一種Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Nd摻雜的CoZr基高頻軟磁薄膜及其制備。薄膜成分為Co100-x-yZrxNdy，其中x＝9～18,y＝1.5～3。本發(fā)明利用復(fù)合靶磁控濺射將Nd元素引入CoZr薄膜中，并在濺射過程中利用磁場(chǎng)誘導(dǎo)感生磁各向異性。本發(fā)明所得到的Co100-x-yZrxNdy薄膜，保持良好的軟磁特性和顯著的面內(nèi)單軸磁各向異性，從磁導(dǎo)率譜上得出的阻尼系數(shù)隨著Nd含量的升高而有顯著增強(qiáng)。
【專利說明】一種Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜及其制備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于軟磁和薄膜材料領(lǐng)域，具體涉及一種共振阻尼增強(qiáng)的Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜及其制備。

【背景技術(shù)】
[0002]軟磁材料是指在較弱的外加磁場(chǎng)下易于磁化、也易于退磁的磁性材料，磁導(dǎo)率大、矯頑力小、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高而磁滯損耗低。軟磁材料主要包括軟磁合金和軟磁鐵氧體兩大類。
[0003]磁記錄頭、微電感、微變壓器、電磁噪聲抑制器和高頻磁傳感器等電磁器件的薄膜化、高頻化，對(duì)高頻軟磁薄膜材料提出了更高的要求。具有面內(nèi)單軸磁各向異性的高頻軟磁金屬薄膜可在室溫制備，適于電路集成工藝，因此成為近年來的研究熱點(diǎn)。軟磁金屬薄膜種類繁多，包括多晶態(tài)的純鐵、FeSi合金、NiFe合金、FeCo合金等，非晶態(tài)的CoZr合金、CoNb合金、CoFeB合金等，以及上述合金與O、N以及A10、S1等構(gòu)成的顆粒膜等。在眾多體系中，CoZr合金由于其非晶特性，使得易于獲得優(yōu)異的軟磁性能，因而常用于集成電路的吸波/濾波。
[0004]在具有優(yōu)異軟磁性能的前提下，在薄膜沉積過程中施加靜磁場(chǎng)，可以在薄膜中誘導(dǎo)感生面內(nèi)磁各向異性，產(chǎn)生面內(nèi)易軸和面內(nèi)難軸。當(dāng)微擾磁場(chǎng)與易軸垂直，便產(chǎn)生圍繞易軸的共振行為。這一進(jìn)動(dòng)過程的關(guān)鍵參數(shù)為共振頻率和共振阻尼。
[0005]高阻尼系數(shù)有助于快速的動(dòng)態(tài)磁化翻轉(zhuǎn)以及工作頻率范圍的展寬。內(nèi)稟阻尼的重要來源之一是自旋——軌道耦合。稀土元素，尤其是重稀土元素具有強(qiáng)的自旋——軌道耦合。研究表明以合金化的形式添加某些稀土元素，能夠有效提高內(nèi)稟阻尼。如WilliamBailey 等人在 IEEE Transact1ns on Magnetics, 37, 1749(2001)的文章“Controlof magnetizat1n dynamics in Ni81Fe19thin films through the use of rare-earthdopants”中報(bào)道了 Tb元素能夠大幅提高Ni81Fe19薄膜的阻尼，而稀土 Gd元素對(duì)阻尼卻沒有影響；他們?cè)?Applied Physics Letters 82, 1254(2003)的文章“Dopants forindependent control of precess1nal frequency and damping in Ni81Fe19 (50nm)thinfilms”中報(bào)道了 Sm、Dy、Ho元素對(duì)于阻尼有更大影響，而Eu元素對(duì)阻尼沒有影響。翟亞等人在 Physical Review B 89, 184412 (2014)的文章 “Enhancement of magnetizat1ndamping coefficient of permalloy thin films with dilute Nd dopants” 中進(jìn)——步手艮道了 Nd元素也能夠顯著增強(qiáng)NiFe合金的內(nèi)稟阻尼。
[0006]已有研究報(bào)道僅涉及NiFe合金。而翟亞等人的研究也表明，在NiFe合金中，稀土元素的摻雜導(dǎo)致磁各向異性由面內(nèi)磁各向異性轉(zhuǎn)為垂直磁各向異性，這雖然是上述報(bào)道中高阻尼的來源之一，但是磁各向異性方向的變化對(duì)于薄膜在高頻電磁器件中的應(yīng)用是不利的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種共振阻尼增強(qiáng)的Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜及其制備。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:本發(fā)明一種Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜，所述薄膜具體成分為Co1(l(l_x_yZrxNdy,其中，X = 9?18，y = 1.5?3。
[0009]所述的薄膜厚度為lOOnm。
[0010]本發(fā)明一種Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜的制備，包括如下步驟:
[0011]第一步:將至少兩片Zr薄片和兩片Nd薄片，分別對(duì)稱放置于Co靶上，構(gòu)成復(fù)合靶；
[0012]第二步:利用高真空磁控濺射系統(tǒng)，抽真空至2X 10_5Pa，在Ar氣濺射氣壓0.4Pa、流量16SCCM、功率10W的條件下，在Si襯底上濺射薄膜，濺射過程中施加磁場(chǎng)。
[0013]Zr薄片面積為5mmX5mmX0.5mm,數(shù)目為2?8片；Nd薄片面積為5mmX2.5mmX0.5mm,數(shù)目為2?4片；Co革巴為直徑75_的圓形革巴。
[0014]施加磁場(chǎng)米用永磁體，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2000e。
[0015]與未摻雜CoZr薄膜相比，本發(fā)明得到的Nd摻雜CoZr基高頻軟磁薄膜保持了良好的軟磁特性和顯著的面內(nèi)單軸磁各向異性，而且從磁導(dǎo)率譜上得出的阻尼系數(shù)隨著Nd含量的升高而有顯著增強(qiáng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1 是 Co91Zr9 (a)、Co88Zr12 (b)、Co85Zr15 (c)、Co82Zr18 (d)薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線，(EA:易軸；HA:難軸)。
[0017]圖2 是 Co91Zr9 (a)、Co88Zr12 (b)、Co85Zr15 (c)、Co82Zr18 (d)薄膜的磁導(dǎo)率譜。
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的Co89.Jr9Ndu薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線(a)和磁導(dǎo)率譜(b)。
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的Co85Zr12Nd3薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線(a)和磁導(dǎo)率譜(b)。
[0020]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3的Cc^5Zr15Ndh5薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線(a)和磁導(dǎo)率譜(b)。
[0021]圖6是本發(fā)明實(shí)施例4的Co79Zr18Nd3薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線(a)和磁導(dǎo)率譜(b)。

【具體實(shí)施方式】
[0022]第一步:將Zr和Nd薄片均勻?qū)ΨQ的放置于圓形Co靶上，構(gòu)成復(fù)合靶，通過改變薄片數(shù)量調(diào)控薄膜成分。
[0023]第二步:利用高真空磁控濺射系統(tǒng)，在2X 10_5Pa背底真空，Ar氣濺射氣壓0.4Pa、流量16SCCM，功率10W的條件下，在Si (100)襯底上濺射薄膜，濺射過程中在襯底表面利用永磁體的磁場(chǎng)誘導(dǎo)面內(nèi)單軸磁各向異性，薄膜厚度為lOOnm。
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0025]實(shí)施例1
[0026]第一步:將2 片 5mmX 5mmX 0.5mm 的 Zr 薄片和 2 片 5mmX2.5mmX 0.5mm 的 Nd 薄片均勻放置于直徑為75mm的圓形Co靶上，構(gòu)成復(fù)合靶。
[0027]第二步:利用高真空磁控濺射系統(tǒng)，在2X 10_5Pa背底真空，Ar氣濺射氣壓0.4Pa、流量16SCCM，功率100W的條件下，在Si (100)襯底上濺射薄膜，濺射過程中在襯底表面利用兩塊永磁體施加強(qiáng)度為2000e的磁場(chǎng)，誘導(dǎo)面內(nèi)單軸磁各向異性，薄膜厚度為lOOnm。
[0028]利用能量散射譜(Energy Dispersive Spectrometer:EDS)測(cè)量薄膜成分。本例中，薄膜樣品成分為C0M5Zr9Ndh5t5
[0029]利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(Vibrat1n Sample Magnetometer:VSM)測(cè)量薄膜樣品的磁滯回線。
[0030]利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Vector Network Analyzer:VNA),以短路微帶線微擾法(見Review of Scientific Instrument 76，063911 (2005))測(cè)量薄膜樣品的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率譜，并從中得出共振阻尼系數(shù)。
[0031]用如上所述直徑為75mm的圓形Co IE,以同樣工藝條件制備Co91Zr9薄膜，作為對(duì)比。
[0032]圖1a是Co91Zr9薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線，易軸難軸矯頑力分別為:270e、80e。
[0033]圖2a是Co91Zr9薄膜的磁導(dǎo)率譜，共振頻率為2.63GHz，阻尼系數(shù)為0.022。
[0034]圖3是本例Coia5Zr9Ndh5薄膜的磁滯回線和磁導(dǎo)率譜，易軸難軸矯頑力分別為:240e、ll.50e，共振頻率為2.91GHz，阻尼系數(shù)為0.026。與Co91Zr9薄膜相比，保持了較好的軟磁性能與面內(nèi)單軸磁各向異性，而且共振阻尼由0.022提高到0.026。
[0035]實(shí)施例2
[0036]將4 片 5mmX 5mmX 0.5mm 的 Zr 薄片和 4 片 5mmX 2.5mmX 0.5mm 的 Nd 薄片均勻放置于直徑為75mm的圓形Co靶上，構(gòu)成復(fù)合靶。其他步驟同實(shí)施例1。EDS測(cè)量表明，薄膜成分為Co85Zr12Nd315以同樣工藝條件制備Co88Zr12薄膜，作為對(duì)比。
[0037]圖1b是Co88Zr12薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線，易軸難軸矯頑力分別為:160e、ll.50e。
[0038]圖2b是Co88Zr12薄膜的磁導(dǎo)率譜，共振頻率為2.75GHz，阻尼系數(shù)為0.021。
[0039]圖4是本例Co85Zr12Nd3薄膜的磁滯回線和磁導(dǎo)率譜，易軸難軸矯頑力分別為:190e、13.40e，共振頻率為2.54GHz，阻尼系數(shù)為0.041。與Co88Zr12薄膜相比，保持了較好的軟磁性能與面內(nèi)單軸磁各向異性，而且共振阻尼由0.021提高到0.041。
[0040]實(shí)施例3
[0041]將6 片 5mmX 5mmX 0.5mm 的 Zr 薄片和 2 片 5mmX2.5mmX 0.5mm 的 Nd 薄片均勻放置于直徑為75mm的圓形Co靶上，構(gòu)成復(fù)合靶。其他步驟同實(shí)施例1。EDS測(cè)量表明，薄膜成分為Co8i5Zr15Nd1Y以同樣工藝條件制備Co85Zr15薄膜，作為對(duì)比。
[0042]圖1c是Co85Zr15薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線，易軸難軸矯頑力分別為:150e、14.90e。
[0043]圖2c是Co85Zr15薄膜的磁導(dǎo)率譜，共振頻率為2.6IGHz,阻尼系數(shù)為0.026。
[0044]圖5是本例Coia5Zr15Ndh5薄膜的磁滯回線和磁導(dǎo)率譜，易軸難軸矯頑力分別為:190e、12.90e，共振頻率為2.48GHz，阻尼系數(shù)為0.038。與Co85Zr15薄膜相比，保持了較好的軟磁性能與面內(nèi)單軸磁各向異性，而且共振阻尼由0.026提高到0.038。
[0045]實(shí)施例4
[0046]將8 片 5mmX 5mmX 0.5mm 的 Zr 薄片和 4 片 5mmX 2.5mmX 0.5mm 的 Nd 薄片均勻放置于直徑為75mm的圓形Co靶上，構(gòu)成復(fù)合靶。其他步驟同實(shí)施例1。EDS測(cè)量表明，薄膜成分為Co79Zr18Nd315以同樣工藝條件制備Co82Zr18薄膜，作為對(duì)比。
[0047]圖1d是Co82Zr18薄膜沿面內(nèi)易軸和難軸方向測(cè)量的磁滯回線，易軸難軸矯頑力分別為:220e、240e。
[0048]圖2d是Co82Zr18薄膜的磁導(dǎo)率譜，共振頻率為2.7GHz，阻尼系數(shù)為0.027。
[0049]圖6是本例Co79Zr18Nd3薄膜的磁滯回線和磁導(dǎo)率譜，易軸難軸矯頑力分別為:360e、19.40e，共振頻率為2.78GHz，阻尼系數(shù)為0.059。與Co82Zr18薄膜相比，保持了較好的軟磁性能與面內(nèi)單軸磁各向異性，而且共振阻尼由0.027提高到0.059。
【權(quán)利要求】
1.一種制摻雜基高頻軟磁薄膜，其特征在于，所述薄膜具體成分為
其中，X = 9 ?18，7 = 1.5 ?3。
2.如權(quán)利要求1所述的制摻雜基高頻軟磁薄膜，其特征在于，所述的薄膜厚度為10011111。
3.—種制摻雜基高頻軟磁薄膜的制備,其特征在于,包括如下步驟: 第一步:將至少兩片七薄片和兩片制薄片，分別對(duì)稱放置于(?靶上，構(gòu)成復(fù)合靶； 第二步:利用高真空磁控濺射系統(tǒng)，抽真空至2父10—5？3，在紅氣濺射氣壓0.4？3、流量163(^1、功率1001的條件下，在31襯底上濺射薄膜，濺射過程中施加磁場(chǎng)。
4.如權(quán)利要求3所述的制摻雜基高頻軟磁薄膜的制備，其特征在于，IX薄片面積為5麵X 5麵X 0.5111111,數(shù)目為2?8片。
5.如權(quán)利要求3所述的制摻雜基高頻軟磁薄膜的制備，其特征在于，制薄片面積為5麵X 2.巧臟父0.5臟，數(shù)目為2?4片。
6.如權(quán)利要求3所述的制摻雜基高頻軟磁薄膜的制備，其特征在于，00靶為直徑75111111的圓形革巴。
7.如權(quán)利要求3所述的摻雜基高頻軟磁薄膜的制備，其特征在于，施加磁場(chǎng)采用永磁體，磁場(chǎng)強(qiáng)度為20006。
【文檔編號(hào)】H01F10/12GK104465017SQ201410776723
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】徐鋒, 尹媛 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)