Caracterización por resonancia magnética y de microondas dependiente del grosor de películas de FeCoBSi con patrón de rayas combinadas

Resumen

En este artículo, fabricamos una serie de películas magnéticas con patrones de varios pisos FeCoBSi con diferentes espesores mediante el método tradicional de litografía UV y deposición por pulverización catódica de CC. Se observó un fenómeno de banda de resonancia amplia durante la caracterización de propiedades de alta frecuencia, con la mitad de ancho máximo (FWHM) de 4 GHz cuando el espesor de la película es de 45 nm. El efecto de banda de resonancia amplia contribuyó a la existencia de múltiples picos de resonancia debido al ancho de banda diferente del patrón de banda combinado, que indujo un campo anisotrópico de forma diferente en cada banda. Cada pico de resonancia era independiente debido al espacio entre las rayas, lo que condujo a un método controlable para ajustar las propiedades de microondas de dicha estructura. Con el grosor variado, la banda de resonancia podría alterarse de acuerdo con la predicción matemática. Este trabajo presenta un método eficaz para ajustar la caracterización de la resonancia de microondas en la dinámica de magnetización.

Antecedentes

Con el rápido desarrollo de la tecnología de las telecomunicaciones, los problemas de inferencia electromagnética (EMI), que deterioran el rendimiento de dichos sistemas en alta frecuencia, atraen la atención del público de manera significativa [1,2,3,4,5]. Para satisfacer los requisitos de los materiales de blindaje EMI, se desean resonancias de banda ancha y controlables de películas magnéticas [6, 7]. Mientras tanto, un factor de amortiguación alto a la frecuencia diseñada contribuiría a la realización de dispositivos EMI prometedores [8, 9]. Debido a la anisotropía uniaxial en el plano de una película, podría dar lugar a propiedades magnéticas blandas a una frecuencia de gigahercios, por lo tanto, mejores propiedades de absorción, varios métodos que incluyen campo magnético inducido [10], estrés inducido [11] durante la deposición, diseño multicapa [12] , y post-recocido bajo campo magnético externo [13, 14], fueron investigados. Además, las películas magnéticas estampadas con anisotropía de forma inducida diseñadas por estructura artificial atraen gran atención del público debido a sus propiedades controlables y robustas [15, 16]. A la luz de esto, en nuestro trabajo anterior se propuso una película magnética basada en FeCo con un patrón de doble banda [17]. Durante el experimento se observó un fenómeno de banda ancha de resonancia con picos de resonancia doble, que se atribuyó a la superposición de una fuente de resonancia doble aportada por bandas magnéticas independientes.

Por lo tanto, en este artículo, con el fin de expandir aún más la banda de resonancia, presentamos películas delgadas de FeCoBSi con patrón de bandas combinadas únicas que contienen varias bandas con cinco anchos diferentes y analizamos la caracterización de resonancia de microondas debido a múltiples picos de resonancia con Landau-Lifshitz-Gilbert ( LLG) formulismo de movimiento procesional. El fenómeno de la banda de resonancia amplia se mejoró con la mitad del máximo de ancho completo (FWHM) de 4 GHz a un grosor delgado, es decir, 45 nm para nuestros experimentos. Mientras tanto, la alteración de la frecuencia de resonancia podría predecirse mediante la fórmula matemática relacionada con los factores de desmagnetización. Los resultados podrían ilustrarse aún más por la anisotropía efectiva inducida por la forma presentada debido al ancho de franja distinguido, que hizo posible el control mediante el proceso de litografía tradicional en la aplicación real.

Experimento

Fe ₆₆ Co ₁₇ B ₁₆ Si ₁ Se depositaron películas delgadas con diferentes espesores sobre sustratos de silicio (111) mediante pulverización catódica con magnetrón de CC a temperatura ambiente. Se aplicó un campo magnético externo de 500 Oe a lo largo del eje corto del sustrato para inducir anisotropía uniaxial en el plano como se muestra en la Fig. 1. Se utilizaron la tecnología tradicional de litografía ultravioleta (UV) y el método de despegue para fabricar los patrones de rayas combinados. Se procesaron películas de FeCoBSi con patrón de bandas combinadas que contenían varias bandas con diferentes anchos. Las rayas se organizaron sucesivamente con una secuencia de ancho de 5, 10, 15, 20 y 25 µm, respectivamente. Se fijó un espacio de separación de rayas distintivas en 5 µm. El espesor de las películas estampadas varió de 45 a 135 nm.

El esquema del campo magnético externo inducido durante la deposición ( a ) y películas magnéticas con dibujos de rayas combinadas ( b ). El ancho de cada franja fue de 5, 10, 15, 20 y 25 μm, respectivamente. El ancho del espacio entre dos franjas se fijó en 5 µm. El proceso de despegue se realizó después de la deposición para exponer la estructura final de la película

El espesor de las películas se determinó mediante observación transversal con microscopía electrónica de barrido (SEM). Las propiedades estáticas correspondientes de la película magnética, es decir, los bucles de histéresis, se midieron mediante un magnetómetro de muestra vibrante (VSM). Las propiedades de las microondas se caracterizaron por un método de perturbación de la línea de transmisión de micro-tira en corto conectado a un analizador de redes vectoriales en el rango de frecuencia de 0,5 a 6 GHz.

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra el esquema de la configuración de deposición con campo magnético inducido externo. Se aplicó un campo magnético externo de 500 Oe durante la deposición para inducir anisotropía uniaxial en el plano. El método de despegue se procesó después de la deposición para exponer a la estructura modelada de las películas. La Figura 1b muestra la estructura de patrón de rayas combinadas de nuestras películas magnéticas. La secuencia de ancho para cada franja corresponde a 5, 10, 15, 20, 25 µm, respectivamente, mientras que el espacio entre cada franja se fijó en 5 µm. Según nuestro trabajo anterior, no hubo picos cristalinos obvios excepto Si (111) de los sustratos durante la medición de XRD [18]. Por lo tanto, la estructura cristalina de nuestras películas era amorfa o nanocristalina.

Se investigaron las propiedades magnéticas estáticas de películas con patrones de bandas combinadas depositadas en espesores variables de 45 a 135 nm. El eje fácil se definió como la misma dirección del campo magnético inducido, mientras que el eje duro era ortogonal a él, Fig. 2. Partes presentes de M / Ms -Los bucles en H de las películas, que se midieron en el campo, oscilan entre 100 y - 100 Oe . Las diferencias entre el eje fácil y el eje duro muestran claramente la anisotropía uniaxial en el plano inducida, a la que contribuyó el campo magnético inducido, así como la anisotropía inducida por la forma de franja. Además, los bucles de histéresis en la Fig.2 revelaron propiedades magnéticas bien suaves con H _ch tan bajo como 13 Oe, donde H _ch es la coercitividad a lo largo del eje duro y H _ce es la coercitividad a lo largo del eje fácil. Con el aumento del espesor de la película, H _ch disminuiría de 32 Oe a 45 nm a 13 Oe a 135 nm, lo que estaba de acuerdo con el modelo de anisotropía aleatoria propuesto por Herzer [19]. Todos los detalles se pueden encontrar en nuestro trabajo anterior [18].

Los bucles de histéresis de películas magnéticas con patrones de bandas combinadas con diferentes espesores. Los resultados se muestran desde el eje fácil-duro definido por la dirección del campo magnético inducido en cada imagen. De a a d , el espesor de las películas varió de 45 a 135 nm

La Figura 3 muestra los componentes reales e imaginarios de los espectros de permeabilidad de películas con patrones de bandas combinadas en función de la frecuencia con diferentes espesores. Es interesante encontrar que para t =45 nm, hay picos de resonancia divididos que aparecen en f _bajo y f _Alto frecuencia sobre el rango de frecuencia medida, respectivamente. Según este gráfico, cuando t =45 nm, el μ ′ es alto en aproximadamente 170 mientras que el f _bajo apenas alcanza unos 3,2 GHz y f _Alto es de unos 5 GHz. A medida que aumenta el grosor, el valor de f _bajo aumenta todo el tiempo. Para t =135 nm, encontramos que μ ′ todavía puede permanecer en un nivel adecuado de 170, el f _bajo aumenta a un valor considerable de 4,2 GHz simultáneamente, mientras que f _Alto posiblemente esté fuera del rango de frecuencia medido de 6 GHz. La banda de resonancia, definida como la mitad del máximo de ancho completo (FWHM), se amplió a más de 4 GHz con un grosor de 45 nm, que es más ancho que el FWHM de las películas con patrón de doble banda con 2 GHz [18]. Puede allanar un mejor camino para futuras aplicaciones como absorbentes de EMI de microondas de banda ancha. El fenómeno de la banda ancha se debió a la forma diferente del campo anisotrópico inducido por cinco franjas de ancho diferente. Considere el ancho fijo del espacio como 5 μm, que es lo suficientemente grande como para separar magnéticamente las dos franjas consecutivas sin efecto de acoplamiento. Por lo tanto, cada franja era realmente independiente entre sí, lo que conducía a una respuesta magnética separada bajo excitación de microondas. La respuesta total al campo electromagnético de alta frecuencia debe ser una suma matemática de cinco franjas de ancho diferentes. Además, la anisotropía de la forma podría desempeñar un papel esencial para determinar la anisotropía efectiva de la película, es decir, la frecuencia de resonancia [20]. Por tanto, es necesario tener en cuenta el factor de desmagnetización durante el análisis micro-magnético. Para demostrar las propiedades dinámicas de nuestras películas delgadas, se utilizó la fórmula de la ecuación LLG Gilbert [21] combinada con el efecto de desmagnetización para describir el fenómeno de alta frecuencia para películas delgadas magnéticas con anisotropía uniaxial. Por lo tanto, la permeabilidad de alta frecuencia podría describirse mediante la siguiente ecuación:

Los espectros de permeabilidad medidos a temperatura ambiente de películas delgadas de FeCoBSi con patrón de bandas combinadas con varios espesores revelan la permeabilidad real de las películas ( a ) y exhiben la permeabilidad imaginaria ( b )

$$ \ mu =1 + \ frac {2} {3} \ frac {\ gamma 4 \ pi {M} _s \ left \ {\ gamma \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _x- {N} _z \ right) \ right] + i \ omega \ alpha \ right \}} {\ left \ {\ gamma \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ izquierda ({N} _x- {N} _z \ right) \ right] + i \ omega \ alpha \ right \} \ left \ {\ gamma \ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _y- {N} _z \ right) \ right] + i \ omega \ alpha \ right \} - {\ omega} ^ 2} $$ (1)

donde 4π M _s se define como magnetización de saturación, α es el factor de amortiguación, γ es la relación giromagnética (1,76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ para aleación de FeCo), H _e es anisotropía efectiva archivada, y N _x , N _y , N _z es el factor de desmagnetización a lo largo de tres direcciones ortogonales, respectivamente. f _r puede derivarse de la ecuación de Kittle como

$$ fr =\ frac {\ gamma} {2 \ pi} {\ left \ {\ frac {\ left [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ left ({N} _y- {N} _z \ derecha) \ derecha] \ izquierda [{H} _e + 4 \ pi {M} _s \ izquierda ({N} _x- {N} _z \ derecha) \ derecha]} {1 + 2 {a} ^ 2} \ right \}} ^ {1/2} $$ (2)

A la luz de las rayas con diferente ancho incluidas en nuestras películas, que indujeron una anisotropía de formas distintivas que condujeron a picos de resonancia divididos, todo el espectro debe caracterizarse como la suma matemática de cinco uno separado. El factor de desmagnetización a lo largo de x , años y z la dirección se puede escribir 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)

donde L es la longitud a lo largo de z -eje, W es el ancho a lo largo de x -axis y T es el espesor a lo largo de y -eje. Con la fórmula (3), (4), (5) y la fórmula LLG, se puede calcular la frecuencia de resonancia correspondiente a diferentes anchos de la banda magnética de 5 a 25 μm, respectivamente.

La Figura 4 muestra la frecuencia de resonancia calculada de distintas franjas con diferentes espesores de 5 a 25 μm. En este cálculo, α se estableció en 0.03, lo que tuvo un pequeño impacto en la posición de la frecuencia de resonancia. La magnetización de saturación y el campo de anisotropía en plano efectivo, que se extrajeron de los resultados experimentales de películas continuas de FeCoBSi, se establecieron en 1345 emu / cm ³ y 40 Oe [18], respectivamente. En las películas magnéticas amorfas, la anisotropía magnetocristalina podría ignorarse, lo que lleva a un papel más esencial que posee la anisotropía de forma en el proceso de determinación de la frecuencia de resonancia, que se demostró en [20]. Por lo tanto, diferentes franjas de ancho deberían contribuir a picos de resonancia distintivos debido al efecto de desacoplamiento mantenido por el espacio, que da como resultado múltiples picos de resonancia en el espectro teóricamente. Además, con el aumento del espesor de la película, aumentaría la frecuencia de resonancia principal y se mejoraría la diferencia de frecuencia entre las franjas de diferente ancho (representadas en la Fig. 4). Por lo tanto, existe un fuerte efecto de superposicionamiento entre múltiples picos de resonancia si el grosor de la película es lo suficientemente delgado, en cuyo caso la banda del espectro magnético mostró un comportamiento ensanchado pronunciado. Con el aumento del grosor, tal efecto de superposición se debilitó debido a la diferencia de frecuencia de resonancia más distintiva. Con el grosor aumentado por encima de 110 nm, la frecuencia de resonancia de las rayas con cierto ancho, como 5 μm, estaba fuera de nuestro rango de medición, ya que el área azul exhibida dio como resultado una FWHM más pequeña en comparación con la película de 45 nm. La frecuencia de resonancia también podría predecirse con respecto al cálculo matemático. Al ajustar el ancho de las rayas y el grosor de las películas, cada fenómeno de resonancia podría controlarse para su aplicación real.

Cálculo numérico de la frecuencia de resonancia de diferentes anchos de banda dependiendo de diferentes espesores. El área azul revela el rango de frecuencia de medición disponible (hasta 6 GHz) para nuestra configuración

La suposición de que el efecto de banda ancha se debe a la superposición del pico de resonancia independiente inducida por una franja separada se puede entender claramente a partir del resultado de ajuste en la Fig. 5. Para verificar nuestra suposición, el espectro magnético de la película con patrón de franja única fue calculado también. En comparación con la película con patrón de franjas combinadas, la frecuencia de resonancia de cada franja cayó en el rango de FWHM del patrón de franjas combinadas como el área roja representada, lo que respaldaba bien nuestra suposición de que el fenómeno de banda ancha de la película con patrón de franjas combinadas se debía a la superposición de picos de resonancia distintivos inducidos por diferentes franjas.

Permeabilidad imaginaria medida y calculada para película delgada de FeCoBSi con patrón de rayas combinadas con T =45 nm y permeabilidad imaginaria calculada para franjas de diferente ancho. El área roja corresponde a la banda de resonancia (FWHM) de películas con patrones de rayas combinadas

Conclusiones

En conclusión, hemos estudiado la caracterización por resonancia magnética y de microondas de FeCoBSi con patrón de bandas combinadas con diferentes espesores. En comparación con las antiguas películas con patrones de rayas dobles, el patrón FeCoBSi con patrones de cinco rayas podría extender la banda de resonancia (FWHM) aún más a 4 GHz. El fenómeno de la banda ancha podría controlarse ajustando el ancho de las diferentes bandas, así como el grosor de las películas magnéticas para cumplir con los requisitos de la aplicación real, lo que puede ser útil en los dispositivos EMI futuros.

Abreviaturas

EMI:: Inferencia electromagnética
FWHM:: Medio máximo de ancho completo
LLG:: Landau-Lifshitz-Gilbert

Análisis de impedancia de películas delgadas de perovskitas orgánico-inorgánicas CH3NH3PbI3 con control de microestructura Sílice recubierta de titanio sola y modificada con alginato de sodio como absorbentes de iones de metales pesados

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias