AlN-FeCoSiB復(fù)合薄膜的磁電各向異性研究.pdf

1、基于磁電效應(yīng)的磁電傳感器具有靈敏度和分辨力高、室溫工作、響應(yīng)頻率范圍寬、功耗小以及制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在地磁場(chǎng)、生物磁場(chǎng)等微弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域表現(xiàn)出非常好的應(yīng)用前景。磁電敏感單元具有高度各向異性是將磁電傳感器推向?qū)嵱没年P(guān)鍵。當(dāng)前有關(guān)各向異性的研究?jī)H限于塊體磁電復(fù)合材料，但各向異性較弱，在進(jìn)行微弱磁場(chǎng)探測(cè)時(shí)會(huì)導(dǎo)致較大測(cè)量誤差。磁電復(fù)合薄膜可以實(shí)現(xiàn)層與層之間原子尺度結(jié)合，各向異性的調(diào)控會(huì)更加容易，但目前未見這方面的報(bào)道。本文以AlN/FeCo

2、SiB復(fù)合薄膜體系為對(duì)象，首先采用微磁學(xué)模擬軟件OOMMF和多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL對(duì)不同長(zhǎng)寬比下的FeCoSiB條狀單元進(jìn)行形狀各向異性場(chǎng)的模擬和磁化狀態(tài)仿真，旨在探明通過改變磁性層的形狀各向異性來提高磁電各向異性的可行性。然后系統(tǒng)研究了采用射頻磁控濺射制備具有優(yōu)良?jí)弘娦訟lN薄膜和優(yōu)異磁性能FeCoSiB薄膜的工藝條件。在上述研究工作基礎(chǔ)上，通過硬掩膜法和光刻工藝將FeCoSiB薄膜制備成條狀單元，同時(shí)對(duì)AlN/FeCoSiB復(fù)

3、合薄膜的磁電各向異性進(jìn)行了測(cè)試。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴模擬和仿真結(jié)果表明，隨著FeCoSiB條狀單元長(zhǎng)寬比的增加，形狀各向異性場(chǎng)逐漸增大；此外，沿長(zhǎng)度和寬度方向施加一同樣大小直流磁場(chǎng)（Hdc=200 Oe）或交變磁場(chǎng)（Hac=1 Oe，f=1 kHz），長(zhǎng)度方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，而寬度方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小；這表明通過改變磁致伸縮相的形狀各向異性來提高磁電各向異性是可行的。⑵改變?yōu)R射參數(shù)不能顯著提高AlN薄膜（00

4、2）峰的強(qiáng)度，而退火熱處理能大幅度提高（002）擇優(yōu)取向，其中在500℃熱處理后AlN薄膜（002）衍射峰最強(qiáng)，且具有典型柱狀生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，壓電性能最好。FeCoSiB薄膜的矯頑力隨磁場(chǎng)退火溫度的升高具有先減小后增大的趨勢(shì)，其中350℃退火后的矯頑力最低，磁場(chǎng)靈敏度最好。對(duì)AlN/FeCoSiB復(fù)合薄膜進(jìn)行磁電效應(yīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在偏置磁場(chǎng)為10Oe、頻率為1 kHz下，正磁電電壓系數(shù)和逆磁電系數(shù)分別達(dá)到最大值101 V/cm·Oe和0.0943

5、 mG·cm/V，且交變磁場(chǎng)分辨率達(dá)到1.6 nT/√ Hz。同時(shí)，對(duì)摻雜Terfenol-D后的AlN/FeCoSiB復(fù)合薄膜進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在偏置磁場(chǎng)分別為11 Oe和96 Oe時(shí)，其磁電電壓系數(shù)分別達(dá)到最大值78.1 V/cm·Oe和77.5 V/cm·Oe。⑶在上述研究工作的基礎(chǔ)上，采用硬掩膜法將FeCoS iB薄膜的寬度從5 mm降低到260μm，沿長(zhǎng)度和寬度方向上的磁電電壓系數(shù)分別從1085 mV/cm·Oe和536.5 mV

6、/cm·Oe降低到489 mV/cm·Oe和54.5 mV/cm·Oe，磁電各向異性系數(shù)K提高了13倍左右；當(dāng)采用光刻工藝進(jìn)一步減小 FeCoSiB薄膜條狀單元的寬度到10μm，AlN/FeCoSiB復(fù)合薄膜沿長(zhǎng)度和寬度方向上的磁電電壓系數(shù)分別為867 mV/cm·Oe和0.78 mV/cm·Oe，相應(yīng)的磁電各向異性系數(shù)K達(dá)到1111.5。如果將具有該磁電各向異性系數(shù)的磁電復(fù)合薄膜用于測(cè)量50000 nT的地磁場(chǎng)，其噪聲信號(hào)可以降低到4