Co-A1-O磁性納米顆粒膜微波磁性研究

舒暢，鄧聯(lián)文, ，楊兵初，熊健，左舜貴，梁麗杰

(1. 中南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2．中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展和電子元器件的微型化趨勢(shì)對(duì)高頻磁性材料性能要求越來越高[1-2]。另一方面，電訊技術(shù)的發(fā)展也引發(fā)電磁干擾和電磁污染日趨嚴(yán)重，對(duì)能吸收衰減電磁波能量的吸波材料提出了迫切需求。FeCo類磁性納米顆粒膜在幾GHz頻段具有較高磁導(dǎo)率，并可以在一定頻段具有較高磁損耗，可以應(yīng)用于高頻微磁器件或抗電磁干擾設(shè)計(jì)中。通過控制顆粒膜中金屬含量、顆粒粒度、顆粒間距等結(jié)構(gòu)參量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其電磁性能的剪裁調(diào)控[3]。磁性納米顆粒膜的微結(jié)構(gòu)對(duì)其磁導(dǎo)率影響較大，納米薄膜材料特有的微結(jié)構(gòu)使對(duì)磁導(dǎo)率的理論計(jì)算模擬成為可能。控制磁性納米顆粒膜的電磁參數(shù)對(duì)提高薄膜性能非常關(guān)鍵，通過理論計(jì)算微波磁導(dǎo)率可以指導(dǎo)薄膜材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，從而提高實(shí)驗(yàn)效率[4-6]。在此，本文作者在實(shí)驗(yàn)研究 Co-A1-O磁性納米顆粒膜微波磁譜基礎(chǔ)上，結(jié)合Landau-Lifshitz-Gilbert理論和Bruggeman 有效媒質(zhì)理論，計(jì)算模擬該類納米顆粒膜的有效磁導(dǎo)率，計(jì)算分析飽和磁化強(qiáng)度、各向異性場(chǎng)、阻尼系數(shù)和磁性相體積分?jǐn)?shù)對(duì)磁性納米顆粒膜磁導(dǎo)率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

使用JZCK-450SF型磁控濺射鍍膜設(shè)備，采用雙靶濺射技術(shù)制備Co-A1-O磁性納米顆粒膜。Ar和O2分別作為濺射氣體和工作氣體, Ar和 O2流量分別為1×10-6和0.167×10-6m3/s，基片旋轉(zhuǎn)速度為30 r/min。靶基距為10 cm，沉積時(shí)間為1 h，工作氣壓為1 Pa。靶材是純度為99.99%的Co和Al靶，Al靶的濺射功率固定為30 W，Co靶的濺射功率分別為10，20，30和40 W，濺射時(shí)間為60 min。采用Alpha-StepIQ臺(tái)階儀測(cè)量薄膜樣品厚度，使用原子力顯微鏡(AFM)觀測(cè)薄膜形貌，采用微帶線法在AV3629矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)中測(cè)試薄膜試樣微波復(fù)磁導(dǎo)率的頻譜特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

圖 1所示為不同 Co濺射功率條件下制備的Co-Al-O薄膜的表面形貌。樣品的表面粗糙度依次為2.035，2.582，2.484和2.096 nm。根據(jù)濺射時(shí)間和臺(tái)階儀測(cè)得厚度，計(jì)算得濺射率依次為1.52，2.03，2.42和2.63 nm/min。制備薄膜試樣A和B使用的Co靶濺射功率較小，納米顆粒膜中的顆粒粒度較均勻；制備薄膜試樣C和D使用的Co靶濺射功率較大，顆粒膜的磁性顆粒粒度很不均勻，且大顆粒間有搭接現(xiàn)象，也有磁性小顆粒嵌入介質(zhì)相中，相分布不太均勻，可能是濺射功率增大、粒子動(dòng)能增加，使原子在基底表面的移動(dòng)速率增加，導(dǎo)致顆粒生長(zhǎng)速率增大，加速了粒子接合；另一方面，部分能量高的粒子會(huì)在撞擊點(diǎn)位上產(chǎn)生缺陷，使這些點(diǎn)位的結(jié)合能比鄰近位高，成為優(yōu)先成核的點(diǎn)位。薄膜邊界的結(jié)構(gòu)不均勻可能來源于壓力/張力、重構(gòu)、位錯(cuò)等內(nèi)在因素及非理想配比、擴(kuò)散等外在因素[7]，這種結(jié)構(gòu)的差異會(huì)引起自旋無序狀態(tài)存在，對(duì)薄膜自旋極化輸運(yùn)和磁性能產(chǎn)生較大影響，從而影響其微波磁導(dǎo)率。

2.2 微波磁導(dǎo)率

不同Co靶濺射功率制備的Co-Al-O磁性納米顆粒膜試樣0.5～5.0 GHz的微波磁譜如圖2所示。從圖2可見：制備的Co-Al-O磁性納米顆粒膜試樣在0.5～5.0 GHz呈現(xiàn)明顯的共振型磁譜。由于包覆在Co磁性顆粒周圍的 Al2O3介質(zhì)相很薄，網(wǎng)狀分布的介質(zhì)相產(chǎn)生很多釘扎位點(diǎn)，在薄膜生長(zhǎng)過程中可有效抑制磁性金屬顆粒長(zhǎng)大，使磁性合金顆粒均勻細(xì)化，使得磁性顆粒間交換相互作用增強(qiáng)，有利于獲得高微波磁導(dǎo)率[8]。表1所示為從上述薄膜試樣磁譜獲得的磁參數(shù)值，可見：薄膜試樣 D的共振頻率最低，但其共振線寬 Δf最大；薄膜試樣C的共振頻率比薄膜試樣B的有所提高；隨濺射功率增加，薄膜試樣的共振線寬Δf增加；薄膜試樣B同頻率點(diǎn)的μ″比薄膜試樣A的μ″有較大提高。

圖1 不同Co靶濺射功率制備的試樣的原子力顯微形貌照片F(xiàn)ig.1 AFM images of Co-Al-O films sputtered with different Co powers

圖2 不同Co靶濺射功率制備的薄膜試樣的微波磁譜Fig.2 Complex permeability spectra of Co-Al-O films prepared by different Co power

表1 薄膜試樣的磁參量Table 1 Magnetic parameters of samples

根據(jù) Snoek 定律[9]fr=(γ/2π)·(4πMsHk)1/2，磁性材料的共振頻率主要與飽和磁化強(qiáng)度和各向異性場(chǎng)相關(guān)，隨二者乘積增大而增大。薄膜試樣D的各向異性場(chǎng)最低，是導(dǎo)致其共振頻率下降的主要原因。由原子力顯微(AFM)觀測(cè)分析知：薄膜試樣D的顆粒粒度和形狀不均勻性明顯，可能出現(xiàn)磁疇結(jié)構(gòu)改變和疇壁數(shù)量增加，造成薄膜的各向異性場(chǎng) Hk減??；此外，隨著Co靶濺射功率增加，彌散分布于 Al2O3非晶相中的 Co顆粒的晶向趨于無規(guī)取向，近鄰晶粒的易磁化方向的夾角大，晶粒間交換相互作用也可能減少體系的有效各向異性。薄膜試樣C的共振頻率比薄膜試樣B的高，可能與其具有較高的Ms有關(guān)。

共振線寬Δf逐漸增加的原因可能是隨Co含量增加，即磁性金屬體積分?jǐn)?shù)增大，顆粒間因金屬顆粒電導(dǎo)引起的渦流損耗和因分布電容效應(yīng)導(dǎo)致的弱位移電流渦流損耗增加，從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率的共振線寬增大。制備薄膜試樣A時(shí)的使用的濺射功率較小，Co含量低，由于磁性相偏少、Al2O3非晶相增多導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)效應(yīng)，降低了磁性顆粒的粒徑，使顆粒間的相互作用減弱；此外，由于多數(shù)Co磁性顆粒被Al2O3非晶相包覆，使磁性粒子與 Al2O3相的界面大大增加，并使得毗鄰 Al2O3的表層 Co原子的磁矩因界面能而嚴(yán)重扭變，因此，磁性粒子表層可能出現(xiàn)部分非磁性相，也使共振頻率附近μ″減小[10]。

3 磁性納米顆粒膜磁譜的計(jì)算模擬

3.1 磁譜計(jì)算方法

由Landau-Lifshitz-Gilbert方程[11]，采用線性近似的方法求得磁性顆粒的復(fù)磁導(dǎo)率μ為：

其中：Ms為飽和磁化強(qiáng)度；Hk為各向異性磁場(chǎng)強(qiáng)度；γ為旋磁比，取值為 2×105Hz·m/A；ω=2πf，f為頻率；α為無量綱的阻尼系數(shù)。

通常磁性納米顆粒膜中磁性金屬含量較高，微粒間的相互作用較強(qiáng)，可以采用Bruggeman平均場(chǎng)理論來研究顆粒膜復(fù)合體的等效電磁參量，薄膜有效磁導(dǎo)率的Bruggeman方程為：

其中：φ為磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)；μ為單個(gè)磁性顆粒的磁導(dǎo)率；μeff為薄膜的有效磁導(dǎo)率。通過式(1)和(2)以及典型的薄膜參數(shù)可以計(jì)算磁性納米顆粒膜的有效磁導(dǎo)率。

3.2 電磁參數(shù)對(duì)薄膜磁導(dǎo)率的影響

由公式計(jì)算不同飽和磁化強(qiáng)度對(duì)薄膜磁導(dǎo)率的影響如圖3所示。計(jì)算取φ=0.5，α=0.008，Hk=10 kA/m，Ms分別為1.4，1.6和1.8 MA/m。Ms增高使顆粒膜起始磁導(dǎo)率增大，共振頻率附近的μ′和μ″都增大，共振頻率fr也明顯提高。薄膜試樣C的共振頻率與薄膜試樣B的相比有所增加，可能與Ms的增大有關(guān)[12]。原子力顯微鏡分析顯示薄膜試樣C表面有大顆粒團(tuán)聚，而薄膜試樣B的顆粒粒度較均勻。

不同磁各向異性場(chǎng)對(duì)磁導(dǎo)率的影響如圖4所示。計(jì)算取Ms=1.4 MA/m，φ=0.5，α=0.008，Hk分別為8，10和12 kA/m。從圖4可見：隨著Hk增大，薄膜的起始磁導(dǎo)率降低，fr明顯提高，但 μ′和 μ″也降低。隨機(jī)分布的磁性納米晶粒之間的交換耦合相互作用導(dǎo)致有效磁各向異性發(fā)生變化[13]，與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的薄膜試樣D的共振頻率顯著下降源于Hk的減小現(xiàn)象一致。各向異性場(chǎng)的變化可能與顆粒間的相互作用強(qiáng)度、顆粒粒度、顆粒間距、原子對(duì)的方向有序等因素有關(guān)[14]。

圖3 飽和磁化強(qiáng)度Ms對(duì)磁導(dǎo)率的影響Fig.3 Complex permeability spectra with different Ms

圖4 磁各向異性場(chǎng)Hk對(duì)磁導(dǎo)率的影響Fig.4 Complex permeability spectra with different Hk

不同阻尼系數(shù)對(duì)磁導(dǎo)率的影響曲線如圖5所示。計(jì)算選取 Ms=1.4 MA/m，Hk=10.0 MA/m，φ=0.5，α分別取0.003，0.006和 0.009。從圖5可見：隨著 α的增大，μ″的共振線寬Δf明顯變寬；與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的隨Co靶濺射功率增大導(dǎo)致阻尼系數(shù)增大，從而使薄膜的共振線寬Δf逐漸變寬的現(xiàn)象一致。

圖5 阻尼系數(shù)α對(duì)磁導(dǎo)率的影響Fig.5 Complex permeability spectra with different α

不同磁性金屬 Co的體積分?jǐn)?shù)對(duì)磁導(dǎo)率的影響如圖6所示。計(jì)算選取Ms=1.6 MA/m，α=0.009，Hk=10.0 kA/m，φ分別取0.5，0.6和0.7。從圖6可見：隨磁性相體積分?jǐn)?shù)增大，薄膜的起始磁導(dǎo)率升高[15]，fr無明顯變化，共振頻率附近μ′和μ″增加，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖6 體積分?jǐn)?shù)φ對(duì)磁導(dǎo)率的影響Fig.6 Complex permeability spectra with different φ

4 結(jié)論

(1) 制備薄膜試樣使用的Co靶濺射功率越大，使近鄰晶粒易磁化方向的夾角變大，晶粒間交換相互作用可能減少體系的有效各向異性，造成共振頻率變低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)的Hk減小導(dǎo)致fr明顯降低的趨勢(shì)基本一致。

(2) 制備工藝導(dǎo)致的Co-A1-O磁性納米顆粒膜的微結(jié)構(gòu)和微觀形貌方面的差異，使薄膜的磁性和微波磁譜出現(xiàn)明顯差異；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與計(jì)算模擬所得結(jié)果基本一致。

(3) Co靶濺射功率提高，可導(dǎo)致顆粒間因分布電容效應(yīng)引起的弱位移電流渦流損耗增加，導(dǎo)致薄膜磁譜的共振線寬Δf增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬阻尼系數(shù)增大導(dǎo)致磁譜共振線寬增大的趨勢(shì)基本一致。

(4) 磁性納米顆粒膜材料的本征特性、微結(jié)構(gòu)、均勻性、雜質(zhì)性質(zhì)和含量、各向異性等對(duì)其微波磁導(dǎo)率有重要影響，且這些因素之間構(gòu)成復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系。理論計(jì)算模擬結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)制備納米顆粒膜具有一定指導(dǎo)意義。

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