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1、磁性薄膜高频特性一、磁性薄膜发展简介薄膜科学在物理学和材料学科中已形成一门专门的分支学科。特别是半个世纪以来，电子学的发展需要新器件和新材料的突破，薄膜科学就是开发新材料和新器件非常重要的领域。电子器件的尺寸越来越小，40 年代的真空管器件是几十厘米大小，60 年代的器件是毫米大小，80 年代的超大规模集成电路是微米大小，到 2000 年分子电子器件则已经达到纳米量级。这就要求我们研究亚微米、纳米薄膜的制备技术、测量技术，以及相应物性机理。所有固体材料都能制成薄膜材料，而薄膜是二维的，现在工业上所用的薄膜厚度从几十纳米到微米级，因此薄膜强度都很低，需要基片来支撑。薄膜和基片构成不可分割的一体，
2、且二者的物性也会相互发生影响。磁性材料从本世纪初就作为一种重要的功能材料在应用，近些年更是在信息电子学领域获得广泛应用，并深刻的促进了计算机工业和通讯工业的发展。磁性薄膜材料是一种重要的电子信息材料，也是大块磁性材料的低维化形式，但性能比大块材料具有更加丰富的内容。除去二维化后退磁效应影响外，磁性薄膜材料不同于大块材料的铁磁耦合效应、反铁磁耦合效应、隧穿效应以及各种独特的自旋动力学特性为磁性薄膜带来了更加广阔的应用空间。上世纪八十年代法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔更是因为在多层磁性薄膜中发现巨磁阻效应而获得了 2007 年的诺贝尔奖。近些年，随着电子元器件向微型化、薄膜化、高频化、集成化
3、方向发展，对微波高频段下高磁导率磁性薄膜提出了明确的要求。目前研究的片式电感器、薄膜变压器、薄膜磁头等的工作频率已经进入 MHz 频段，甚至 GHz 频段，工作频率为数百 MHz-GHz 频段的高可靠、低成本薄膜滤波器也在蓬勃进行当中。磁性薄膜的高频电磁波特性本质上是薄膜自旋磁矩和电磁波之间的相互作用，因此研究薄膜在高频下的自旋动力学可以为磁性薄膜制备和应用提供理论指导。二、薄膜制备技术按目前的分类，薄膜制备方法包括：物理气相沉积、化学气相沉积、金属有机物化学沉积和辉光放电沉积等。具体如下：1、真空蒸发沉积这是目前应用最普遍的方法之一。蒸发是在真空室中进行，如蒸发熔点较低的金属或者合金，采用电
4、加热的方法，在一定真空度下，用钨丝或者钽舟直接通电，被加热蒸发物挂在钨丝上或放在钽舟内，慢慢加电流直到蒸发物被蒸发完毕为止，被蒸发物质慢慢沉积在基片上形成薄膜，厚度由蒸发时间来控制。如蒸发熔点高的金属或者合金，则必须采用电子束蒸发方法，此时要求更高的真空度到 10E-710E-9Torr，蒸发物放在专用槽内通电加热，且需要对基片进行加热以满足不同薄膜的制备需求。2、分子束外延法这种方法是在超高真空（10E-1010E-11Torr）条件下把把分子束射入被加热基片上进行外延生长。在高真空条件下，残留气体杂质很少，可保持表面清洁；生长速率很慢，薄膜呈层状生长，可以得到表面缺陷极少的薄膜；可严格控制
5、组分浓度和杂质浓度，因此可制出急剧变化杂质浓度和组分的器件；可用反射式高能电子衍射（RHEED）原位观察薄膜晶体生长状况。这种方法可以制备出品质极佳的单晶薄膜。3、磁控溅射方法这种方法应用非常普遍，其原理是将被溅射物质制成靶材，作为阴极，基片作为阳极，共同放在真空室。溅射时阴极通负高压，阳极接地，然后通入低浓度氩气作为工作气体，氩气被电离为氩离子并在磁场洛伦茨力作用下加速，使更多的氩气被电离，同时氩离子轰击靶面，打出原子、离子、高能离子，靶的原子沉积在基片上形成薄膜。磁控溅射方法由于使用磁控靶枪对氩离子加速，因此从靶材上溢出的原子有更大的初速度，形成的薄膜和基片有较好的结合力，同时这种方法制备
6、薄膜速率也很快。通过对设备进行不同配置，可以利用溅射方法制备氧化物膜、多层膜、颗粒膜以及超晶格等复杂薄膜结构。本实验我们就是采取磁控溅射的方法来制备薄膜。4、脉冲激光沉积法这种制备工艺操作简单，制备薄膜周期短。一束激光通过窗口进入真空室作用在靶材上，通过聚焦获得 1-10 焦耳/平方厘米的能量密度，从靶面上蒸发出来的材料在真空室中形成高温等离子羽辉。羽辉是由分子、中性原子和离子组成。激光沉积法的特点是：沉积过程中，无论入射光束角度如何变化，形成羽辉均垂直于靶面；射出物动能比电蒸发大一个数量级；脉冲作用在靶面的时间很短，一般为几十个纳秒，靶材表面瞬间温升可达到上万度，因此靶材内各种成分可以瞬间蒸
7、发，这一点特别有利于像高温超导材料这样多组分化合物薄膜的制备。三、磁性薄膜的动力学特性铁磁材料的磁化强度（单位体积内的磁矩） 在外部有效场 （包括外MefH加恒磁场、外加交变磁场、面退磁场、体退磁场、各向异性等效场、交换作用等效场）的作用下，其运动方程为（1）efHMdt其中为铁磁材料的旋磁比。从方程（1）可知，铁磁体的磁化强度 在有效磁场M的作用下，将围绕 做无衰减的右旋进动，如图efHefH所示。通过求解（1）式可以得到无阻尼进动情况下，磁矩在外场 作用下的本efH征进动圆频率 。就是说当磁矩在外磁场作用下时，磁矩会和外场保持ef0一定角度并以圆频率 0 进行不停息的进动。实际上，由于磁化
8、强度进动将与周围环境相互作用而不断损失能量，磁化强度矢量 在无外加能量补充的情况下，将逐渐趋向于有效磁场 ，最终与M efH方向保持一致，这也是我们直观上经常看到的现象，磁体最终将沿外场的efH方向，而对于进动过程则是我们用肉眼难以观察到的。为了描述能量损耗，我们需要在磁化强度进动方程（1）中加上一个阻尼项，进动方程变为：（2）dtMHdtMef HeffM其中为表征铁磁材料性质的阻尼系数。上式右边阻尼项相当于磁化强度 受M到一反平行于磁化强度变化速度并在数值上正比于磁化强度变化速率的阻尼场的作用。当外加微波场照射磁性材料时，进动过程中损耗的能量可以由微波场来补充并得以维持下去，而磁性材料在此
9、过程中也会体现出微波磁导率。由于磁矩一直保持进动形态，因此磁导率表现为张量的形式。01aaii其中 20)(im20)(ia其中 为自由进动圆频率，efHsmM使用张量磁导率表示磁性材料的动力学特性能够更加细致的反映出微波和材料之间的相互作用，但并不方便，且在大多情况下也不必要。我们知道在通常情况下，微波场呈现线偏振形态，可以分解为两个振幅相等而旋转方向相反的同频率圆偏振场，即使对于椭圆偏振场也可以分解为振幅或者相位不同或者两者皆不同的旋转方向相反的两个同频率圆偏振场，因此使用正、负圆偏振场来讨论微波磁导率可以对形式进行简化。对于正圆偏振场，微波分量 hx 和 hy 之间存在如下关系：ix 方
10、向分量领先 y 方向分量2。将此关系代入微波磁化率 m 和微波场 h 的关系式中： hiihiimaxaxa )(0)(00 从而磁化率 +变成标量形式，磁导率 +=+1 也变成了标量形式。且有：)(10im以上分析均是没有考虑退磁场的情况，研究对象为均匀无限大样品，而我们实际研究对象均是有限尺寸且具有一定形状的具体对象，例如对于薄膜样品，垂直于薄膜方向的退磁因子可以看成是 1，平行于薄膜方向的退磁因子则可以看成是 0。当考虑了退磁以后，样品有效场的形式就发生了变化： )(0zzeyxef mMNH求解考虑了退磁场的进动方程，我们就会发现其自由进动圆频率发生了变化： mzymzx N)()(002 具体条件是外加有效场沿着 Z 方向。对于椭球样品，沿三个方向的退磁因子均是 1/3，其自旋进动圆频率回归为。而对于薄膜样品，将退磁因子带入以后，其自旋进动的圆频率则变为：0 )(02m其工作频率明显高于三维球形样品，这也是为什么磁性薄膜可以工作于高频的原因，当然具体应用开发时还要考虑薄膜样品的损耗特性，这和薄膜的成分和微结构均有比较密切的关系。下面是典型薄膜样品的磁谱，也是动力学曲线。图 典型薄膜的高频微波磁谱
