脉冲电流快速退火对NiFe/FeMn薄膜磁性能的影响

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电子设备集成化、微型化的发展趋势下,在GHz频段表现出的优异动态磁特性的铁磁薄膜材料,在抗电磁干扰、微波吸收器件等高频领域备受青睐。通过铁磁薄膜各向异性的调节,而进一步提高其共振频率一直是本领域的研究者的重要方向之一。基于铁磁/反铁磁交换耦合的交换偏置薄膜相比于铁磁薄膜引入了单向各向异性和旋转各向异性,因此其具备更好的可调控性。本文以[NiFe(15 nm)/FeMn(10 nm)]交换偏置双层膜为研究对象,重点开展脉冲电流快速退火对其磁性能,特别是其旋转各向异性及共振频率的影响。主要取得了如下结果:1.成功搭建了磁性薄膜脉冲电流快速退火平台,包括真空退火炉、直流电源和脉冲电流发生装置;退火过程中本底真空优于1×10-4 Pa;通过电容器基脉冲电流发生装置可以较为精确地控制样品通电时间在0.1 s以内,且不受直流源限制电流的影响,可以实现样品的温度在室温1000℃范围内调整。2.在反向磁场中,4045 V临界退火电压时成功制备不饱和磁化翻转的交换偏置薄膜样品,通过振动样品磁强计测量发现其交换偏置场静态各向异性场达到了最小值,而样品的旋转各向异性及共振频率有最大值,达到5.61 GHz。这是由于在临界电压退火时,样品温度瞬间超过反铁磁奈尔温度,此时反铁磁磁矩处于无序状态,而在冷却过程中由于冷却时间(降至奈尔温度之下)极短,只有部分反铁磁磁矩实现反向,因此导致测得的静态磁性参数较小;但正是由于这种瞬时的不饱和磁化翻转导致不稳定状态的反铁磁晶粒增加,样品旋转各向异性增加,共振频率提高。3.采用脉冲电流快速退火的方法,结合样品表面图形化Ag线退火电路,成功制备具有多对反平行交换偏置方向的连续磁性薄膜。该磁性薄膜表现出双交换偏置和双共振频率,且交换偏置场均小于原样品,而共振频率均高于原样品,最高共振频率可以达到5.61 GHz;其中,沉积磁场方向的交换偏置薄膜区域对应负交换偏置场,而外加磁场方向的交换偏置薄膜区域对应正的交换偏置场;4.通过进一步的刻蚀实验证实,反平行交换偏置区域的薄膜之间存在不同方向铁磁、反铁磁磁矩相互之间的竞争作用,导致样品中不稳定晶粒数量大大增加,因此旋转各向异性增强,进而引起共振频率的大幅提高;而且通过对比分析发现,具有较小交换偏置场的薄膜区域表现出更高的共振频率,这主要是由于交换偏置场较小的薄膜区域较窄,在两侧反向交换偏置铁磁及反铁磁磁矩的竞争作用下,其不稳定反铁磁晶粒比例较大,因此具有更大的旋转各向异性。
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