面内各向异性软磁薄膜的磁控溅射制备与表征(3)
非磁金属层与氧化物层对多层膜体系的性能的改善微观机制不同，但是总的来看，可以认为因为非磁层N的加入，由于载流电子的极化和类RKKY作用，可以有效地增强层间的磁耦合作用，进而改善了薄膜的软磁特性。
同时，由于非磁元素的加入，特别是引入氧化物绝缘层，可以很大程度上提高薄膜体系的电阻率，降低了高频下薄膜的涡流损耗，提高了体系的稳定性。
第二种{FM/AFM}型，即利用交换偏置效应调控薄膜的软磁性能。其中FM为铁磁层，AFM为反铁磁层（Antiferromagnetism, AFM）。交换偏置效应起源于材料中铁磁和反铁磁两相界面处的交换耦合作用 (Exchange Coupling)即界面处反铁磁相对于铁磁相的“钉扎”作用[1]，能使得原本关于原点对称的磁滞回线发生水平偏移即“偏置”。
交换偏置效应可以作为一种有效的调控手段去改变软磁薄膜体系的面内有效各向异性和铁磁共振频率，这得到了磁性材料学界的一直关注。对于某些面内单向磁各向异性性能优异的软磁金属薄膜，它们的铁磁共振频率可以达到GHz以上，这使得它们在噪声干扰抑制器、陷波滤波器、薄膜电感等微波集成器件中具有广阔的应用前景。于是国内外研究课题组便发展了多种调控手段去提高磁有效各向异性场，如发展倾斜溅射增强磁晶各向异性，发展出梯度共溅射制备方法来提高共振频率等[16]。
1.3 非磁元素掺杂
为了使磁性薄膜的磁晶各向异性更加明显，可以进行非磁元素的掺杂。因为非磁元素的掺杂能够使磁性薄膜的晶格点阵发生畸变，并且使得晶粒在晶界处易于析出。单层的非磁掺杂软磁金属薄膜的微观组织为纳米磁性晶粒均匀的分布在非晶态基体上[17]，常表现为颗粒膜。为了控制此类薄膜的磁电性能[18, 19]，可以对磁性晶粒与非晶态基体的相对含量进行调节。同样的，通过改变薄膜的组成与薄膜生长时的溅射角度、生长时的外加磁场以及真空环境下静磁场退火等溅射条件，纳米软磁颗粒膜可以获得优异的各向异性等软磁性能。这种纳米软磁颗粒膜电阻率调节范围很宽，使得此类薄膜在高频电子器件的发展和应用中拥有更广阔的前景。
1.4 软磁薄膜的重要参数
矫顽力是软磁薄膜乃至整个磁性材料领域具有举足轻重地位的静态性能参数之一，矫顽力的大小同时也是划分软磁材料和硬磁材料的唯一标准，一般可以认为矫顽力Hc小于50 Oe的材料为软磁材料。
作为与技术磁化有关的组织敏感因素，矫顽力在磁性薄膜体系中对其具有影响的因素有多，薄膜生长时产生的点阵畸变、内应力、晶粒的尺寸、弥散度和位向分布还有各向异性都会对软磁薄膜的矫顽力产生影响。其中磁各向异性具有许多不同的来源，包括由于晶向不同产生的磁晶各向异性、退磁能引起的形状各向异性和因磁弹性能产生的磁弹性各向异性等等[20]。
对于矫顽力，其随着晶粒尺寸的大小会发生变化即矫顽力尺寸效应，目前Herzer随机各向异性模型能够最好地解释此效应[21-24]，如下图1.1所示，在这个模型中，整个材料的尺度为Lex，假设每个晶粒相同且尺寸均为D，材料中的晶粒取向呈随机分布方式，晶粒的磁晶各向异性也呈现随机分布态势。
图1.1 Herzer随机各向异性场模型示意图
根据假设，则此磁性材料中的晶粒数目为N=(Lex/D)3。可以使用各个晶粒间以交换耦合形式产生的各向异性，得到材料的平均各向异性等效为整个材料体现出的有效各向异性，设为K。则：