Karakterisasi Resonansi Magnetik dan Gelombang Mikro yang Bergantung Ketebalan dari Film FeCoBSi Berpola Garis Gabungan

Hasil dan diskusi

Gambar 1a menunjukkan skema penyiapan deposisi dengan medan magnet induksi eksternal. Medan magnet eksternal 500 Oe diterapkan selama deposisi untuk menginduksi anisotropi uniaksial dalam bidang. Metode pengangkatan diproses setelah pengendapan untuk mengekspos struktur film yang berpola. Gambar 1b menunjukkan gabungan struktur berpola garis dari film magnetik kami. Urutan lebar untuk setiap garis sesuai dengan masing-masing 5, 10, 15, 20, 25 μm, sedangkan jarak antara setiap garis ditetapkan pada 5 μm. Menurut penelitian kami sebelumnya, tidak ada puncak kristal yang jelas kecuali Si (111) dari substrat selama pengukuran XRD [18]. Oleh karena itu, struktur kristal film kami adalah amorf atau nanokristalin.

Sifat magnetik statis dari gabungan film berpola garis yang diendapkan pada ketebalan yang bervariasi dari 45 hingga 135 nm diselidiki. Sumbu mudah didefinisikan sebagai arah yang sama dengan arah medan magnet induksi sedangkan sumbu keras adalah ortogonal terhadapnya, Gambar 2. Menampilkan bagian dari M/Ms -H loop film, yang diukur di lapangan, berkisar antara 100 dan 100 Oe . Perbedaan antara sumbu mudah dan sumbu keras dengan jelas menunjukkan anisotropi uniaksial dalam bidang yang diinduksi, yang disumbangkan oleh medan magnet yang diinduksi serta anisotropi yang diinduksi bentuk-garis. Selanjutnya, loop histeresis pada Gambar. 2 mengungkapkan sifat magnetik lunak yang baik dengan H _ch serendah 13 Oe, di mana H _ch adalah koersivitas sepanjang sumbu keras dan H _ce adalah koersivitas sepanjang sumbu mudah. Dengan bertambahnya ketebalan film, H _ch akan menurun dari 32 Oe pada 45 nm menjadi 13 Oe pada 135 nm, yang sesuai dengan model anisotropi acak yang diusulkan oleh Herzer [19]. Semua detail dapat ditemukan di karya kami sebelumnya [18].

Loop histeresis dari gabungan film magnetik berpola garis dengan ketebalan berbeda. Hasilnya dipamerkan dari sumbu mudah-keras yang ditentukan oleh arah medan magnet yang diinduksi di setiap gambar. Dari a ke d , ketebalan film bervariasi dari 45 hingga 135 nm

Gambar 3 menunjukkan komponen real dan imajiner dari spektrum permeabilitas film berpola garis gabungan pada fungsi frekuensi dengan ketebalan yang berbeda. Sangat menarik untuk menemukan bahwa untuk t = 45 nm, ada puncak resonansi membelah yang muncul di f _rendah dan f _Tinggi frekuensi selama rentang frekuensi yang diukur, masing-masing. Menurut grafik ini, ketika t = 45 nm, tinggi sekitar 170 sedangkan f _rendah hanya mencapai sekitar 3,2 GHz dan f _Tinggi adalah sekitar 5 GHz. Saat ketebalan meningkat, nilai f _rendah meningkat sepanjang waktu. Untuk t = 135 nm, kami menemukan bahwa μ′ masih bisa tetap pada level 170, f _rendah meningkat ke nilai yang cukup besar 4,2 GHz secara bersamaan, sedangkan f _Tinggi mungkin berada di luar rentang frekuensi terukur 6 GHz. Pita resonansi, yang didefinisikan sebagai lebar penuh setengah maksimum (FWHM), diperluas hingga lebih dari 4 GHz pada ketebalan 45 nm yang lebih lebar dari FWHM film berpola garis-ganda dengan 2 GHz [18]. Ini mungkin membuka jalan yang lebih baik untuk aplikasi masa depan sebagai peredam EMI gelombang mikro pita lebar. Fenomena pita lebar disebabkan oleh medan anisotropik yang berbeda bentuk yang diinduksi oleh lima garis lebar yang berbeda. Pertimbangkan lebar celah tetap sebagai 5 m, yang cukup besar untuk memisahkan dua garis berurutan secara magnetis tanpa efek kopling. Dengan demikian, setiap strip sebenarnya independen satu sama lain yang mengarah ke respons magnetik terpisah di bawah eksitasi gelombang mikro. Respon total terhadap medan elektromagnetik frekuensi tinggi harus merupakan penjumlahan matematis dari lima garis lebar yang berbeda. Selain itu, anisotropi bentuk dapat memainkan peran penting untuk menentukan anisotropi efektif film, yaitu frekuensi resonansi [20]. Oleh karena itu, faktor demagnetisasi perlu diperhitungkan selama analisis mikromagnetik. Untuk menunjukkan sifat dinamis dari film tipis kami, rumus persamaan LLG Gilbert [21] dikombinasikan dengan efek demagnetisasi digunakan untuk menggambarkan fenomena frekuensi tinggi untuk film tipis magnetik dengan anisotropi uniaksial. Dengan demikian, permeabilitas frekuensi tinggi dapat dijelaskan dengan persamaan berikut:

Spektrum permeabilitas yang diukur pada suhu kamar dari film tipis FeCoBSi berpola garis gabungan dengan berbagai ketebalan mengungkapkan permeabilitas film yang sebenarnya (a ) dan menunjukkan permeabilitas imajiner (b )

dimana 4πM _s didefinisikan sebagai magnetisasi saturasi, α adalah faktor redaman, γ adalah rasio giromagnetik (1,76 × 10 ⁷ Oe ⁻¹ s ⁻¹ untuk paduan FeCo), H _e adalah anisotropi efektif yang diajukan, dan N _x , T _y , T _z adalah faktor demagnetisasi sepanjang tiga arah ortogonal, masing-masing. f _r dapat diturunkan dengan persamaan Kittle sebagai

Mengingat garis-garis dengan lebar berbeda yang disertakan dalam film kami, yang menginduksi anisotropi bentuk khas yang mengarah ke puncak resonansi terpisah, seluruh spektrum harus dicirikan sebagai penjumlahan matematis dari lima yang terpisah. Faktor demagnetisasi sepanjang x , y , dan z arah dapat ditulis sebagai [20]

dimana L adalah panjang sepanjang z -sumbu, W adalah lebar sepanjang x -sumbu, dan T adalah ketebalan sepanjang y -sumbu. Dengan rumus (3), (4), (5), dan rumus LLG, frekuensi resonansi yang sesuai dengan lebar pita magnet yang berbeda dari 5 hingga 25 μm dapat dihitung, masing-masing.

Gambar 4 menunjukkan frekuensi resonansi yang dihitung dari garis-garis yang berbeda dengan ketebalan yang berbeda dari 5 hingga 25 μm. Dalam perhitungan ini, α ditetapkan sebagai 0,03, yang berdampak kecil pada posisi frekuensi resonansi. Magnetisasi saturasi dan medan anisotropi in-plain efektif, yang keduanya diekstraksi dari hasil eksperimen film FeCoBSi lanjutan, ditetapkan sebagai 1345 emu/cm ³ dan 40 Oe [18], masing-masing. Dalam film magnetik amorf, anisotropi magnetokristalin dapat diabaikan mengarah ke peran yang lebih penting yang dimiliki oleh anisotropi bentuk dalam proses penentuan frekuensi resonansi, yang ditunjukkan pada [20]. Oleh karena itu, garis lebar yang berbeda harus berkontribusi pada puncak resonansi yang berbeda karena efek decoupling yang dipertahankan oleh celah, menghasilkan beberapa puncak resonansi dalam spektrum secara teoritis. Selain itu, dengan peningkatan ketebalan film, frekuensi resonansi utama akan meningkat dan perbedaan frekuensi antara strip dengan lebar yang berbeda (digambarkan pada Gambar 4) ditingkatkan. Oleh karena itu, ada efek posisi super yang kuat antara beberapa puncak resonansi jika ketebalan film cukup tipis di mana pita spektrum magnetik menunjukkan perilaku melebar yang nyata. Dengan bertambahnya ketebalan, efek superposisi tersebut melemah karena perbedaan frekuensi resonansi yang lebih jelas. Dengan peningkatan ketebalan di atas 110 nm, frekuensi resonansi garis-garis dengan lebar tertentu seperti 5 μm berada di luar rentang pengukuran kami karena area biru yang ditampilkan, menghasilkan FWHM yang lebih kecil dibandingkan dengan film 45 nm. Frekuensi resonansi juga dapat diprediksi dengan perhitungan matematis. Dengan menyetel lebar garis serta ketebalan film, setiap fenomena resonansi dapat dikontrol untuk aplikasi sebenarnya.

Perhitungan numerik frekuensi resonansi lebar strip yang berbeda tergantung pada ketebalan yang berbeda. Area biru menunjukkan rentang frekuensi pengukuran yang tersedia (hingga 6 GHz) untuk penyiapan kami

Asumsi bahwa efek pita lebar disebabkan oleh superposisi puncak resonansi independen yang diinduksi oleh garis terpisah dapat dipahami dengan jelas dari hasil pemasangan pada Gambar 5. Untuk memverifikasi asumsi kami, spektrum magnetik film berpola garis tunggal adalah dihitung juga. Dibandingkan dengan film berpola garis gabungan, frekuensi resonansi masing-masing garis jatuh dalam kisaran FWHM dari satu garis gabungan berpola seperti yang digambarkan area merah, yang mendukung asumsi kami bahwa fenomena pita lebar dari film berpola garis gabungan adalah karena superposisi puncak resonansi khas yang diinduksi oleh garis-garis yang berbeda.

Permeabilitas imajiner yang diukur dan dihitung untuk film tipis FeCoBSi berpola garis gabungan dengan T = 45 nm dan permeabilitas imajiner yang dihitung untuk garis-garis dengan lebar berbeda. Area merah sesuai dengan pita resonansi (FWHM) dari gabungan film berpola garis