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鐵磁共振參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制

發(fā)布時(shí)間：2017-09-01

微波鐵磁器件廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空航天、深空探測(cè)及精密測(cè)量等系統(tǒng)中，是現(xiàn)代微波電子設(shè)備不可缺少的基本元器件，這些應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)是共振參數(shù)，共振參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量決定了這些應(yīng)用質(zhì)量。遺憾的是共振參數(shù)的量值溯源一直未能解決。

筆者提出了采用鐵磁標(biāo)準(zhǔn)樣品建立量值溯源的方案，經(jīng)小范圍運(yùn)作，效果良好，共振線寬擴(kuò)展測(cè)量不確定度小于20%，可滿足科研和生產(chǎn)需要。課題的關(guān)鍵技術(shù)之一是研制一套性能穩(wěn)定、線寬重復(fù)性好、覆蓋范圍為(0.25～6.28)A/m的鐵磁標(biāo)樣。

一、鐵磁共振理論

鐵磁物質(zhì)的磁性來源于原子磁矩。鐵磁性物質(zhì)中電子的自旋交換作用形成磁有序，其內(nèi)部形成許多磁矩取向一致的微小自發(fā)磁化區(qū)(俗稱“磁疇”)。平時(shí)“磁疇”的排列方向是混亂的，所以對(duì)外不顯磁性。在足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用下，“磁疇”的排列方向有序，顯示出磁性。某些鐵磁材料在直流磁場(chǎng)和微波電磁場(chǎng)的共同作用下顯示出明顯的鐵磁共振現(xiàn)象，這在微波領(lǐng)域有重要應(yīng)用。處于穩(wěn)恒磁場(chǎng)和微波磁場(chǎng)H中的鐵磁物質(zhì)，它的微波磁感應(yīng)強(qiáng)度B可表示為
B=μ_{0μ_ijH(1)}

式中:μ_{ij――張量磁導(dǎo)率；μ_{0――真空中的磁導(dǎo)率。}}

式中:μ、K――張量磁導(dǎo)率的元素。其中，μ為對(duì)角分量，K為反對(duì)角分量，用公式表示如下:

μ=μ′-jμ″ (3)

K=K′-jK″ (4)

μ、K的實(shí)部和虛部隨B的變化曲線如圖1(a)、1(b)所示。

μ′、K′在B_{γ=ω_{0/γ處的數(shù)值和符號(hào)都劇烈變化，稱為色散。此時(shí)，μ″、K′達(dá)到極大值，稱為共振吸收，此現(xiàn)象即為鐵磁共振。這里ω_{0為微波磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，γ為鐵磁物質(zhì)的旋磁比。}}}

式中:μ_{B=h_{e/2m_{e=9.2741×10^{-24J?T^{-1，稱為玻爾磁子；h=6.6262×10^{-34J?s，是普朗克常數(shù)；g為朗德因子(度量軌道磁矩和自旋磁矩相對(duì)于總磁矩的貢獻(xiàn))。}}}}}}

μ″定義為鐵磁物質(zhì)能的損耗，鐵磁材料在頻率為f_{0的微波磁場(chǎng)中，且加在鐵磁材料樣品上的穩(wěn)恒磁場(chǎng)滿足B_{γ=B_{0=ω_{0/γ時(shí)，磁損耗最大。常用共振吸收線寬ΔB來描述鐵磁物質(zhì)的磁損耗大小。ΔB定義為μ″=0.5μm處對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)間隔(B_{2-B_{1)，即半高度寬度，如圖2所示。}}}}}}

<CTSM> 圖2 共振吸收線寬ΔB定義圖</CTSM>

二、鐵磁薄膜的磁損耗機(jī)理

鐵磁薄膜在GHz頻段的剩余損耗主要是自然共振損耗，在磁損耗中占很大的比重。

鐵磁薄膜的磁損耗分為本征損耗和非本征損耗兩類。本征損耗(也稱Gilbert損耗)來源于物質(zhì)最基本的性質(zhì)，例如自旋軌道相互耦合作用、磁結(jié)構(gòu)或晶格等；非本征損耗主要來源于樣品內(nèi)部的不均勻性。本征損耗是系統(tǒng)不可分割的一部分，來源于不可避免的因素，是不可被抑制的。而非本征損耗來源于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，強(qiáng)烈依賴于薄膜制備工藝，因此是可以被改變的。通過調(diào)整鐵磁的各種損耗，可以獲得需要的共振線寬值，滿足鐵磁標(biāo)樣覆蓋范圍的需要。

1.本征損耗

本征損耗來源于自旋-軌道耦合作用和自旋反轉(zhuǎn)。微波電磁場(chǎng)的一致進(jìn)動(dòng)能量，通過自旋-軌道耦合和載流子直接傳遞給晶格，稱為本征散射過程，如圖3所示。對(duì)于金屬薄膜的Gilbert損耗，最重要的貢獻(xiàn)是通過磁子和聲子由巡游傳導(dǎo)電子的不連續(xù)散射引起的。

<CTSM> 圖3 薄膜損耗機(jī)制示意圖</CTSM>

另一個(gè)過程發(fā)生在鐵磁性金屬中。當(dāng)磁化方向被改變時(shí)，費(fèi)米面的形狀也發(fā)生變化，因此，由于自旋軌道耦合的作用，一致進(jìn)動(dòng)將導(dǎo)致費(fèi)米面周期性的變化。對(duì)于自旋-軌道耦合導(dǎo)致的弛豫，其阻尼系數(shù)a(GHz^{-1?S^{-1)的微觀表達(dá)式為}}

式中:γ――鐵磁物質(zhì)的旋磁比，A/m^{-1?s^{-1；M_{s――飽和磁化強(qiáng)度，emu/cm^{3；E_{F――費(fèi)米能級(jí)，emu；g――朗德因子；τ――軌道弛豫時(shí)間，s；λ――自旋-軌道耦合系數(shù)。}}}}}

從Gilbert本征損耗阻尼系數(shù)的微觀表達(dá)式可以看出，對(duì)于金屬中的阻尼自旋-軌道耦合是非常重要的，因?yàn)槔实乱蜃尤Q于自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量的比值。所以，由此看出Gilbert損耗是物質(zhì)本身的內(nèi)稟屬性，與磁結(jié)構(gòu)或晶格等本身性質(zhì)有關(guān)。由Gilbert本征損耗導(dǎo)致的線寬在磁譜和鐵磁共振曲線上與微波頻率呈線性關(guān)系，與樣品的質(zhì)量和外加磁場(chǎng)的大小沒有直接關(guān)系。

2.非本征損耗

非本征損耗是指鐵磁性物質(zhì)中除了本征損耗外其他所有的磁損耗機(jī)制，主要有雙磁子散射和非均勻散射。如圖3所示，在雙磁子散射過程中，具有波矢k=0的一致進(jìn)動(dòng)磁子被湮滅，然后產(chǎn)生一個(gè)k≠0的磁子，由于這是一個(gè)自旋-自旋弛豫過程，所以總的磁子數(shù)量沒有改變。然而對(duì)于k≠0的磁子自旋不再互相平行，自旋一致進(jìn)動(dòng)通過這個(gè)過程將能量傳遞給自旋波，最終k≠0的自旋波將得到的能量轉(zhuǎn)移到晶格。例如雜質(zhì)、空洞、孔隙、非磁性相等，從一致進(jìn)動(dòng)到自旋波的散射才能產(chǎn)生，它們導(dǎo)致材料內(nèi)部的電子自旋在微波場(chǎng)的微擾下無法保持一致進(jìn)動(dòng)，偏移原來的有序排列狀態(tài)。

非本征損耗除了雙磁子散射外，還有很多不均勻因素，如多磁相結(jié)構(gòu)和不均勻性造成的彌散、顆粒尺寸的大小分布和界面與表面的粗糙度等也會(huì)產(chǎn)生散射作用，從而導(dǎo)致自旋波的衰減。在有些情況下這一部分的貢獻(xiàn)要比Gilbert本征損耗大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至還有可能超過雙磁子散射的貢獻(xiàn)。一般情況下，從鐵磁共振和磁譜虛部共振峰的形狀來看，Gilbert本征損耗和雙磁子散射導(dǎo)致的共振峰曲線為洛倫茲型，而非均勻散射為高斯型，所以可以從形狀上做一定的區(qū)分。

三、材料的選擇與鐵磁共振線寬的調(diào)整方法

由LLG方程和鐵磁共振線寬的定義，可以得到對(duì)掃場(chǎng)模式的測(cè)量，其線寬與阻尼系數(shù)α的關(guān)系為

式中:ΔH――共振線寬，A/m；ΔH_{0――本征線寬，A/m；α――阻尼系數(shù)，GHz^{-1?s^{-1；f――微波頻率，GHz；γ――鐵磁物質(zhì)的旋磁比，A/m^{-1?s^-1。}}}}

從式(7)看出要改變共振線寬，就只能改變非本征線寬。測(cè)試頻率是規(guī)定了的，對(duì)于確定的合金材料，γ系數(shù)也基本不變，只有通過改變阻尼系數(shù)才能改變線寬。標(biāo)樣的基本材料選用的是NiFe合金，通過以下方法來改變材料的阻尼系數(shù)。

1.改變材料配比獲得不同阻尼系數(shù)

以Ni1-xFex合金薄膜為例說明。由于Fe的磁晶各向異性常數(shù)K_{1=+48.1×10^{3J/m^{3，而Ni的磁晶各向異性常數(shù)K_{1=-5.48×10^{3J/m^{3。通過適當(dāng)?shù)呐浔?，比?i>x=20%左右，就可以獲得磁晶各向異性常數(shù)接近于零的優(yōu)異磁性材料，這就是工業(yè)界應(yīng)用廣泛的坡莫合金的配比。}}}}}}

在坡莫合金中，由于合金的有效磁晶各向異性接近于零，材料呈現(xiàn)各向同性，在良好的工藝情況下，坡莫合金呈現(xiàn)完美的立方結(jié)構(gòu)，材料中不存在非本征的雙磁子散射和非均勻散射，故而阻尼系數(shù)小，如圖4所示。

隨著Fe含量的增大，合金薄膜材料的磁晶各向異性常數(shù)越來越大，其非本征的雙磁子散射和非均勻散射增加，阻尼系數(shù)越大，線寬也就越大，圖4是試驗(yàn)結(jié)果，x為Fe在NiFe合金中的含量比。

<CTSM> 圖4 Ni1-xFex的鐵磁共振線寬和阻尼系數(shù)與x的關(guān)系</CTSM>

2.氧摻雜量可以改變阻尼系數(shù)

對(duì)NiFe合金薄膜，如果在濺射時(shí)通入適當(dāng)?shù)难鯕猓赡こ煞譃镹iFe+(NiFe)1-xOX的混合物。混合物是兩相磁性材料，這兩相的共振峰靠得較近，因此共振線寬被拓寬。另外隨著氧含量的增加，在材料中也會(huì)引入較多的缺陷，增加非本征雙磁子散射和非均勻散射，線寬也就越大。較大的線寬所需的外磁場(chǎng)越強(qiáng)，即諧振點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也就越大(見圖5)。通過摻雜，可以獲得大的諧振點(diǎn)和大的線寬。

<CTSM> 圖5 NiFe氧摻雜量與阻尼系數(shù)和磁化強(qiáng)度的關(guān)系</CTSM>

3.利用底層形貌與自旋泵浦效應(yīng)結(jié)合改變共振線寬

利用超高真空磁控濺射制備Ni81Fe19/CuNx異質(zhì)薄膜，改變氮?dú)夥謮簭?到20%制備不同的氮化銅薄膜。測(cè)試結(jié)果表明，覆蓋不同氮?dú)夥謮撼练e的氮化銅的Ni81Fe19/CuNx體系飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力等靜態(tài)磁參數(shù)并沒有區(qū)別，然而，覆蓋不同氮?dú)夥謮合翪uNx薄膜對(duì)鐵磁共振線寬和阻尼因子有顯著影響，基于底層形貌和自旋泵浦模型可對(duì)磁阻尼系數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行合理解釋。圖6是試驗(yàn)結(jié)果。

<CTSM> 圖6 底層形貌與自旋泵浦效應(yīng)結(jié)合改變NiFe合金的阻尼系數(shù)</CTSM>

四、鐵磁薄膜樣品的制備

根據(jù)理論分析結(jié)果，筆者設(shè)計(jì)并制備了多種鐵磁樣品，經(jīng)測(cè)量后修改配比、氧摻雜和形貌再次制作。經(jīng)過多次的設(shè)計(jì)-制備-測(cè)量-修改的循環(huán)，最終研制出一批線寬范圍為(0.125～6.28)A/m的樣品。經(jīng)高溫老化及反復(fù)磁化穩(wěn)定后，得到一批合乎要求的鐵磁共振參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)樣片。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于鐵磁材料存在磁滯效應(yīng)，掃場(chǎng)測(cè)量時(shí)的掃場(chǎng)測(cè)量范圍對(duì)共振點(diǎn)和共振線寬影響較大。為了保證樣片共振參數(shù)的一致性，嚴(yán)格給定樣品的測(cè)試頻率、掃場(chǎng)范圍和擬合分析磁場(chǎng)范圍，而且必須從高到低進(jìn)行掃場(chǎng)。

按規(guī)定的測(cè)試條件和分析磁場(chǎng)范圍，實(shí)驗(yàn)室1(Lab1)對(duì)樣品的線寬進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)每天進(jìn)行一組，每組重復(fù)10次。共進(jìn)行5組(5天)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)都重新裝卸樣品，并于系統(tǒng)校準(zhǔn)后進(jìn)行測(cè)量，以考核實(shí)際量值傳遞過程的重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1的“u_{A”欄，顯然u_{A小于標(biāo)準(zhǔn)樣品允差(±20%)的1/3，滿足標(biāo)樣要求的重復(fù)性。u_{A值采用合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差s_{p估算，即}}}}

式中:s_{j――第j組的10次重復(fù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差；x_{ji――第j組的i次測(cè)量數(shù)據(jù)；――第j組的10次測(cè)量平均值；n――組內(nèi)重復(fù)測(cè)量次數(shù)，10；u_{A――用A類評(píng)定方法獲得的不確定度分量；s_{p――共5組、每組10次重復(fù)測(cè)量的合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差；m――試驗(yàn)組數(shù)。}}}}

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一套樣品進(jìn)行測(cè)試，以考核實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試能力。測(cè)試方法與實(shí)驗(yàn)室1相同，其結(jié)果平均值的差異見表1“差異”欄。顯然，實(shí)驗(yàn)室間的差異值小于樣品允差，表明實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試系統(tǒng)符合要求，樣品的變動(dòng)性也符合要求。

六、均勻性檢驗(yàn)

依據(jù)JJF1006-1994《一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范》有關(guān)均勻性檢驗(yàn)的指引，采用F檢驗(yàn)法進(jìn)行均勻性檢驗(yàn)。F值的計(jì)算公式如下:

式中:――單元內(nèi)方差；――單元間方差；n――每單元重復(fù)測(cè)量次數(shù)；m――檢驗(yàn)抽取單元數(shù)；X_{ij――第i單元的第j次測(cè)量；――第i單元的n次測(cè)量平均值；X_{i――全部m個(gè)單元的n次測(cè)量總平均值。}}

本文選用置信概率為95%(a=0.05)作為檢驗(yàn)判據(jù)，則當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果F≤F〔a，(m-1)，m(n-1)〕時(shí)，單元間方差與單元內(nèi)方差無顯著性差異，樣品均勻；否則不均勻。

被檢驗(yàn)樣片為筆者于2012年6月6日制備的60mm×60mm、厚2mm的大樣片(編號(hào)#0606)，裁剪成4mm×4mm的225個(gè)小片中抽取的10個(gè)小片(單元)，編號(hào)為S1～S10。每個(gè)小片(單元)測(cè)量5次，按F檢驗(yàn)法判斷樣片的均勻性。檢驗(yàn)結(jié)論為“均勻”，如表2所示。

<CTSM> 表 2#0606號(hào)樣片均勻性檢驗(yàn)結(jié)果</CTSM>

七、結(jié)束語

筆者提出的用標(biāo)準(zhǔn)鐵磁樣片作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)通過共振線寬進(jìn)行量值傳遞的方法，經(jīng)理論與實(shí)驗(yàn)證實(shí)傳遞的不確定度達(dá)到科研和生產(chǎn)的需要，具有較好的應(yīng)用前景。

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