（微电子学与固体电子学专业论文）非晶磁弹性薄膜中应力对磁性能的影响研究.pdf

摘要 摘要 非晶磁弹性薄膜由于具有磁晶各向异性消失和高磁弹耦合系数的特点，从而 其磁结构及磁性能将受到应力诱导磁各向异性的显著影响，利用非晶磁弹性薄膜 的应力敏感特性，它可以应用在应力应变传感器、可调滤波器、磁存储等领域， 因此，非晶磁弹性薄膜中应力对磁性能的影响得到了人们的广泛关注。本论文以 f c c o s i b 非晶薄膜为研究对象，从理论和实验上系统研究了应力对非晶磁弹性薄膜 的静磁特性( 如磁畴结构、磁化过程) 以及动态磁特性( 如高频磁导率、高频阻 抗) 的影响及其机制。 采用直流磁控溅射方法制备了f e c o s i b 非晶磁弹性薄膜，系统研究了溅射气 压对f e c o s i b 薄膜的成分、表面形貌、磁畴结构以及磁性能的影响规律，结果表 明，随着溅射气压增加，f e c o s i b 薄膜表面粗糙度增加，条状磁畴结构的磁对比度 先增加后降低，f e c o s i b 薄膜的矫顽力逐渐增加，而剩磁逐渐降低。 在f e c o s i b 薄膜静态磁特性的研究方面，首先采用应力生长方法制备了受张 应力和压应力作用的f e c o s i b 薄膜样品，其磁畴分析结果表明，随着外加张应变 从o 增加到0 2 ，f e c o s i b 薄膜磁力显微镜图像的( i 洲s ) 舯值从1 2 3 降低到0 8 3 8 ， 表明磁对比度逐渐降低。同时，磁畴结构逐渐从无规则的条状畴转变为平行条状 畴结构，并且随着张应力从o 。1 5 增加到1 8 ，条状畴和应力之间的夹角从3 7 。 降低到2 0 。，表明条状畴的取向逐渐向张应力方向转动。当受到压应力作用时， 随着压应变从0 0 5 增加到0 1 5 ，f e c o s i b 薄膜磁力显微镜图像的( r m s k 值从 0 7 7 1 降低到0 6 9 3 ，表明磁对比度也逐渐降低。当压应变分别为o 0 5 、o 1 2 和 o 1 5 时，应力与条状畴之间的夹角分别为1 5 。、3 5 。和5 0 。，这表明平行条状 畴的取向逐渐转向与压应力垂直的方向。从微磁学的b r o w n 方程出发，建立了应 力作用下的条状畴模型，计算结果表明，随着张应力增加，铁磁薄膜中出现条状 畴的临界厚度逐渐增加，而临界磁畴宽度也逐渐增加。同时，条状畴的取向逐渐 向张应力方向转动。 其次，利用基于平均场的s t o n e r - w o h l f a r t h 模型，考虑非晶磁弹性薄膜的随机 各向异性和外加应力，建立了磁畴转动磁滞回线模型。模拟结果表明，在磁畴转 动的磁化机制中，与外磁场方向平行的张应力导致矫顽力增加，剩磁也略微增加， 而压应力导致矫顽力和剩磁都趋于零。同时，应力也显著影响非晶磁弹性薄膜的 摘要 表观磁致伸缩特性。基于j i l e s a t h e r r c o n 模型，考虑应力诱导的磁各向异性和应力 相关的钉扎系数，建立了各向异性的畴壁位移磁滞回线模型。理论计算表明，在 畴壁位移的磁化机制中，与外磁场方向平行的张应力导致矫顽力降低，剩磁增加， 而压应力导致矫顽力增加，剩磁降低。实验结果表明，在f e c o s i b 非晶磁性薄膜 中，张应力方向成为易磁化方向，随着张应变从0 增加到0 1 8 ，应力方向的剩 磁比从o 3 2 4 增加0 7 3 5 ，而垂直于应力方向的剩磁比从o 3 1 9 降低到0 “8 。在压 应力作用下，随着压应变从o 增加到0 1 9 ，应力方向的剩磁比从0 2 3 6 降低到 o 1 9 4 ，而垂直于应力方向的剩磁比从0 2 3 2 增加到0 6 0 6 。f e c o s i b 非晶磁性薄膜 的矫顽力随张应力的增加而降低，但随压应力的增加而先增加后降低。f e c o s i b 非晶磁性薄膜的矫顽力与薄膜的反磁化机制密切相关。利用应力诱导的磁各向异 性等效场可以计算出f e c o s i b 薄膜的磁致伸缩系数。 在f e c o s i b 薄膜动态磁特性的研究方面，从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， 并结合m a x w e l l 方程组，建立了应力对铁磁薄膜高频磁导率影响的微磁学模型， 研究了应力对有效磁导率的影响规律，计算了非晶磁弹性薄膜中的应力阻抗效应， 计算结果表明，外加张应力作用下，磁性薄膜内的等效各向异性发生变化，导致 了其磁导率和截止频率的变化。随着张应力增加，薄膜的有效磁导率先增加后降 低，当薄膜内包含应力在内的等效各向异性最小时，薄膜的有效磁导率达到最大。 只有当薄膜的厚度大于趋肤深度时，才会出现显著的应力阻抗效应。薄膜的应力 阻抗效应随着薄膜的饱和磁化强度增加而增加。具有横向磁各向异性的薄膜才会 获得明显的应力阻抗效应，而应力阻抗效应峰的位置则依赖于横向各向异性的大 小。实验结果表明，非晶f e c o s i b 薄膜的应力阻抗效应随薄膜厚度的增加而增加， 当f e c o s i b 薄膜厚度为2 p m 时，最大应力阻抗效应达到7 3 6 。随着测试频率的 提高应力阻抗效应也增加，而强的横向磁各向异性可以获得更高的应力阻抗效应。 1 0 0 0o e 偏置磁场下沉积的f e c o s i b 薄膜与6 5o e 偏置磁场下沉积的薄膜样品相 比，其最大应力阻抗效应提高了约8 9 1 。 关键词：非晶薄膜，应力，微磁学，磁弹性，磁性能 a b s t r a c t i na m o r p h o u sm a g n e t o e l a s t i cf i l m s ，d u e t oa b s e n c eo fm a g n e t o c r y s t a l l i n e a i l i s o 扛o p ya n dp r e s e n c eo fh i g hm a g n e t o e l a s t i c c o u p l i n g c o e f f i c i e n t ，t h e i rm a g n e t i c p r o p 嘶e sa n dm a g n e t i cd o m a i n s t r u c t u r e sa r el a r g e l yd e t e r m i n e db ya n i s o t r o p yi n d u c e d b ys t r e s s u s i n gi t ss t r e s ss e n s i t i v i t y ，t h ea m o r p h o u sm a g n e t o e l a s t i c f i l m sc a nb ea p p l i e d i nt h es t r e s s s t r a i ns e n s o r s ，a d j u s t a b l ef i l t e r r e a s o n s ，t h ei n f l u e n c e so ft h es t r e s s o nt h e a n dm a g n e t i cs t o r a g ef i e l d s f o rt h e s e m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h ea r f l o r p h o u s m a 鲫e t o e l a s t i cf i l m sa r ei n v e s t i g a t e dw i d e l y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，f o c u s i n go nt h e f e c o s i ba m o r p h o u sm a g n e t o e l a s t i cf i l m s ，t h e i n f l u e n c e so ft h es t r e s so ns t a t l c m a g n e t i cp r o p e r t i e s ( s u c h a sm a g n e t i cd o m a i ns t r u c t u r e s ，m a g n e t i z a t i o np r o c e s s e s ) a n d d v n a m i cm a g n e t i cp r o p e r t i e s ( s u c ha sp e r m e a b i l i t ya n di m p e d a n c ea th i g h 盘e q u e n c y ) o f t h em a g n e t o e l a s t i cf i l m sv v e r ei n v e s t i g a t e db o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e f i m e n t a l l y t h ef e c o s i ba m o r p h o u sf i l m sw e r ep 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 g t h e i n f l u e n c e so f 也es p u t t e r i n gp r e s s u r eo nt h ec o m p o s i t i o n , t h es u r f a c em o r p h o l o g i e s ，t h e m a g n e t i cd o m a i ns t r u c t u r e sa n dt h em a g n e t i cp r o p e r t i e s w e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p u t t e r i n gp r e s s u r e ，t h e s u r t h c e r o u p 岫e s so ft h ef e c o s i bf i l m si n c r e a s e d t h em a g n e t i cc o n t r a s to ft h es t r i p ed o m a i n i i l c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p u t t e r i n gp r e s s u r ea n dt h e nd e c r e a s e dw i t hf u r t h e r i n c r e a s eo ft h es p u t t e r i n gp r e s s u r e t h ec o e r c i v i t yo ft h ef i l m s i n c r e a s e dw h i l et h e r e m a 】 1 e n c ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p u t t e r i n gp r e s s u r e t os t u d yt h es t a t i cm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h es t r e s s e df e c o s i bf i l m s ，s t r e s s e d f e c o s i bf i l m sw e r ep r e p a r e db yam e t h o do fs t r a i ng r o w t hf i r s t l y m a g n e t i cf o r c e m i c r o s c o p y ( m f m ) r e s u l t ss h o w e dt h a tf o rt h et e n s i l e s t r e s s e df i l m s ，t h er o o tm e a n s q u a r ev a l u eo fp h a s es h i f t ( r m s ) 巾d e c r e a s e df r o m1 2 3 t oo 8 3 8w i t ht h ei n c r e a s eo f t h et e n s i l es t r a i nf r o m0t oo 2 ，w h i c hm e a n tt h a tt h em a g n e t i cc o n t r a s to f t h em f m i m a g e sd e c r e a s e d i tw a so b s e r v e dt h a tt h eu n s t r e s s e ds a m p l eh a di r r e g u l a rd o m a i n s w h i l et h es t r e s s e ds a m p l e ss h o w e ds t r i p ed o m a i n s w i t ht h ei n c r e a s eo f t h et e n s i l es t r a m 矗o mo 15 t oo 18 ，t h ea n g l eb e t w e e nt h es t r i p ed o m a i na n dt h es t r e s sd e c r e a s e d 矗o m3 7 。t o2 0 。，w h i c hm e a n tt h a tt h es t r i p ed o m a i no ft h es t r e s s e df i l m st e n d e dt oa l i g n i i i a b s t r a c t p a r a l l e lt ot h ed i r e c t i o no ft h es t r e s s i nc o n t r a s t ，t h em f m r e s u l t ss h o w e dt h a tf o rt h e c o m p r e s s i v e l ys t r e s s e df i l m s ，t h e ( r m s ) a , d e c r e a s e df r o m0 7 7 1t o0 6 9 3w i t ht h e i n c r e a s eo ft h ec o m p r e s s i v es t r a i nf r o m0 0 5 t o0 15 ，w h i c hm e a n tt h a tt h em a g n e t i c c o n t r a s to ft h em f m i m a g ei n c r e a s e dt o o w h e nt h ec o m p r e s s i v es t r a i nw e r eo 0 5 ， o 1 5 a n do 1 5 ，t h ea n g l eb e t w e e nt h es t r e s sa n dt h es t r i p ed o m a i nw e r e1 5 0 ，3 5 0a n d 5 0 。r e s p e c t i v e l y , w h i c hm e a n t t h a tt h es t r i p ed o m a i no ft h es t r e s s e df i l m st e n d e dt oa l i g n p e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no ft h es t r e s s b a s e do nt h eb r o w n se q u a t i o n ，as t r e s s d e p e n d e n ts t r i p ed o m a i nm o d e lw a sp r o p o s e dt oi n t e r p r e tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o m p u t a t i o n sb a s e do nt h i sm o d e ls h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h et e n s i l es t r e s s ， t h ec r i t i c a lf i l mt h i c k n e s s i n c r e a s e dw h i l et h ec r i t i c a lm a g n e t i cd o m a i nw i d t hi n c r e a s e d t o o t h em a g n e t i cd o m a i no r i e n t a t i o n sr o t a t e dt o w a r d st h ed i r e c t i o no ft h et e n s i l es t r e s s s e c o n d l y , b a s e do nt h em e a nf i e l ds t o n e r - w o h l f a r t hh y s t e r e s i sm o d e lam a g n e t i c d o m a i nr o t a t i o nh y s t e r e s i sm o d e lh a db e e ne s t a b l i s h e dw h e nt a k i n gt h er a n d o m a n i s o t r o p yi nt h ea m o r p h o u sm a g n e t o e l a s t i cf i l m sa n dt h ea p p l i e ds t r e s si n t oa c c o u n t t h es i m u l a t i o ns h o w e dt h a ti nt h em a g n e t i cd o m a i nr o t a t i o nm a g n e t i z a t i o np r o c e s s e s t h et e n s i l es t r e s sa l o n gt h ed i r e c t i o no ft h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l dr e s u l t e di nt h e i n c r e a s eo fb o t ht h ec o e r c i v i t ya n dr e m a n e n c e ，w h i l et h ec o m p r e s s i v es t r e s sr e s u l t e di n b o t ht h e c o e r c i v i t y a n dt h er e m a n e n c ea p p r o a c h i n gz e r o a l s o ，t h eo b s e r v e d m a g n e t o s t r i c t i o nw a sd e p e n d e n to nt h ea p p l i e ds t r e s s b a s e do nt h ej i l e s a t h e r t o n m o d e l ，c o n s i d e r i n gt h es t r e s s - i n d u c e da n i s o t r o p ya n dt h e s t r e s sd e p e n d e n tp i n n i n g c o e f f i c i e n t ，a na n i s o t r o p i cd o m a i nw a l lm o t i o nh y s t e r e s i sm o d e lw a sd e v e l o p e d t h e c o m p u t a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t i nt h em a g n e t i cd o m a i nw a l lm o t i o nm a g n e t i z a t i o n p r o c e s s e s ，t h et e n s i l es t r e s sa l o n g t h ed i r e c t i o no ft h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l dr e s u l t e di n ad e c r e a s eo ft h ec o e r c i v i t y , b u tt h er e m a n e n c ei n c r e a s e d w h e nt h ec o m p r e s s i v es t r e s s h a db e e na p p l i e d ，t h ec o e r c i v i t yi n c r e a s e dw h i l et h er e m a n e n c ed e c r e a s e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t i nt h ef e c o s i ba m o r p h o u sf i l m s ，a n i s o t r o p yw a s i n d u c e da l o n gt h es t r e s sd i r e c t i o nw h e nt e n s i l es t r e s sw a sa p p l i e d w h e nt h et e n s i l e s t r a i ni n c r e a s e df r o m0t o0 18 ，t h er e m a n e n c er a t i oa l o n gt h ed i r e c t i o no ft h es t r e s s i n c r e a s e df r o mo 3 2 4t o0 7 35 ，w h i l et h er e m a n e n c er a t i op e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o n o ft h es t r e s sd e c r e a s e df r o m0 319t o0 118 h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e c o m p r e s s i v es t r a i nf r o m0t o0 19 ，t h er e m a n e n c er a t i oa l o n gt h ed i r e c t i o no ft h e s t r e s sd e c r e a s e df r o m0 2 3 6t o0 19 4 ，w h i l et h er e m a n e n c er a t i op e r p e n d i c u l a rt ot h e a b s t r a c t d i r e c t i o no ft h es t r e s si n c r e a s e df r o m0 2 3 2t o0 6 0 6 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et e n s i l e s t r e s s ，t h ec o e r c i v i t yo ft h ef e c o s i bf i l m si n c r e a s e d b u tt h ec o e r c i v i t yo ft h ef e c o s i b f i l m si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o m p r e s s i v es t r e s sa n dt h e nd e c r e a s e dw i t h t h ef u r t h e ri n c r e a s i n go ft h ec o m p r e s s i v es t r e s s t h ec o e r c i v i t yo ft h ef e c o s i bf i l m s w a sl a r g e l yd e p e n d e n to nt h er e v e r s a lm a g n e t i z a t i o np r o c e s s e so ft h ef i l m s t h e m a g n e t o s t r i c t i o nc o e f f i c i e n th a db e e nd e d u c e df r o mt h e s t r e s si n d u c e dm a g n e t i c a n i s o t r o p i cf i e l d t os t u d yt h ed y n a m i cm a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h es t r e s s e df e c o s i bf i l m s ，as t r e s s d e p e n d e n th i 曲f r e q u e n c yp e r m e a b i l i t ym o d e lw a sd e v e l o p e df o rf e r r o m a g n e t i cf i l m s b 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 t ( l l g ) e q u a t i o na n dt h em a x w e l le q u a t i o n s t h e i n f l u e n c e so ft h es t r e s so nt h ee f f e c t i v ep e r m e a b i l i t ya n dt h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c th a d b e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee f f e c t i v ea n i s o t r o p yv a r i e d 、析t l lt h ea p p l i e d s t r e s s ，w h i c hr e s u l t e di nav a r i a t i o no ft h ep e r m e a b i l i t ya n dc u t - o f ff r e q u e n c y 。w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h et e n s i l es t r e s s ，t h ee f f e c t i v ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d 、 ，i t i lt h ef u r t h e ri n c r e a s i n go ft h et e n s i l es t r e s s n l ee f f e c t i v ep e r m e a b i l i t yr e a c h e dt h e m a x i m u mw h e nt h ee f f e c t i v ea n i s o t r o p yi sa tt h em i n i m u m r e m a r k a b l es t r e s s i m p e d a n c ee f f e c tc o u l db eo b s e r v e di nt h ef i l m sw i t ht h i c k n e s sg r e a t e rt h a nt h es k i n d e p t h a n dt h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n at r a n s v e r s ea n i s o t r o p yc o u l di m p r o v et h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c tw h i l e t h em a g n i t u d eo ft h ea n i s o t r o p yo n l ys h i f t e dt h ei m p e d a n c ep e a k 乃ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r e s s i m p e d a n c ee f f e c t i nt h ef e c o s i ba m o r p h o u sf i l m s i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so ft h ef i l m s i nf e c o s i bf i l m sw i t h t h i c k n e s so f2p m ，t h em a x i m u ms t r e s si m p e d a n c ee f f e c tu pt o7 3 6 c a nb ea c h i e v e d w h e nt h ew o r k i n gf r e q u e n c yi n c r e a s e d ，t h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c ti n c r e a s e d ah i g h e r s t r e s si m p e d a n c ee f f e c tw a so b t a i n e di nt h ef e c o s i bf i l m s 、析t 1 1s t r o n g e rt r a n s v e r s e a n i s o t r o p y c o m p a r e dw i t ht h ef e c o s i bf i l m sd e p o s i t e du n d e rab i a sm a g n e t i cf i e l do f 6 5o e t h es t r e s si m p e d a n c ee f f e c to f 也ef e c o s i bf i l m sd e p o s i t e du n d e rt h eb i a s m a g n e t i cf i e l do f10 0 0o ew a si m p r o v e da b o u t8 9 1 k e y w o r d s ：a m o r p h o u sf i l m s ，s t r e s s ，m i c r o m a g n e t i c s ，m a g n e t o e l a s t i c ，m a g n e t i c p r o p e r t i e s v 独创。陆声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 1 ) f 歹i ：i ： 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1 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吵j 确的说明并表示谢意。 签名：壑邋日期：如3 年髫月a 厂f 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e l j 或 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 伞立妙 签名：勃五戈导师签名：考吾夺 目期：拿年曙尸z 布 第一章绪论 1 1 研究意义与研究目的 第一章绪论 众所周知，铁磁材料的磁特性与受到的应力( 内应力和外应力) 密切相关。 在外磁场作用下，由于磁弹性耦合作用，铁磁材料将产生应变导致铁磁材料发生 形变，称为磁致伸缩效应；相反，当铁磁材料受到外应力( 张应力或压应力) 时， 其磁结构乃至在外磁场下的磁化与反磁化行为发生改变，称为逆磁致伸缩效应。 对于通常的铁磁材料而言，其磁晶各向异性能远大于磁弹耦合能，此时相对较小 的应力对其磁特性的影响作用并不十分显著。然而，对于非晶磁弹性材料来说， 由于具有长程无序、磁晶各向异性消失和高磁弹耦合系数的特点，此时应力对非 晶磁弹性材料的磁结构及反磁化过程将起到显著的影响作用【h 】。因而不管从基础 科学问题的角度还是从实际应用的角度来看，非晶磁弹性材料中的应力问题都引 起了人们的极大兴趣。 上述情况，在非晶磁弹性薄膜材料中同样存在，因此，人们可以根据应用的 需求，人为地消除或利用这种影响，改善和提高相关非晶磁弹性薄膜器件的性能， 研制出受应力调控的新型薄膜器件。如在磁记录的磁头中，若铁磁薄膜沉积过程 中形成了一定的内应力时，这时应力的分布将产生不希望的各向异性，从而在器 件使用过程中产生噪音，这时将尽力避免和消除这种内应力i 以提高磁头的信噪 必4 。在利用应力方面，可利用应力产生的单轴各向异性，在铁磁薄膜制备时通过 先对基片外加预应力来形成特定方向的各向异性1 5 。7 】：同样，可利用非晶磁弹性薄 膜材料应力对磁导率的显著影响，而材料阻抗与磁导率密切相关的原理，将非晶 磁弹性薄膜材料应用于应力应变薄膜传感器，事实上目前报道的基于应力阻抗效 应的应力应变薄膜传感器由于其具有很高的优值而可望替代通常的半导体应变传 感器博j 。利用应力对非晶磁弹性薄膜材料磁化状态的影响，目前出现了无外磁场而 单纯利用外加应力来驱动非晶磁弹性薄膜材料磁化反转的思想【9 - 1 2 】，将这一应力驱 动磁化过程的思想应用于磁性随机存储器( m r a m ) 中，将有可能实现无磁场记 录过程，这对于m r a m 的发展具有显著的意义，因为目前m r a m 中存储单元磁 化反转依赖于外加局域磁场，而局域磁场对相邻单元的干扰限制了m r a m 高密度 的发展，因而若能实现无磁场驱动m r a m 存储位的磁化反转，则无疑对m r a m 电子科技大学博士学位论文 的发展具有重要的意义。 随着现代科学研究的不断深入，利用应力来实现对非晶磁弹性薄膜材料磁特 性的调控正逐渐被应用到各个领域，应力在非晶磁弹性薄膜材料的制备及应用中 的作用也日益突出。因此，若能从物理机制上理解应力对非晶磁弹性薄膜材料磁 特性、磁化与反磁化过程的作用，对于合理有效地选择非晶磁弹性薄膜材料，甚 至充分利用应力来人工剪裁磁性多层膜或磁性梯度功能薄膜材料，无疑具有十分 重要的意义。因而研究非晶磁弹性薄膜材料的应力相关效应，从基础科学的角度 和应用研究的角度来看都具有重要的意义。 本论文正是针对非晶磁弹性薄膜材料的应力一磁敏感特性，通过微磁学理论 建模和设计相关验证性实验相结合的方法，建立应力作用下非晶磁弹性薄膜磁特 性的微磁学唯象模型；在实验中选择f e c o s i b 非晶磁弹性薄膜为研究对象，研究 非晶磁弹性薄膜应力的相关效应并与理论计算相验证，解释非晶磁弹性薄膜中应 力相关效应的物理机制，理解应力在非晶磁弹性薄膜中的作用，为应力调控非晶 磁弹性薄膜磁特性提供理论依据和实验参考，以支持相关器件的研制。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 应力对铁磁薄膜磁性能影响的理论研究 为了从理论上研究铁磁薄膜中应力对磁特性影响的作用机制，国内外研究者 主要从建立解析微磁学模型和采用数值微磁学计算两方面开展了研究。 p a v o l t a i r a s 等人副在考虑纯弹性能、磁弹性耦合能的基础上，利用解析微 磁学的方法研究了很小应力应变对单晶铁磁薄膜的磁结构的影响。由于磁弹耦合 问题的复杂性，他们假定薄膜面内应变均匀分布，外加磁场只施加在垂直或平行 于应力方向的一维情形，得到了矫顽力和剩磁与应力的关系式，研究结果表明应 力可极大地影响h c 和b r ，并与材料磁弹耦合系数、弹性常数密切相关。他们还详 细研究了应力对成核和非均匀反转的影响规律【1 4 】，进一步，他们还将他们的模型 扩展到研究剪切应变对铁磁薄膜磁性能的影响1 1 5 】。 l c a l l e g a r o 等人l j6 j 针对应力对n i 铁磁薄膜矫顽力的影响，建立了磁畴转动的 磁滞回线模型，研究了在磁畴转动的磁化机制中应力对n i 铁磁薄膜磁滞回线以及 磁特性的影响规律。为了研究应力对畴壁位移磁化机制的影响，在j i l e s a t h e r t o n 模型【1 7 】的基础上，p g a r i k e p a t i 18 1 、m j s a b l i k t l 9 2 、d c j i l e s 【2 2 - 2 3 】等人将应力作 第一章绪论 用纳入到总的等效场中，井对畴壁钉扎系数进行修正口”，研究了应力对铁磁薄膜 磁特性如磁滞回线、矫顽力、磁化率等的影响规律，研究结果表明，对于正磁致 伸缩系数的铁磁材料，当施加张应力时，矫顽力下降。 p z o u 等人1 4 1 采用微磁学的方法，研究了应力、晶体织构和具有条状磁畴结构 或r i p p l e 磁踌结构的软磁薄膜磁性能的关系，其研究结果表明，应力和软磁薄膜磁 性能之阃的关系依赖于薄膜的成分、织构、晶粒尺寸、薄膜厚度等因素，他们采 用等效垂直各向异性的方法，还得到了条状畴的l 临界厚度与应力的关系。a b r a u n b ”针对由于晶格不匹配受到应力的磁性金属薄膜，将磁弹各向异性和形状各 向异性纳入到总的磁各向异性能中，利用磁各向异性能最小化方法建立了一个碰 矩重取向临界厚度的数学模型。 在数值微磁学计算方面，bz h u 等人 2 6 性忽略铁磁薄膜的弹性能而考虑磁弹 耦舍能量的情况下，利用数值微磁学方法从理论上计算了n i 单晶铁碰薄膜中应力 作用f 薄膜的反磁化过程，发现矫顽力h c 随压应力的增加而增加，剩磁b r 随张应 力的增加而降低，他们认为这是由于应力引起的不可逆磁畴转动磁化过程所致。 ycs h u 等人 2 7 1 建立了考虑应力作用和磁致伸缩的微磁学框架，在他们的模 型中不仅考虑了磁致伸缩应变，还纳入了弹性应变，研究了应力对磁致伸缩特 性的影响规律，其结果表明他们的模型可以精确地计算应力作用下铁磁薄膜单元 的磁畴模式和磁滞同线。 rl h u 等人”也建立了应力作用下的数值微磁学模型，他们不仅研究了应力 作用下铁磁薄膜单元的磁化反转行为，还研究了应力作用下铁磁薄膜的动态磁滞 回线其研究结果表明，应力作用下铁磁薄膜的易磁化轴发生变化，从而导致碰 特性发生变化，他们还进一步研究丁铁磁薄膜单元中应力作用下条状磁畴结构的 演蛮过挥f ”i 。 ( a ) 无应力情形 ( b ) 纵向压戍力 ( c ) 横向张戊力 削ii 应力作h j f 的磁畴结构i 埘 dz b a i 等人将磁弹性能纳入到徽磁学模型中，研究了存不同大小的面内 嘲 鲡一缈 一鳓一 一k 畦芝一 司匿 电子科技大学博士学位论文 张应力和压应力作用下铁磁薄膜单元的磁畴结构，如图1 1 所示。 就目前理论研究而言，主要集中在研究应力对矫顽力以及磁滞回线的影响， 但是对于非晶态薄膜，相关研究则较少。同时，应力对铁磁薄膜中条状畴的影响， 应力对铁磁薄膜高频磁特性的影响等方面的研究则少见报导。 1 2 2 应力对铁磁薄膜磁性能影响的实验研究 由于非晶磁弹性薄膜材料具有显著的应力敏感特性，近年来，国内外在应力 作用下铁磁薄膜的矫顽力、剩磁、磁畴等磁特性方面开展了大量的实验研究。 d g a r c i a t n 孤j 等人采用应力生长技术，研究了应力对c o f e b 薄膜磁畴结构的 影响。他们发现对于具有负磁致伸缩系数的c o f e b 材料，压应力使得薄膜的各向 异性方向平行于应力方向，样品呈现出平行的条状结构畴，且畴壁取向沿外加压 应力方向，与磁场退火相比，应力生长方法更容易获得强的磁各向异性。他们【3 2 1 还采用应力生长方法制备了正磁致伸缩系数的f e b 薄膜，负磁致伸缩系数的c o s i b 薄膜，以及f e b c o s i b 双层膜，研究了应力对磁畴结构、磁滞回线以及应力诱导 的磁各向异性的影响规律。他们发现应力可以诱导较强的各向异性，在张应力作 用下，具有正的磁致伸缩系数的f e b 薄膜，磁矩取向趋于沿应力方向，而具有负