FeCo-SiO-,2-（MgF-,2-）納米顆粒膜的高頻軟磁特性.pdf

1、隨著電磁器件小型化和高性能發(fā)展的需要，對軟磁材料提出了更高的要求。軟磁材料必須具有高磁導率、高飽和磁化強度、高電阻率和適當大的各向異性，以便有效降低渦流損耗、提高截止頻率。金屬-絕緣體納米顆粒膜是一種新型的軟磁材料，它利用金屬材料的高磁導率和絕緣體材料的高電阻率，使得在一種材料中同時具有高磁導率和高電阻率成為可能，因此這類顆粒膜材料已經成為軟磁材料研究的熱點之一。 本文中，我們利用射頻磁控濺射方法制備了Fe65Co35-SiO2

2、和Fe65Co35-MgF2系列納米軟磁顆粒膜。利用X-ray衍射和TEM得到了樣品的微觀結構信息；用VSM和直流四端法等系統(tǒng)地研究了樣品的磁性和電性；利用短路微擾傳輸線法測量了樣品的高頻特性；主要得到了以下結論： 一、結構 利用射頻磁控共濺射方法成功制備了Fe65Co35-SiO2和Fe65Co35-MgF2系列顆粒膜。HRTEM明場像顯示樣品由納米級(3～7nm)的磁性金屬顆粒均勻地鑲嵌在SiO2絕緣介質中構成，其金

3、屬顆粒尺寸隨金屬體積分數的減小而減小。電子衍射環(huán)證明磁性金屬顆粒為體心立方晶體結構。另外，X-ray衍射和HRTEM研究表明樣品的晶粒尺寸基本等于顆粒尺寸，這說明一個顆粒只包含一個晶粒。 二、磁性 (一)Fe65Co35-SiO2系統(tǒng)(1)系統(tǒng)地研究了矯頑力Hc隨磁性顆粒體積分數x的變化關系。在x=0.7-0.48的寬成分范圍內，得到了很好的軟磁性能。最小Hc為1.7Oe，最大不超過4.0 Oe。如此寬成分范圍內獲得優(yōu)異

4、軟磁性能在金屬-絕緣體顆粒膜中并不多見。我們認為，這種在很寬的成份范圍內矯頑力都比較小的現象是由于鐵磁顆粒間的交換耦合所致。對于Fe65Co35-SiO2系統(tǒng)，由于Fe65Co35的鐵磁性交換長度Lex較大(～26.0nm)，使得在很寬的成份范圍內，顆粒大小和間距之和都遠小于Lex，從而在該成份范圍內，顆粒間會發(fā)生交換耦合。由于交換耦合使顆粒的磁矩趨向平行排列，從而平均了單個顆粒的磁晶各向異性，并克服了退磁效應，使得樣品的平均各向異性顯

5、著降低，因此有效地地降低了矯頑力。 (2)研究了磁各向異性場Hk隨x的變化。結果表明隨著x的減小，樣品的Hk與Hc的變化趨勢相反，先增大后減小，在0.48

6、多見，預示該樣品具有很好的高頻應用前景。 (4)用δM(H)曲線對不同成份樣品的研究表明樣品的顆粒間存在鐵磁性相互作用，即交換耦合作用。并進一步用δM(H)曲線研究了顆粒間這種相互作用的大小和變化趨勢，發(fā)現隨著x的減小顆粒間交換耦合先增大后減小，在x=0.57時達到最大值。這是由于其微結構滿足實現交換耦合的最佳條件，顆粒之間交換耦合最強之故。 (5)穆斯堡爾譜測量結果表明： 1)交換耦合起顯著作用的樣品，磁矩位于

7、膜面內或與膜面成一較小的角度。在x=0.57時，磁矩與膜表面成的度角θ=0°，磁矩完全躺在膜面內，x=0.52的樣品，磁矩也幾乎躺在面內；而對于其他的樣品由于顆粒間交換耦合較弱導致磁矩較大地偏離膜面。 2)隨x減小，超精細場Hf下降，這與飽和磁化強度(Ms)隨x下降的規(guī)律一致，說明了顆粒表面效應導致磁性減小。 3)隨x增大，線寬增加，系由于界面效應所致。 4)對x非常低的樣品，如：x=0.22，穆斯堡爾譜呈現單峰

8、，系由于超順磁性所致。 (二)Fe65Co35-MgF2系統(tǒng)(1)濺射功率的大小對樣品的晶體結構以及能否實現軟磁性具有重大影響。在60 w功率下制備的樣品具有小的矯頑力，普遍小于10Oe：而200w下制備的樣品矯頑力很大，系由FeF2相的出現導致。 (2)對在60w濺射功率下制備的樣品，系統(tǒng)地研究了矯頑力Hc隨體積分數x的變化關系。在0.5

9、6.2 Oe。飽和磁化強度隨x的減小而減小，其原因與Fe65Co35-SiO2的一致。 (3)δM(H)曲線的研究結果表明：Fe65Co35-MgFz系統(tǒng)顆粒間的相互作用為類鐵磁性的相互作用，即交換耦合，它導致了低的矯頑力和高的磁導率。 三、高頻特性 利用短路微擾傳輸線法測量了樣品的高頻特性。 (1)對于Fe65Co35-SiO2系統(tǒng)，在0.48

10、率μ’和鐵磁共振頻率fr;并且在這一范圍內樣品具有很高的電阻率p，顆粒薄膜的這些性質預示著這種樣品具有很好的高頻應用前景。 (2)對于x=0.57的Fe65Co35-SiO2典型樣品，在f<1.3GHz時，實部磁導率μ’保持在170左右，而虛部磁導率較??；該樣品共振頻率f高達2.45GHz，表明有很好的高頻應用前景。此外，對于x=0.48的樣品，除了具有好的高頻性質外，還具有非常高的電阻率p=1.1×104μΩ·cm，預示著此樣

11、品在高頻應用下具有很小的渦流損耗。 (3)Fe65Co35-MgF2系統(tǒng)也顯示了很好的高頻性質。x=0.62的典型樣品，在f<1.0GHz時，復數磁導率的實部μ’>100，鐵磁共振頻率fr也高達2.4GHz，具有很好的高頻應用前景。 四、FeCo-SiO2樣品的傳輸性質以往對金屬—絕緣體顆粒膜的輸運性質研究主要集中在介質區(qū)，而本工作中，我們系統(tǒng)地研究了Fe65Co35-SiO2金屬—絕緣體顆粒膜在全成分范圍內的輸運性質。

12、 (一)在金屬區(qū)，即x>0.68時，ρδ∝T2，電阻溫度系數為正，即具有金屬性導電機制。 (二)在過渡區(qū)，當0.48