GHz频段用高致密度Fe基纳米颗粒薄膜制备与磁特性研究

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随着电子信息产业和物联网的迅速发展,要求电子元器件向高频化、小型化和集成化的方向发展,这便对作为电子元器件核心的软磁材料提出了更高要求。但是,传统的块体软磁材料受自身属性的限制,很难具有GHz磁共振频率和较高的磁导率。在这样的背景和潜在需求的推动下,能够工作于GHz微波频段的软磁纳米薄膜受到了特别的关注。微型化磁性电子元器件对其性能的具体要求是:高饱和磁化强度、高电阻率、高稳定性、低矫顽力、合适大小的面内磁各向异性场。此外,软磁薄膜材料微型化后,电磁性能的变化也是器件集成化需要着重考虑的问题。制备纳米薄膜材料的方法有很多种,包括传统磁控溅射、热蒸发和分子束外延等。但由于纳米颗粒的超顺磁特性,该类材料都展示出低的饱和磁化特性。本研究采用电场辅助沉积技术制备高致密度Fe基合金纳米颗粒薄膜,并利用光刻剥离工艺对纳米颗粒薄膜材料进行图形化处理。同时对薄膜的微观结构、静态和微波特性进行了系统地研究。其主要研究结论如下:(1)研究了制备工艺参数对Fe50Ni50纳米颗粒薄膜微观结构和磁性能的影响。实验结果表明,纳米颗粒薄膜的饱和磁化强度随沉积电场增加而显著提高。在20 kV沉积电场下,其MS为1.32 T,已达到块体Fe50Ni50合金的85%。厚度为200 nm的样品经真空热退火处理,其共振频率达到3.2 GHz。(2)在无诱导磁场的条件下,制备出高致密度图形化Fe50Ni50纳米颗粒薄膜。实验结果表明,提高辅助沉积电场,能够实现其饱和磁化强度MS和面内有效磁各向异性场Hk的双提高。(3)图形化Fe50Ni50纳米颗粒薄膜在200400℃温度下经过真空退火,其Hk值随温度的增加大幅度提高,并且展现出优异的软磁特性。从实际应用的角度考虑,这个温度范围恰好是CMOS和MEMS加工技术相关工艺的工作温度。所以,本研究制备的纳米颗粒薄膜材料,在采用CMOS和MEMS技术加工的GHz电子磁性器件中有广阔的应用前景。(4)图形化(Fe65Co35)97B3/SiO2复合纳米颗粒薄膜具有高电阻率、高饱和磁化强度、低矫顽力和合适大小的面内磁各向异性场等综合磁特性。并且通过改变SiO2条纹的宽度,在v大于50%的情况下(v表示SiO2的体积分数),样品仍然维持优异的微波特性。
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