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1、华中科技大学 硕士学位论文 磁性纳米颗粒膜电导特性研究 姓名：李宏涛 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：江建军 20070606 I 摘 要 磁性纳米颗粒膜有着优良的软磁特性和高频磁谱特性，一直以来被广泛应用于软 磁磁头、吸波材料和微磁器件设计中。目前在磁性纳米颗粒膜的应用中，主要面临两 个问题，一是在颗粒膜满足软磁特性的前提下，如何提高电阻率以获得更好的软磁性 能；另一就是在颗粒膜的金属成分比较低的情况下，如何实现阻抗匹配以满足吸波材 料的要求。为此，开展磁性纳米颗粒膜的电导和介电特性研究具有非常重要的学术价 值和实际意义。 按 Vainas等的思路，颗粒结构的介电特
2、性本质上等价于 RC 网络。论文依据前人 建立的跳跃电导模型，构建了随机 RC 网络模型，结合理论计算和实验结果，研究了 纳米颗粒膜的电导特性和介电响应特性。鉴于随机 RC 网络的无序导致计算结果无法 很好地分析，论文以固定 RC 值随机位置分布的 RC 网络作为参考对照，分析颗粒膜 金属成分对材料电导特性和介电特性的影响。计算结果分析表明随机 RC 网络模型和 固定 RC 网络模型的计算结果与已知文献上的结果基本一致，随着金属成分的变化颗 粒膜的介电特性大致可分为两种，一是当金属成分比较高时有类似德拜响应的介电响 应，另一类是当金属成分较低时有无定型介电响应。电导特性的变化趋势也可分为两 种
3、，虚实部依赖关系分别呈半圆型和垂直线型，其成分范围与不同介电特性响应的成 分范围相互交叉，并不重叠。 仿真分析得到的结果，可作为研究颗粒膜介电特性的参考，颗粒膜介电特性随金 属成分的变化关系，使得同时研究介电响应和磁谱响应成为可能，这对颗粒膜吸波材 料阻抗匹配设计有很好的指导意义。 关键词：磁性纳米颗粒膜; 跳跃电导; 统一介电响应; RC 网络 II ABSTRACT Magnetic granular nano- films with good magnetic properties w ere applied in many fields such as magnetic header,
4、 RAM and RFIC L component etc. Above granular film s conduction percolation threshold, people concentrated on how to improve resistivity of soft magnetic granular films; under percolation threshold, DC conduction was modeled as hopping conduction and AC conduction had been manifested following “ Uni
5、versal dielectric response” . So, there were two problems we must go ahead for, one is to improve the resistivity of soft magnetic granular film; the other is to investigate granular films dielectric properties and impedance matching. Along Vainass idea, granular films dielectric response comes from
6、 microscope RC connection microstructure, at this point, materials dielectric response can be characterized by RC network. According to hopping conduction model, we constructed random RC network to calculate granular films dielectric response. For disorder in random RC model leading RC value to vary
7、 over several decades, it s not straight to explain the calculation results. So we calculated fixed value RC networks with random components position together with random RC networks to simulation how metal content affects dielectric response of granular film. The Calculation results of two kind net
8、work accords well with experiment results in papers published. Simulation results showed that there were generally two kind responses with metal concentration increasing, 1) Debye response at high metal concentration, 2) amorphous response at low metal concentration. At the same time, the conduction
9、 response can also be divided into two kinds, circle type and line type. Metal concentration areas according to different conduction responses, however, didn t overlap with the metal content areas corresponding to different dielectric responses. The simulation results can also be used directly as re
10、ference in granular films dielectric properties investigation and impedance matching design. Keywords: Granular film; Hopping conduction; Universal dielectric response; RC network 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确
11、方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 1.1 引言 磁性
12、纳米颗粒膜有着广泛的应用前景，长期以来一直受到人们的广泛关注。其作 为软磁材料可应用于高速磁头磁屏蔽；金属成分低于逾渗阈值时可作为雷达吸波材料 1；满足一定频率特性的高磁导率纳米颗粒膜还可应用于射频电感设计中。随着无线通 讯技术的飞速发展，电路的工作频率逐渐过渡到GHz频段，高频应用对软磁材料和吸波 材料提出了愈来愈严格的要求，研究在GHz频段下具有高电阻率、高磁导率、高磁损耗 的磁性纳米颗粒膜成了愈来愈富有挑战的课题。 磁性纳米颗粒膜一般由磁性纳米金属颗粒镶嵌在绝缘介质中形成，磁性相为 Fe、 Co 等磁性金属颗粒，介质相可以是 SiO2、BN、Al2O3等。纳米颗粒膜的电阻特性对材 料的应
13、用有深刻的影响，不管是软磁材料还是吸波材料，都希望有较高的电阻率，前 者是为了降低涡流损耗，并有更好的软磁性能；后者则是为了实现阻抗匹配。吸波材 料存在着一个折衷，即磁导率和电阻率的折衷，一方面磁导率越高，电阻率越低；另 一方面磁导率和电阻率都与频率有关。目前关于纳米颗粒膜的磁谱已有广泛的研究， 包括丰富的实验支持和成熟的理论分析，颗粒膜电导机制研究也一向受到人们的广泛 关注，对纳米颗粒膜电导特性的研究一直以来都是十分活跃的课题。 1.2 颗粒膜电磁特性研究现状 纳米颗粒膜通常由共蒸发和共溅射，形成(金属)x(介质)1- x结构，图 1- 1 是 Ohnuma S 等制备的 Co- Al- O
14、 颗粒膜的 HRTEM 图。 2 图 1- 1 高分辨率透射电镜图 a)为 Co36Al22O42，b)为 Co52Al20O282 衡量颗粒膜高频电磁性能的一个重要因素就是磁导率频率响应，即磁谱。磁谱主 要受涡流损耗和共振的影响，按照改进的 Landau- Lifshitz方程，良好的 - f响应需要大 的饱和磁化强度(Ms)、电阻率和各向异性场，在薄膜厚度满足要求的情况下，Bs 足够 大而频率响应很差的情况，往往是由于电阻率和各向异性场较小的缘故。Mitani S 和 Ohnuma S 等对软磁薄膜做了一系列的实验2- 7，并对薄膜的电磁特性进行了归纳。他们 采用共溅射方法制备了 Fe-
15、SiO2薄膜，通过改变 Fe 靶上 SiO2片的面积比来改变薄膜成 分，Si(at.%):O(at.%)近似为 1:2，实验结果分析表明 O2大部分形成了 SiO2，采用四探针 法得到了不同金属含量的薄膜的电阻率随成分和温度的变化关系，如图 1- 2、1- 3 所示。 从图 1- 2 可以看出，? 随 SiO2成份增加而迅速增加，在 SiO2含量为 50%附处，? 值急 剧增加， 此即电子电流的愈渗现象。 从图 1- 3 中可以得出表征愈渗现象的另外一个特征， 即以材料电导的温度依赖关系为代表的电导机制随着金属成分的增加而变化： 3 2030405060 10 2 10 4 10 6 Fe-
16、SiO2 at R.T. (cm) SiO2(%) 图 1- 2 室温下 Fe- SiO2颗粒膜电阻率同 SiO2成分的关系，SiO2成分由 SiO2片和铁溅射靶的面 积比表示7 080160240320 0.0 3.0x10 6 6.0x10 6 9.0x10 6 Fe- SiO2 (cm) T(K) SiO2:52% SIO2:49% SiO2:47% SiO2:44% SiO2:26% 图 1- 3 Fe- SiO2颗粒膜电阻率的温度依赖关系7 1)低 SiO2含量区域的普通金属性温度曲线，此时颗粒膜对应于金属性。 2)中间 SiO2含量区域呈- logT关系，微结构中开始出现愈渗通路。 3)exp(aT - 1/2)关系对应于高 SiO2 含量的情况，此时隧穿电导为其主要电导机制。 4 随着金属成分的增加，颗粒膜电导迅速增大，此时认为在微结构中开始形成导电 通路，当金属成分增大至大于愈渗阈值时，颗粒膜呈现类似于金属的电导机制。电导 机制的转变和电导率的突变便是电
