稀土Gd掺杂FeCo薄膜的结构和磁性

【摘要】随着电子设备的高速发展,电磁器件向小型化、高频化方向的发展已成必然,所以进一步提高磁性器件工作频率的需求非常迫切。因此,为了更好的使用软磁材料,具有良好的高频性能是必不可少的,具体来说,高的饱和磁化强度(Ms)、高的磁导率μ、高的电阻率ρ和较大的磁各向异性场HK,以使得该材料具有较高的共振频率,都是良好性能的体现。已有的研究发现,铁钴基软磁薄膜具有高的饱和磁化强度,并且在宽频带范围,也有高的磁导率,因此,铁钴基软磁薄膜材料一直是一个研究热点。而掺杂稀土元素可以很好地提高该软磁薄膜的磁导率,并且共振频率得到明显提升,从整体上提高了材料的高频软磁特性。本文使用直流磁控溅射的方法,通过改变不同的制备工艺参数,在玻璃衬底上制备了一系列Cu/FeCoGd/Ta薄膜；利用X射线衍射仪(XRD)对样品微结构进行分析；使用能量散射X射线光谱仪(EDS)获得样品成分；借助原子力显微镜(AFM)测量了样品的表面形貌,使用磁力显微镜(MFM)测量了样品的微区磁畴结构；振动样品磁强计(VSM)获取样品在不同温度下的宏观磁性；而利用短路微带线法对样品的高频特性以及高频磁导率进行了分析。从而最终得出了以下结论：(1)对于相同磁性层厚度的Cu/FeCoGd/Ta薄膜,较小的溅射功率有利于生成细小的晶粒,感应出更强的面内单轴磁各向异性；随着溅射功率的增大,样品中的FeCo晶粒尺寸不断增大,Gd含量不断减小,这表明,Gd元素的掺杂可以细化FeCo的晶粒。VSM的测试结果表明,随着溅射功率的增加,FeCoGd薄膜的面内磁各向异性场不断减小,矫顽力不断增大,样品的面内单轴磁各向异性逐渐变差,并最终转变为垂直磁各向异性。并且,FeCoGd薄膜的磁性不仅与其晶粒尺寸有关,而且与样品中的Gd含量有关,当Gd含量非常接近FeCoGd薄膜的磁化补偿点时,该样品具有非常小的饱和磁化强度。(2)通过对具有面内单轴各向异性的典型FeCoGd薄膜样品的磁化反转机制的研究得知,若外加磁场在易轴附近,其磁化反转机制为畴壁成核或者畴壁钉扎,而若外加磁场在难轴附近时,其磁化反转机制为一致转动。(3)由可知,如果一种材料具有高的饱和磁化强度以及较大的各向异性场,则该材料可以获得很好的高频性能,对于该薄膜,样品具有较大的面内各向异性场和高的饱和磁化强度,样品共振频率也较大,因此,在高频器件得以使用。(4)不同溅射功率的Cu/FeCoGd/Ta薄膜样品,具有不同的低温磁特性,在本实验中,只有溅射功率为10W的FeCoGd薄膜样品出现了低温自旋重取向现象,这与样品成分有关,由于该样品的Gd含量接近磁补偿点,它的饱和磁化强度非常小,所对应的垂直于膜面的退磁场也最小,随着温度的降低,饱和磁化强度不断减小,退磁场也不断减小,所以该样品在实验温度下会出现自旋重取向转变。(5)薄膜厚度对其磁性有很大的影响。随着厚度的增大,矫顽力逐渐增大,样品的软磁性能变差,当薄膜的厚度t大于一个临界厚度tc时,薄膜样品就会出现从面内单轴各向异性向弱的垂直各向异性的自旋重取向转变,我们认为垂直各向异性产生是由于垂直于膜面的柱状结构形成的形状各向异性而导致的。反之,若样品厚度低于临界厚度时,即可获得具有良好面内单轴各向异性的软磁性材料。
【作者】安玉蓉；
【导师】席力；
【作者基本信息】兰州大学，材料学，2014，硕士
【关键词】FeCo；薄膜晶体；Gd；薄膜样品；溅射功率；饱和磁化强度；软磁；各向异性场；单轴磁各向异性；单轴各向异性；

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