一种准各向同性微波铁磁多层薄膜及其制备方法

摘要

本发明属于微波铁磁材料制备技术领域，涉及一种准各向同性微波铁磁多层薄膜及其制备方法，先制备单轴磁各向异性单元薄膜，再对单轴磁各向异性单元薄膜进行堆叠操作，利用磁性单元薄膜之间的层间耦合作用，当结构单元膜的性能一致，厚度适当时，薄膜之间的光学振动模得到有效抑制，声学模之间的作用结果使堆叠多层膜呈现出易轴可旋转性，进而表现出准各向同；其制备方法简单，电感线圈的形状不受限制，制备的薄膜为准各向同性的，无论电感线圈的形状如何均能实现100%难轴激发，为电感的设计提供极大的设计自由度，可有效扩增磁性材料的体积比，得到大比磁导率的薄膜材料。

主权项

一种准各向同性微波铁磁多层薄膜，其结构为[(UMAL)_α/(NMS)_β]_n，其中UMAL代表单轴磁各向异性单元薄膜，NMS代表非磁性隔离层，α和β表示膜厚，n表示层数；UMAL又细分为M_xD_y，M为成分均匀分布的铁磁母材料靶溅射产物，D为成分梯度分布的掺杂元素靶溅射产物；x和y分别代表M和D二者的原子分数，铁磁母材料靶M为Fe_uCo_v铁钴基合金材料，其原子百分比分别所处的含量范围是u＝10‑70at.％,u+v＝100at.％；掺杂元素靶D是B、C、N、O小原子，或是Al₂O₃、MgO、ZrO₂、ZnO、HfO₂、SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、V₂O₅、Nd₂O₃或Cr₂O₃氧化物，或是Hf、Zr、Al、Nb、Ta、Ru、V、Mo、W或Cr金属元素，M和D的原子百分含量分别为x＝80～98at.％,y＝2～20at.％；隔离层NMS为金属Ru、Ta或Hf，或是氧化物Al₂O₃、MgO、SiO₂，膜厚α和β根据UMAL和NMS材质以及具体的应用条件确定，总层数n≥3；其特征在于制备时，先在常规的真空磁控溅射装置中制备单轴磁各向异性单元薄膜，铁磁母材料靶M和掺杂元素靶D的连线过圆形转盘的中心，将铁磁母材料靶M和掺杂元素靶D的连线方向定义为L方向，衬底贴于圆形转盘边缘处能自转的小样品托内，以直径为5.08cm表面氧化生成一层SiO₂的单晶Si 100基片为衬底，并在衬底上标记好L方向，衬底正对铁磁母材料靶M中心，使来自铁磁母材料靶M的元素均匀分布在衬底上；掺杂元素靶D的靶位中心向外偏离衬底中心8cm，调整掺杂元素靶D倾角，使掺杂元素靶D中心轴对准衬底的外侧，使来自掺杂元素靶D的元素浓度在衬底上沿L方向从中心到边缘逐渐增加；在真空磁控溅射装置的真空腔的真空压力低于5.0×10^－6Torr后，通入Ar气，流量为20sccm，溅射工作气体压力为2.8mTorr，在上述结构布局和溅射条件下，采用常规的磁控溅射的共溅射方法，得到组成为M_xD_y的单轴磁各向异性单元薄膜；然后再进行堆叠操作，具体堆叠操作过程如下：(1)、先使圆形转盘不转，使铁磁母材料靶M和掺杂元素靶D共溅射，其溅射功率和溅射时间根据靶材和实际应用要求的薄膜厚度确定，共溅射获得第一层为M_xD_y单轴磁各向异性单元薄膜，其难磁化轴沿着L方向，难磁化轴指沿不同方向测量的磁滞回线中磁各向异性场最大的方向；(2)、在步骤(1)得到的第一层M_xD_y单轴磁各向异性单元薄膜上溅射厚度为t的NMS层作为隔离层，厚度t根据M_xD_y材质、NMS材质和实际应用厚度确定，(3)、再使圆形转盘不动，衬底的自转轴逆时针转动角度180°/n，n为单轴磁各向异性单元薄膜的层数，使得衬底绕其中心转动180°/n；然后重复步骤(1)，获得第二层M_xD_y单轴磁各向异性单元薄膜，其难磁化轴沿着L连线方向，与第一层M_xD_y单轴磁各向异性单元薄膜相比，其易磁化轴或难磁化轴方向沿顺时针方向转动180°/n，易磁化轴即磁各向异性场最小的方向；(4)、重复步骤(2)和(3)获得第三层M_xD_y单轴磁各向异性单元薄膜；更多层的制备方法以此类推，直到做完第n层；(5)、在第n层上覆盖一层非磁性隔离层NMS作为保护层，获得结构为[(M_xD_y)_α/(NMS)_β]_n的准各向同性n层膜，制成准各向同性微波铁磁多层薄膜。