 度大于趋肤深度时，会出现明显的应力阻抗。这是由于当薄膜厚度小于趋肤深 度时，由( 2 - l b ) 式，随着薄膜厚度的降低，则薄膜阻抗趋于薄膜的直流电阻 而不因趋肤深度的变化而变化。 因而，要获得较大的应力阻抗效应则薄膜厚度需大于趋肤深度，要做到这 一点有两种方法：一是增加薄膜的厚度；一是提高交流信号的频率。 2 残余应力对应力阻抗效应的影响 图2 3 是f e c o s i b 薄膜材料在不同方向存在残余张应力时其阻抗随外加应 力变化的曲线。 c = 百 u c 仃 刁 o e s l x e s s a ( m p a ) 图2 3 不同0 x 下阻抗与外加应力的关系( d = 3 p m ，0 。= 9 0 。，m = 4 1 0 6 a m - ) 电子科技大学硕士论文 从图2 3 可见，对于相同的残余张应力，其方向对应力阻抗效应的影响是 很明显的，当0 。越小时，即残余张应力与外加应力方向垂直时，可获得明显的应 力阻抗效应。 3 饱和磁化强度对应力阻抗效应的影响 图2 4 是在不同大小饱和磁化强度下，阻抗随外加应力变化的关系曲线。 c = o c c 嵋 口 o e 弧。删嘲 图2 4 不同饱和磁化强度时阻抗与外加应力的关系( d = 3 p m ，o f l 5 。，o o ：7 5 。) 从图中可以看到，当内应力是张应力时，应力阻抗效应随饱和磁化强度的 增大而增大。因此，提高薄膜的饱和磁化强度就可以获得较高的应力阻抗效应。 电子科技大学硕士论文 4 磁各向异性对应力阻抗效应的影响 图2 5 是在磁各向异性与外加应力方向的夹角0 。分别为3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、 1 5 0 度时，薄膜阻抗随外加应力变化的关系曲线。 c ： o o c 日 刁 m 包 e s 呐笛叮o 嘞 图2 5 磁各向异性对应力阻抗效应的影响( d = 3 “m ，0 t = 1 5 。，m = 4 1 0 “a m - 1 ) 从图2 5 中可以看出，随着0 。从3 0 度增加到1 5 0 度，应力阻抗效应呈现先 增大而降低的现象。当0 。为9 0 度，即磁各向异性方向垂直于外加应力方向时， 可获得最大的应力阻抗效应。因而要在磁弹性薄膜中获得高的应力阻抗效应， 则需要在垂直于外加应力方向形成磁各向异性。 2 3 小结 电子科技大学硕士论文 1 只有当薄膜厚度大于趋肤深度时，才会有明显的应力阻抗效应，通过增 加薄膜的厚度或提高频率可以有效增强应力阻抗效应。 2 当外加应力沿薄膜纵向时，沿薄膜横向的残余张应力有利于获得高的应 力阻抗效应。 3 薄膜应力阻抗效应随薄膜饱和磁化强度m 。的增加而增强。 4 薄膜易磁化方向与外加应力方向垂直时，可获得明显的应力阻抗效应。 电子科技大学硕士论文 第三章f e c o s i b 单层和f e c o s i b c u f e c o s i b 多层薄膜应力 阻抗性能研究 3 1 实验 3 1 1f e c o s i b 薄膜的制备 1 薄膜沉积设备与实验材料 薄膜沉积设备：d c 、r f 磁控溅射台 溅射靶材：f e ，c o b s i b 。，巾7 0 r a m x1 5 m m 基片材料：玻璃基片，2 0 m m x 5 m m x o 15 m m 2 制备过程： 实验工艺流程如下： 靶材的清洁：先用砂布将实验用的f e ，c o 。s i 。：b 。靶和靶表面磨擦光亮( 即擦 去氧化层和污染物) ，再用丙酮清洗。 基片清洗：将玻璃基片置于已配好的9 8 浓硫酸中加热至开始沸腾，煮5 分 钟后取出，用清水冲洗3 遍，如表面仍存有污垢可将其置于铬酸中，加热至沸 腾2 分钟后取出，把残留的铬酸冲洗掉，再将基片放入装有丙酮或者无水乙醇 的烧杯中，用超声波震荡器清洗3 遍，最后将基片放在装有蒸馏水的烧杯中放 置待用。放置时需用玻片将烧杯盖住以免污染。 装基片：将基片夹具用无水乙醇浸泡的纱布擦拭干净：镊子夹起清洗过的 基片，用高压氮气将其表面的残余液体吹干，此过程中应注意防止基片上留有 水渍或镊子的痕迹，检查基片表面干净后将光面朝上放置于基片夹具上，否则 需另选干净基片。 d c 磁控溅射镀膜：采用d c 磁控溅射法在玻璃基片上制备f e c o s i b 薄膜及 f e c o s i b c u f e c o s i b 多层膜。溅射时用尺寸为m 7 0 m 的f e ，。c o 。s i ，：b ，。合金和 9 9 9 9 的c u 作为靶材，背底真空度为4 1 0 p a ，溅射气压0 5 p a ，溅射功率为 9 电子科技大学硕士论文 在4 8 w 。f e c o s i b 薄膜厚度为2ui n ，多层膜中f e c o s i b 层的厚度为2un l ，c u 层 厚度为1 5um 。 3 1 2f e c o s i b 薄膜磁场热处理 从第二章对薄膜各向异性对应力阻抗效应影响的理论分析可知：为了获得 高的应力阻抗效应，需要在f e c o s i b 非晶薄膜中形成磁各向异性。一种方法是 在溅射薄膜时沿特定方向施加一外磁场，另一种方法是在磁场中做热处理，以 形成感生磁各向异性，本文采用后一种方法来形成磁各向异性。 热处理设备采用高温管式炉，可抽真空，温度可控。实验时，将薄膜样品 放入到两端置有永磁体的铜制夹具中进行热处理，夹具如图3 1 所示。永磁体选 用( b h ) 。，为1 5 m g o e ，最高使用温度为3 0 0 c 的s m c o 烧结磁体，长宽厚 为：2 0 m m 1 0 m m 5 m m 。 图3 1 磁场热处理夹具示意图 为防止热处理过程中薄膜表面发生氧化，将夹具放到石英管中抽成真空3 x i 0 一p a 。然后，开启加热控温电源，升温速率l o m i n ，升至热处理温度并保 温。最后，关闭加热电源并在真空状态下自然冷却至室温。 电子科技大学硕士论文 3 1 3 f e c o s i b