Caracterização de ressonância magnética e de micro-ondas dependente da espessura de filmes FeCoBSi padronizados de listras combinadas

Resumo

Neste artigo, nós fabricamos uma série de filmes magnéticos com padrões multistorizados FeCoBSi com diferentes espessuras pelo método tradicional de litografia UV e deposição por pulverização catódica DC. O fenômeno da banda de ressonância ampla foi observado durante a caracterização das propriedades de alta frequência, com largura total metade máxima (FWHM) de 4 GHz quando a espessura do filme é de 45 nm. O efeito de banda de ressonância ampla contribuiu para a existência de picos de ressonância múltiplos devido à largura de faixa diferente do padrão de faixa combinado, que induziu campo anisotrópico de formato distinto em cada faixa. Cada pico de ressonância era independente devido ao intervalo entre as listras, levando a um método controlável para sintonizar as propriedades de microondas dessa estrutura. Com a variação da espessura, a banda de ressonância pode ser alterada de acordo com a previsão matemática. Este trabalho apresenta um método eficaz para sintonizar a caracterização da ressonância de microondas na dinâmica de magnetização.

Histórico

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de telecomunicações, os problemas de inferência eletromagnética (IEM), que deterioram o desempenho de tais sistemas em alta frequência, atraem significativamente a atenção do público [1,2,3,4,5]. A fim de satisfazer os requisitos de materiais de blindagem EMI, banda larga e ressonâncias controláveis de filmes magnéticos são desejados [6, 7]. Enquanto isso, um alto fator de amortecimento na frequência projetada contribuiria para a realização de dispositivos EMI promissores [8, 9]. Devido à anisotropia uniaxial no plano de um filme pode levar a propriedades magnéticas bem suaves na frequência gigahertz, portanto, melhores propriedades de absorção, vários métodos incluindo campo magnético induzido [10], estresse induzido [11] durante a deposição, projeto de multicamadas [12] , e pós-recozimento sob campo magnético externo [13, 14], foram investigados. Além disso, filmes magnéticos padronizados com anisotropia de forma induzida projetados por estrutura artificial chamam grande atenção do público devido às suas propriedades controláveis e robustas [15, 16]. Em vista disso, o filme magnético à base de FeCo com padrão de faixa dupla foi proposto em nosso trabalho anterior [17]. Durante o experimento foi observado o fenômeno de banda larga de ressonância com picos de ressonância dupla, que foi atribuído à superposição de fonte de ressonância dupla contribuída por faixas magnéticas independentes.

Portanto, neste artigo, a fim de expandir a banda de ressonância, introduzimos uma única faixa combinada padronizada FeCoBSi filmes finos contendo várias faixas com cinco larguras diferentes e caracterização de ressonância de microondas analisada devido a múltiplos picos de ressonância com o Landau-Lifshitz-Gilbert ( LLG) formulismo de movimento processional. O fenômeno da banda de ressonância ampla foi aprimorado com largura total metade máxima (FWHM) de 4 GHz em espessura fina, ou seja, 45 nm para nossos experimentos. Enquanto isso, a alteração da frequência de ressonância poderia ser prevista pela fórmula matemática relacionada aos fatores de desmagnetização. Os resultados podem ser ainda ilustrados pela anisotropia efetiva induzida pela forma arquivada devido à largura de faixa diferenciada, que tornou possível o controle pelo processo de litografia tradicional na aplicação real.

Experimento

Fe ₆₆ Co ₁₇ B ₁₆ Si ₁ filmes finos com diferentes espessuras foram depositados em substratos de silício (111) por pulverização catódica DC magnetron à temperatura ambiente. Um campo magnético externo de 500 Oe foi aplicado ao longo do eixo curto do substrato para induzir a anisotropia uniaxial no plano, como mostrado na Fig. 1. A tecnologia de litografia ultravioleta (UV) tradicional e o método lift-off foram usados para fabricar os padrões de faixa combinados. Uma combinação de filmes de FeCoBSi com padrão de faixa contendo várias faixas com larguras diferentes foram processados. As listras foram dispostas sucessivamente com sequência de largura de 5, 10, 15, 20 e 25 μm, respectivamente. Uma lacuna de separação de listras distintas foi fixada em 5 μm. A espessura dos filmes padronizados variou de 45 a 135 nm.

O esquema do campo magnético induzido externo durante a deposição ( a ) e filmes magnéticos padronizados de listras combinadas ( b ) A largura de cada faixa foi de 5, 10, 15, 20 e 25 μm, respectivamente. A largura da lacuna entre duas faixas foi fixada em 5 μm. O processo de decolagem foi feito após a deposição para expor a estrutura final do filme

A espessura dos filmes foi determinada pela observação transversal em microscopia eletrônica de varredura (MEV). Propriedades estáticas correspondentes de filme magnético, isto é, loops de histerese, foram medidas por magnetômetro de amostra vibratória (VSM). As propriedades de micro-ondas foram caracterizadas por um método de perturbação de linha de transmissão de micro-faixa em curto conectado a um analisador de rede vetorial na faixa de frequência de 0,5–6 GHz.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra o esquema da configuração de deposição com campo magnético induzido externo. Um campo magnético externo de 500 Oe foi aplicado durante a deposição para induzir a anisotropia uniaxial no plano. O método de decolagem foi processado após a deposição para expor a estrutura padronizada dos filmes. A Figura 1b exibe a estrutura padronizada de faixa combinada de nossos filmes magnéticos. A sequência de largura para cada faixa corresponde a 5, 10, 15, 20, 25 μm, respectivamente, enquanto a lacuna entre cada faixa foi fixada em 5 μm. De acordo com nosso trabalho anterior, não houve picos cristalinos óbvios, exceto Si (111) dos substratos durante a medição de XRD [18]. Conseqüentemente, a estrutura cristalina de nossos filmes era amorfa ou nanocristalina.

As propriedades magnéticas estáticas de películas padronizadas de faixas combinadas depositadas em espessuras variadas de 45 a 135 nm foram investigadas. O eixo fácil foi definido como o mesmo que a direção do campo magnético induzido enquanto o eixo rígido era ortogonal a ele, Fig. 2. Partes atuais de M / Ms -H loops dos filmes, que foram medidos no campo, variam entre 100 e - 100 Oe . As diferenças entre o eixo fácil e o eixo rígido mostram claramente a anisotropia uniaxial induzida no plano, que foi contribuída pelo campo magnético induzido, bem como a anisotropia induzida por forma de faixa. Além disso, os loops de histerese na Fig. 2 revelaram propriedades magnéticas bem suaves com H _ch tão baixo quanto 13 Oe, onde H _ch é a coercividade ao longo do eixo rígido e H _ce é a coercividade ao longo do eixo fácil. Com o aumento da espessura do filme, H _ch diminuiria de 32 Oe em 45 nm para 13 Oe em 135 nm, o que estava de acordo com o modelo de anisotropia aleatória proposto por Herzer [19]. Todos os detalhes podem ser encontrados em nosso trabalho anterior [18].

Os loops de histerese de filmes magnéticos padronizados de faixa combinados com diferentes espessuras. Os resultados são exibidos a partir do eixo fácil-rígido definido pela direção do campo magnético induzido em cada imagem. De a para d , a espessura dos filmes variou de 45 a 135 nm

A Figura 3 mostra os componentes reais e imaginários dos espectros de permeabilidade de filmes padronizados de faixas combinadas na função de frequência com diferentes espessuras. É interessante descobrir que para t =45 nm, há picos de ressonância de divisão que aparecem em f _baixo e f _Alto frequência sobre a faixa de frequência medida, respectivamente. De acordo com este gráfico, quando t =45 nm, o μ ′ é alto em cerca de 170 enquanto o f _baixo atinge apenas cerca de 3,2 GHz e f _Alto é cerca de 5 GHz. Conforme a espessura aumenta, o valor de f _baixo aumenta o tempo todo. Para t =135 nm, encontramos que μ ′ ainda pode permanecer em um nível adequado de 170, o f _baixo aumenta para um valor considerável de 4,2 GHz simultaneamente, enquanto o f _Alta possivelmente está fora da faixa de frequência medida 6 GHz. A banda de ressonância, definida como largura máxima pela metade (FWHM), foi ampliada para mais de 4 GHz na espessura de 45 nm, que é mais larga do que o FWHM de filmes padronizados de faixa dupla com 2 GHz [18]. Pode abrir um caminho melhor para aplicações futuras como absorvedores de EMI de micro-ondas de banda larga. O fenômeno de banda larga foi devido ao campo anisotrópico de forma diferente induzido por cinco faixas de largura diferentes. Considere a largura fixa da lacuna como 5 μm, que é grande o suficiente para separar magneticamente as duas faixas consecutivas sem efeito de acoplamento. Assim, cada faixa era realmente independente uma da outra, levando a uma resposta magnética separada sob excitação de microondas. A resposta total ao campo eletromagnético de alta frequência deve ser uma adição matemática de cinco faixas de largura diferentes. Além disso, a anisotropia de forma pode desempenhar um papel essencial para determinar a anisotropia eficaz do filme, ou seja, a frequência de ressonância [20]. Portanto, é necessário levar em consideração o fator de desmagnetização durante a análise micromagnética. A fim de demonstrar as propriedades dinâmicas de nossos filmes finos, a fórmula da equação LLG Gilbert [21] combinada com o efeito de desmagnetização foi usada para descrever o fenômeno de alta frequência para filmes finos magnéticos com anisotropia uniaxial. Assim, a permeabilidade de alta frequência pode ser descrita pela seguinte equação:

Os espectros de permeabilidade medidos à temperatura ambiente de filmes finos de FeCoBSi padronizados de faixa combinados com várias espessuras revelam a permeabilidade real dos filmes ( a ) e exibir a permeabilidade imaginária ( b )
$$ \ mu =1 + \ frac {2} {3} \ frac {\ gamma 4 \ pi {M} _s \ left \ {\ gamma \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _x- {N} _z \ right) \ right] + i \ omega \ alpha \ right \}} {\ left \ {\ gamma \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ esquerda ({N} _x- {N} _z \ direita) \ direita] + i \ omega \ alpha \ right \} \ left \ {\ gamma \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _y- {N} _z \ right) \ right] + i \ omega \ alpha \ right \} - {\ omega} ^ 2} $$ (1)
onde 4π M _s é definido como magnetização de saturação, α é o fator de amortecimento, γ é a razão giromagnética (1,76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ para liga FeCo), H _e é anisotropia eficaz arquivada, e N _x , N _y , N _z é o fator de desmagnetização ao longo de três direções ortogonais, respectivamente. f _r pode ser derivado pela equação de Kittle como
$$ fr =\ frac {\ gamma} {2 \ pi} {\ left \ {\ frac {\ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _y- {N} _z \ right) \ right] \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _x- {N} _z \ right) \ right]} {1 + 2 {a} ^ 2} \ right \}} ^ {1/2} $$ (2)
À luz das faixas com larguras diferentes incluídas em nossos filmes, que induzem anisotropia de forma distinta levando a picos de ressonância divididos, todo o espectro deve ser caracterizado como adição matemática de cinco um separado. O fator de desmagnetização ao longo de x , y e z direção pode ser escrita como [20]
$$ {N} _y =\ frac {2} {\ pi} {\ tan} ^ {- 1} \ frac {T \ sqrt {W ^ 2 + {T} ^ 2 + {L} ^ 2}} { WL} $$ (3) $$ {N} _x =\ frac {2} {\ pi} {\ tan} ^ {- 1} \ frac {W \ sqrt {W ^ 2 + {T} ^ 2 + { L} ^ 2}} {TL} $$ (4) $$ {N} _z =1- {N} _x- {N} _y $$ (5)
onde L é o comprimento ao longo de z -eixo, W é a largura ao longo de x -axis, e T é a espessura ao longo de y -eixo. Com as fórmulas (3), (4), (5) e a fórmula LLG, a frequência ressonante correspondente a diferentes larguras da banda magnética de 5 a 25 μm pode ser calculada, respectivamente.

A Figura 4 exibe a frequência de ressonância calculada de listras distintas com diferentes espessuras de 5 a 25 μm. Neste cálculo, α foi definido como 0,03, o que teve um pequeno impacto na posição da frequência de ressonância. A magnetização de saturação e o campo de anisotropia em plano efetivo, que foram ambos extraídos dos resultados experimentais de filmes contínuos de FeCoBSi, foram fixados em 1345 emu / cm ³ e 40 Oe [18], respectivamente. Nos filmes magnéticos amorfos, a anisotropia magnetocristalina pode ser ignorada, levando a um papel mais essencial da anisotropia de forma no processo de determinação da frequência de ressonância, o que foi demonstrado em [20]. Portanto, faixas de largura diferente devem contribuir para picos de ressonância distintos devido ao efeito de desacoplamento mantido pelo gap, resultando em picos de ressonância múltiplos no espectro teoricamente. Além disso, com o aumento da espessura do filme, a frequência de ressonância principal aumentaria e a diferença de frequência entre as faixas de larguras diferentes (representadas na Fig. 4) aumentaria. Portanto, há um forte efeito de superposicionamento entre vários picos de ressonância se a espessura do filme for fina o suficiente, caso em que a banda do espectro magnético mostrou um comportamento pronunciado ampliado. Com o aumento da espessura, esse efeito de sobreposição foi enfraquecido por causa da diferença de frequência de ressonância mais distinta. Com a espessura aumentada acima de 110 nm, a frequência de ressonância de listras com certa largura, como 5 μm, estava fora de nossa faixa de medição, pois a área azul exibida, resultou em um FWHM menor em comparação com o filme de 45 nm. A frequência de ressonância também pode ser prevista em relação ao cálculo matemático. Ajustando a largura das faixas, bem como a espessura dos filmes, cada fenômeno de ressonância pode ser controlado para aplicação real.

Cálculo numérico da frequência de ressonância de diferentes larguras de faixa, dependendo das diferentes espessuras. A área azul revela a faixa de frequência de medição disponível (até 6 GHz) para nossa configuração

A suposição de que o efeito de banda larga é devido à superposição do pico de ressonância independente induzida por faixa separada pode ser entendida claramente a partir do resultado do ajuste na Fig. 5. A fim de verificar nossa suposição, o espectro magnético do filme padronizado de faixa única foi calculado também. Em comparação com o filme de faixa padronizada combinada, a frequência de ressonância de cada faixa caiu na faixa de FWHM de faixa padronizada combinada como a área vermelha representada, o que apoiou bem nossa suposição de que o fenômeno de banda larga do filme de faixa padrão combinado foi devido à superposição de picos de ressonância distintos induzidos por diferentes faixas.

Permeabilidade imaginária medida e calculada para filme fino FeCoBSi padronizado de faixa combinada com T =45 nm e permeabilidade imaginária calculada para listras com larguras diferentes. A área vermelha corresponde à banda de ressonância (FWHM) de filmes padronizados de faixa combinada

Conclusões

Em conclusão, estudamos a caracterização de ressonância magnética e de microondas de FeCoBSi padronizado de faixa combinada com diferentes espessuras. Em comparação com os filmes padronizados de faixa dupla anteriores, o padrão FeCoBSi padronizado de cinco faixas pode estender a banda de ressonância (FWHM) para 4 GHz. O fenômeno de banda larga pode ser controlado ajustando a largura de diferentes faixas, bem como a espessura dos filmes magnéticos, a fim de atender aos requisitos da aplicação real, o que pode ser útil em dispositivos EMI futuros.

Abreviações

EMI:: Inferência eletromagnética
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
LLG:: Landau-Lifshitz-Gilbert

Análise de impedância de filmes finos de perovskitas orgânico-inorgânicas CH3NH3PbI3 com controle de microestrutura Sílica revestida de titânia sozinha e modificada por alginato de sódio como sorventes para íons de metais pesados

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias