Caractérisation par résonance magnétique et hyperfréquence en fonction de l'épaisseur de films FeCoBSi à motifs de bandes combinés

Contexte

Avec le développement rapide de la technologie des télécommunications, les problèmes d'inférence électromagnétique (EMI), qui détériorent les performances de tels systèmes en haute fréquence, attirent considérablement l'attention du public [1,2,3,4,5]. Afin de satisfaire les exigences des matériaux de blindage EMI, des résonances à large bande et contrôlables des films magnétiques sont souhaitées [6, 7]. Pendant ce temps, un facteur d'amortissement élevé à la fréquence conçue contribuerait à la réalisation de dispositifs EMI prometteurs [8, 9]. En raison de l'anisotropie uniaxiale dans le plan d'un film, cela pourrait conduire à des propriétés magnétiques bien douces à la fréquence du gigahertz, d'où de meilleures propriétés d'absorption, plusieurs méthodes comprenant le champ magnétique induit [10], la contrainte induite [11] pendant le dépôt, la conception multicouche [12] , et post-recuit sous champ magnétique externe [13, 14], ont été étudiés. En outre, les films magnétiques à motifs avec une anisotropie de forme induite conçus par une structure artificielle attirent une grande attention du public en raison de leurs propriétés contrôlables et robustes [15, 16]. À la lumière de cela, des films magnétiques à base de FeCo à motifs à double bande ont été proposés dans nos travaux antérieurs [17]. Une large bande de résonance avec un phénomène de pics de résonance double a été observé au cours de l'expérience, ce qui a été attribué à la superposition d'une source de résonance double apportée par des bandes magnétiques indépendantes.

Par conséquent, dans cet article, afin d'étendre la bande de résonance en outre, nous avons introduit des films minces FeCoBSi à motifs de rayures combinés uniques contenant diverses rayures avec cinq largeurs différentes et analysé la caractérisation de la résonance micro-ondes en raison de plusieurs pics de résonance avec le Landau-Lifshitz-Gilbert ( LLG) le formalisme du mouvement processionnel. Le phénomène de bande de résonance large a été amélioré avec un demi-maximum de pleine largeur (FWHM) de 4 GHz à faible épaisseur, c'est-à-dire 45 nm pour nos expériences. Pendant ce temps, l'altération de la fréquence de résonance pourrait être prédite par la formule mathématique liée aux facteurs de démagnétisation. Les résultats pourraient être davantage illustrés par l'anisotropie effective induite par la forme déposée en raison de la largeur de bande distinguée, qui a permis de contrôler par le processus de lithographie traditionnel dans l'application réelle.

Expérience

Fe₆₆ Co₁₇ B₁₆ Si₁ des couches minces de différentes épaisseurs ont été déposées sur des substrats de silicium (111) par pulvérisation cathodique magnétron DC à température ambiante. Un champ magnétique externe de 500 Oe a été appliqué le long de l'axe court du substrat pour induire une anisotropie uniaxiale dans le plan, comme le montre la figure 1. La technologie traditionnelle de lithographie ultraviolette (UV) et la méthode de décollage ont été utilisées pour fabriquer les motifs de rayures combinés. Des films FeCoBSi à motifs de rayures combinés contenant diverses rayures avec différentes largeurs ont été traités. Les bandes ont été disposées successivement avec une séquence de largeur de 5, 10, 15, 20 et 25 μm respectivement. Un espace de séparation des rayures distinctives a été fixé à 5 μm. L'épaisseur des films à motifs variait de 45 à 135 nm.

Le schéma du champ magnétique externe induit lors du dépôt (a ) et des films magnétiques à rayures combinées (b ). La largeur de chaque bande était respectivement de 5, 10, 15, 20 et 25 μm. La largeur de l'espace entre deux bandes a été fixée à 5 μm. Le processus de décollement a été effectué après le dépôt pour exposer la structure finale du film

L'épaisseur des films a été déterminée par l'observation en coupe transversale au microscope électronique à balayage (MEB). Les propriétés statiques correspondantes du film magnétique, c'est-à-dire les boucles d'hystérésis, ont été mesurées par un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM). Les propriétés des micro-ondes ont été caractérisées par une méthode de perturbation de ligne de transmission micro-ruban en court-circuit connectée à un analyseur de réseau vectoriel dans la plage de fréquences de 0,5 à 6 GHz.

Résultats et discussion

La figure 1a montre le schéma de la configuration de dépôt avec un champ magnétique induit externe. Un champ magnétique externe de 500 Oe a été appliqué pendant le dépôt afin d'induire une anisotropie uniaxiale dans le plan. La méthode de décollement a été traitée après le dépôt pour exposer à la structure à motifs des films. La figure 1b présente la structure combinée à rayures de nos films magnétiques. La séquence de largeur pour chaque bande correspond à 5, 10, 15, 20, 25 μm, respectivement, tandis que l'écart entre chaque bande a été fixé à 5 μm. Selon nos travaux antérieurs, il n'y avait pas de pics cristallins évidents à l'exception du Si (111) des substrats lors de la mesure XRD [18]. Par conséquent, la structure cristalline de nos films était amorphe ou nanocristalline.

Les propriétés magnétiques statiques de films à motifs de bandes combinés déposés à des épaisseurs variables de 45 à 135 nm ont été étudiées. L'axe facile a été défini comme étant le même que la direction du champ magnétique induit tandis que l'axe dur lui était orthogonal, Fig. 2. Parties actuelles de M/Ms -Les boucles H des films, qui ont été mesurées sur le terrain, sont comprises entre 100 et − 100 Oe . Les différences entre l'axe facile et l'axe dur montrent clairement l'anisotropie uniaxiale induite dans le plan, qui a été contribuée par le champ magnétique induit ainsi que l'anisotropie induite par la forme des bandes. De plus, les boucles d'hystérésis de la figure 2 ont révélé des propriétés magnétiques bien douces avec H _ch aussi bas que 13 Oe, où H _ch est la coercitivité le long de l'axe dur et H _ce est la coercitivité le long de l'axe facile. Avec l'augmentation de l'épaisseur du film, H _ch passerait de 32 Oe à 45 nm à 13 Oe à 135 nm, ce qui était conforme au modèle d'anisotropie aléatoire proposé par Herzer [19]. Tous les détails peuvent être trouvés dans notre ancien travail [18].

Les boucles d'hystérésis des films magnétiques à rayures combinées avec différentes épaisseurs. Les résultats sont présentés à partir de l'axe facile-dur défini par la direction du champ magnétique induit dans chaque image. De a à d , l'épaisseur des films variait de 45 à 135 nm

La figure 3 montre les composantes réelles et imaginaires des spectres de perméabilité de films à rayures combinés en fonction de la fréquence avec différentes épaisseurs. Il est intéressant de constater que pour t = 45 nm, il y a des pics de résonance de division qui apparaissent à f _faible et f _Élevé fréquence sur la plage de fréquences mesurée, respectivement. D'après ce graphique, lorsque t = 45 nm, le est élevé à environ 170 tandis que le f _faible atteint juste environ 3,2 GHz et f _Élevé est d'environ 5 GHz. Au fur et à mesure que l'épaisseur augmente, la valeur de f _faible augmente tout le temps. Pour t = 135 nm, nous trouvons que μ′ peut encore rester à un niveau correct de 170, le f _faible augmente jusqu'à une valeur considérable de 4,2 GHz simultanément, tandis que le f _Élevé est peut-être en dehors de la plage de fréquences mesurée 6 GHz. La bande de résonance, définie comme la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM), a été élargie à plus de 4 GHz à une épaisseur de 45 nm, ce qui est plus large que la FWHM des films à double bande à 2 GHz [18]. Cela peut ouvrir une meilleure voie pour une future application en tant qu'absorbeurs EMI hyperfréquences à large bande. Le phénomène d'élargissement de la bande était dû au champ anisotrope de forme différente induit par cinq bandes de largeurs différentes. Considérez la largeur fixe de l'entrefer comme 5 μm, ce qui est suffisamment grand pour séparer magnétiquement les deux bandes consécutives sans effet de couplage. Ainsi, chaque bande était en fait indépendante l'une de l'autre, conduisant à une réponse magnétique séparée sous excitation micro-ondes. La réponse totale au champ électromagnétique haute fréquence doit être une addition mathématique de cinq bandes de largeurs différentes. De plus, l'anisotropie de forme pourrait jouer un rôle essentiel pour déterminer l'anisotropie effective du film, c'est-à-dire la fréquence de résonance [20]. Par conséquent, il est nécessaire de prendre en compte le facteur de démagnétisation lors de l'analyse micro-magnétique. Afin de démontrer les propriétés dynamiques de nos films minces, la formule de l'équation de LLG Gilbert [21] combinée à l'effet de démagnétisation a été utilisée pour décrire le phénomène à haute fréquence pour les films minces magnétiques à anisotropie uniaxiale. Ainsi, la perméabilité à haute fréquence pourrait être décrite par l'équation suivante :

Les spectres de perméabilité mesurés à température ambiante de films minces FeCoBSi à motifs de rayures combinés avec différentes épaisseurs révèlent la perméabilité réelle des films (a ) et présentent la perméabilité imaginaire (b )

où 4πM _s est défini comme une magnétisation à saturation, α est le facteur d'amortissement, γ est le rapport gyromagnétique (1,76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ pour alliage FeCo), H _e est une anisotropie efficace déposée, et N _x , N _y , N _z est le facteur de démagnétisation le long de trois directions orthogonales, respectivement. f _r peut être dérivé par l'équation de Kittle comme

À la lumière des bandes de largeur différente incluses dans nos films, qui ont induit une anisotropie de forme distinctive conduisant à des pics de résonance divisés, l'ensemble du spectre doit être caractérisé comme une addition mathématique de cinq distincts. Le facteur de démagnétisation le long de x , y , et z la direction peut être écrite comme [20]

où L est la longueur le long de z -axe, W est la largeur le long de x -axe, et T est l'épaisseur le long de y -axe. Avec les formules (3), (4), (5) et la formule LLG, la fréquence de résonance correspondant à différentes largeurs de bande magnétique de 5 à 25 μm peut être calculée, respectivement.

La figure 4 présente la fréquence de résonance calculée de bandes distinctes avec différentes épaisseurs de 5 à 25 μm. Dans ce calcul, α a été fixé à 0,03, ce qui a eu un petit impact sur la position de la fréquence de résonance. La magnétisation de saturation et le champ d'anisotropie en plaine effectif, qui ont tous deux été extraits des résultats expérimentaux des films continus de FeCoBSi, ont été fixés à 1345 emu/cm ³ et 40 Oe [18], respectivement. Dans les films magnétiques amorphes, l'anisotropie magnétocristalline a pu être ignorée, ce qui a conduit à un rôle plus essentiel de l'anisotropie de forme dans le processus de détermination de la fréquence de résonance, ce qui a été démontré dans [20]. Par conséquent, des bandes de largeurs différentes devraient contribuer à des pics de résonance distinctifs en raison de l'effet de découplage maintenu par l'espace, ce qui entraîne théoriquement de multiples pics de résonance dans le spectre. De plus, avec l'augmentation de l'épaisseur du film, la fréquence de résonance principale augmenterait et la différence de fréquence entre les bandes de largeur différente (représentée sur la figure 4) était améliorée. Par conséquent, il existe un fort effet de superpositionnement entre plusieurs pics de résonance si l'épaisseur du film est suffisamment mince, auquel cas la bande du spectre magnétique a montré un comportement élargi prononcé. Avec l'augmentation de l'épaisseur, cet effet de superposition a été affaibli en raison de la différence de fréquence de résonance plus distincte. Avec l'augmentation de l'épaisseur au-dessus de 110 nm, la fréquence de résonance des bandes d'une certaine largeur telle que 5 μm était en dehors de notre plage de mesure car la zone bleue présentée, a entraîné une FWHM plus petite par rapport au film de 45 nm. La fréquence de résonance peut également être prédite en ce qui concerne le calcul mathématique. En ajustant la largeur des bandes ainsi que l'épaisseur des films, chaque phénomène de résonance pourrait être contrôlé pour une application réelle.

Calcul numérique de la fréquence de résonance de différentes largeurs de bandes en fonction de différentes épaisseurs. La zone bleue révèle la plage de fréquences de mesure disponible (jusqu'à 6 GHz) pour notre configuration

L'hypothèse selon laquelle l'effet de bande élargie est dû à la superposition d'un pic de résonance indépendant induit par une bande séparée peut être clairement comprise à partir du résultat d'ajustement de la figure 5. Afin de vérifier notre hypothèse, le spectre magnétique du film à motif à bande unique a été calculé aussi. Par rapport au film à motifs de rayures combinés, la fréquence de résonance de chaque rayure est tombée dans la plage de FWHM d'un à motifs de rayures combinés comme la zone rouge représentée, ce qui a bien étayé notre hypothèse selon laquelle le phénomène d'élargissement de la bande du film à motifs de rayures combinés était dû à la superposition de pics de résonance distinctifs induits par différentes bandes.

Perméabilité imaginaire mesurée et calculée pour un film mince FeCoBSi à rayures combinées avec T = 45 nm et perméabilité imaginaire calculée pour des bandes de largeur différente. La zone rouge correspond à la bande de résonance (FWHM) des films à rayures combinées

Conclusions

En conclusion, nous avons étudié la caractérisation par résonance magnétique et micro-onde de FeCoBSi à motifs de bandes combinés avec différentes épaisseurs. Par rapport aux anciens films à motifs à doubles rayures, le motif FeCoBSi à cinq rayures pourrait étendre la bande de résonance (FWHM) jusqu'à 4 GHz. Le phénomène d'élargissement de la bande pourrait être contrôlé en ajustant la largeur des différentes bandes ainsi que l'épaisseur des films magnétiques afin de répondre aux exigences de l'application réelle, ce qui pourrait être utile dans les futurs dispositifs EMI.

Abréviations

EMI :

Inférence électromagnétique

FWHM :

Pleine largeur moitié maximum

LLG :

Landau-Lifshitz-Gilbert