舒暢，鄧聯(lián)文, ，楊兵初，熊健，左舜貴，梁麗杰

(1. 中南大學 物理科學與技術學院，湖南 長沙，410083；2．中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

信息技術的飛速發(fā)展和電子元器件的微型化趨勢對高頻磁性材料性能要求越來越高[1-2]。另一方面，電訊技術的發(fā)展也引發(fā)電磁干擾和電磁污染日趨嚴重，對能吸收衰減電磁波能量的吸波材料提出了迫切需求。FeCo類磁性納米顆粒膜在幾GHz頻段具有較高磁導率，并可以在一定頻段具有較高磁損耗，可以應用于高頻微磁器件或抗電磁干擾設計中。通過控制顆粒膜中金屬含量、顆粒粒度、顆粒間距等結構參量，可以實現(xiàn)對其電磁性能的剪裁調控[3]。磁性納米顆粒膜的微結構對其磁導率影響較大，納米薄膜材料特有的微結構使對磁導率的理論計算模擬成為可能?？刂拼判约{米顆粒膜的電磁參數(shù)對提高薄膜性能非常關鍵，通過理論計算微波磁導率可以指導薄膜材料設計和工藝優(yōu)化，從而提高實驗效率[4-6]。在此，本文作者在實驗研究 Co-A1-O磁性納米顆粒膜微波磁譜基礎上，結合Landau-Lifshitz-Gilbert理論和Bruggeman 有效媒質理論，計算模擬該類納米顆粒膜的有效磁導率，計算分析飽和磁化強度、各向異性場、阻尼系數(shù)和磁性相體積分數(shù)對磁性納米顆粒膜磁導率的影響。

1 實驗

使用JZCK-450SF型磁控濺射鍍膜設備，采用雙靶濺射技術制備Co-A1-O磁性納米顆粒膜。Ar和O2分別作為濺射氣體和工作氣體, Ar和 O2流量分別為1×10-6和0.167×10-6m3/s，基片旋轉速度為30 r/min。靶基距為10 cm，沉積時間為1 h，工作氣壓為1 Pa。靶材是純度為99.99%的Co和Al靶，Al靶的濺射功率固定為30 W，Co靶的濺射功率分別為10，20，30和40 W，濺射時間為60 min。采用Alpha-StepIQ臺階儀測量薄膜樣品厚度，使用原子力顯微鏡(AFM)觀測薄膜形貌，采用微帶線法在AV3629矢量網(wǎng)絡分析儀測量系統(tǒng)中測試薄膜試樣微波復磁導率的頻譜特性。

2 實驗結果與討論

2.1 表面形貌

圖 1所示為不同 Co濺射功率條件下制備的Co-Al-O薄膜的表面形貌。樣品的表面粗糙度依次為2.035，2.582，2.484和2.096 nm。根據(jù)濺射時間和臺階儀測得厚度，計算得濺射率依次為1.52，2.03，2.42和2.63 nm/min。制備薄膜試樣A和B使用的Co靶濺射功率較小，納米顆粒膜中的顆粒粒度較均勻；制備薄膜試樣C和D使用的Co靶濺射功率較大，顆粒膜的磁性顆粒粒度很不均勻，且大顆粒間有搭接現(xiàn)象，也有磁性小顆粒嵌入介質相中，相分布不太均勻，可能是濺射功率增大、粒子動能增加，使原子在基底表面的移動速率增加，導致顆粒生長速率增大，加速了粒子接合；另一方面，部分能量高的粒子會在撞擊點位上產生缺陷，使這些點位的結合能比鄰近位高，成為優(yōu)先成核的點位。薄膜邊界的結構不均勻可能來源于壓力/張力、重構、位錯等內在因素及非理想配比、擴散等外在因素[7]，這種結構的差異會引起自旋無序狀態(tài)存在，對薄膜自旋極化輸運和磁性能產生較大影響，從而影響其微波磁導率。

2.2 微波磁導率

不同Co靶濺射功率制備的Co-Al-O磁性納米顆粒膜試樣0.5～5.0 GHz的微波磁譜如圖2所示。從圖2可見：制備的Co-Al-O磁性納米顆粒膜試樣在0.5～5.0 GHz呈現(xiàn)明顯的共振型磁譜。由于包覆在Co磁性顆粒周圍的 Al2O3介質相很薄，網(wǎng)狀分布的介質相產生很多釘扎位點，在薄膜生長過程中可有效抑制磁性金屬顆粒長大，使磁性合金顆粒均勻細化，使得磁性顆粒間交換相互作用增強，有利于獲得高微波磁導率[8]。表1所示為從上述薄膜試樣磁譜獲得的磁參數(shù)值，可見：薄膜試樣 D的共振頻率最低，但其共振線寬 Δf最大；薄膜試樣C的共振頻率比薄膜試樣B的有所提高；隨濺射功率增加，薄膜試樣的共振線寬Δf增加；薄膜試樣B同頻率點的μ″比薄膜試樣A的μ″有較大提高。

圖1 不同Co靶濺射功率制備的試樣的原子力顯微形貌照片F(xiàn)ig.1 AFM images of Co-Al-O films sputtered with different Co powers

圖2 不同Co靶濺射功率制備的薄膜試樣的微波磁譜Fig.2 Complex permeability spectra of Co-Al-O films prepared by different Co power

表1 薄膜試樣的磁參量Table 1 Magnetic parameters of samples

根據(jù) Snoek 定律[9]fr=(γ/2π)·(4πMsHk)1/2，磁性材料的共振頻率主要與飽和磁化強度和各向異性場相關，隨二者乘積增大而增大。薄膜試樣D的各向異性場最低，是導致其共振頻率下降的主要原因。由原子力顯微(AFM)觀測分析知：薄膜試樣D的顆粒粒度和形狀不均勻性明顯，可能出現(xiàn)磁疇結構改變和疇壁數(shù)量增加，造成薄膜的各向異性場 Hk減??；此外，隨著Co靶濺射功率增加，彌散分布于 Al2O3非晶相中的 Co顆粒的晶向趨于無規(guī)取向，近鄰晶粒的易磁化方向的夾角大，晶粒間交換相互作用也可能減少體系的有效各向異性。薄膜試樣C的共振頻率比薄膜試樣B的高，可能與其具有較高的Ms有關。

共振線寬Δf逐漸增加的原因可能是隨Co含量增加，即磁性金屬體積分數(shù)增大，顆粒間因金屬顆粒電導引起的渦流損耗和因分布電容效應導致的弱位移電流渦流損耗增加，從而導致磁導率的共振線寬增大。制備薄膜試樣A時的使用的濺射功率較小，Co含量低，由于磁性相偏少、Al2O3非晶相增多導致微結構效應，降低了磁性顆粒的粒徑，使顆粒間的相互作用減弱；此外，由于多數(shù)Co磁性顆粒被Al2O3非晶相包覆，使磁性粒子與 Al2O3相的界面大大增加，并使得毗鄰 Al2O3的表層 Co原子的磁矩因界面能而嚴重扭變，因此，磁性粒子表層可能出現(xiàn)部分非磁性相，也使共振頻率附近μ″減小[10]。

3 磁性納米顆粒膜磁譜的計算模擬

3.1 磁譜計算方法

由Landau-Lifshitz-Gilbert方程[11]，采用線性近似的方法求得磁性顆粒的復磁導率μ為：

其中：Ms為飽和磁化強度；Hk為各向異性磁場強度；γ為旋磁比，取值為 2×105Hz·m/A；ω=2πf，f為頻率；α為無量綱的阻尼系數(shù)。

通常磁性納米顆粒膜中磁性金屬含量較高，微粒間的相互作用較強，可以采用Bruggeman平均場理論來研究顆粒膜復合體的等效電磁參量，薄膜有效磁導率的Bruggeman方程為：

其中：φ為磁性顆粒的體積分數(shù)；μ為單個磁性顆粒的磁導率；μeff為薄膜的有效磁導率。通過式(1)和(2)以及典型的薄膜參數(shù)可以計算磁性納米顆粒膜的有效磁導率。

3.2 電磁參數(shù)對薄膜磁導率的影響

由公式計算不同飽和磁化強度對薄膜磁導率的影響如圖3所示。計算取φ=0.5，α=0.008，Hk=10 kA/m，Ms分別為1.4，1.6和1.8 MA/m。Ms增高使顆粒膜起始磁導率增大，共振頻率附近的μ′和μ″都增大，共振頻率fr也明顯提高。薄膜試樣C的共振頻率與薄膜試樣B的相比有所增加，可能與Ms的增大有關[12]。原子力顯微鏡分析顯示薄膜試樣C表面有大顆粒團聚，而薄膜試樣B的顆粒粒度較均勻。

不同磁各向異性場對磁導率的影響如圖4所示。計算取Ms=1.4 MA/m，φ=0.5，α=0.008，Hk分別為8，10和12 kA/m。從圖4可見：隨著Hk增大，薄膜的起始磁導率降低，fr明顯提高，但 μ′和 μ″也降低。隨機分布的磁性納米晶粒之間的交換耦合相互作用導致有效磁各向異性發(fā)生變化[13]，與實驗發(fā)現(xiàn)的薄膜試樣D的共振頻率顯著下降源于Hk的減小現(xiàn)象一致。各向異性場的變化可能與顆粒間的相互作用強度、顆粒粒度、顆粒間距、原子對的方向有序等因素有關[14]。

圖3 飽和磁化強度Ms對磁導率的影響Fig.3 Complex permeability spectra with different Ms

圖4 磁各向異性場Hk對磁導率的影響Fig.4 Complex permeability spectra with different Hk

不同阻尼系數(shù)對磁導率的影響曲線如圖5所示。計算選取 Ms=1.4 MA/m，Hk=10.0 MA/m，φ=0.5，α分別取0.003，0.006和 0.009。從圖5可見：隨著 α的增大，μ″的共振線寬Δf明顯變寬；與實驗發(fā)現(xiàn)的隨Co靶濺射功率增大導致阻尼系數(shù)增大，從而使薄膜的共振線寬Δf逐漸變寬的現(xiàn)象一致。

圖5 阻尼系數(shù)α對磁導率的影響Fig.5 Complex permeability spectra with different α

不同磁性金屬 Co的體積分數(shù)對磁導率的影響如圖6所示。計算選取Ms=1.6 MA/m，α=0.009，Hk=10.0 kA/m，φ分別取0.5，0.6和0.7。從圖6可見：隨磁性相體積分數(shù)增大，薄膜的起始磁導率升高[15]，fr無明顯變化，共振頻率附近μ′和μ″增加，與實驗結果基本一致。

圖6 體積分數(shù)φ對磁導率的影響Fig.6 Complex permeability spectra with different φ

4 結論

(1) 制備薄膜試樣使用的Co靶濺射功率越大，使近鄰晶粒易磁化方向的夾角變大，晶粒間交換相互作用可能減少體系的有效各向異性，造成共振頻率變低。實驗結果與計算模擬發(fā)現(xiàn)的Hk減小導致fr明顯降低的趨勢基本一致。

(2) 制備工藝導致的Co-A1-O磁性納米顆粒膜的微結構和微觀形貌方面的差異，使薄膜的磁性和微波磁譜出現(xiàn)明顯差異；實驗現(xiàn)象與計算模擬所得結果基本一致。

(3) Co靶濺射功率提高，可導致顆粒間因分布電容效應引起的弱位移電流渦流損耗增加，導致薄膜磁譜的共振線寬Δf增加。實驗結果與模擬阻尼系數(shù)增大導致磁譜共振線寬增大的趨勢基本一致。

(4) 磁性納米顆粒膜材料的本征特性、微結構、均勻性、雜質性質和含量、各向異性等對其微波磁導率有重要影響，且這些因素之間構成復雜關聯(lián)關系。理論計算模擬結果對設計制備納米顆粒膜具有一定指導意義。

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