1.2  高频软磁薄膜的研究现状

1.3  薄膜晶粒与软磁性能关系

     磁性材料包括多晶和单晶材料。对于多晶的磁性材料，单畴尺寸是一个十分关键的临界尺寸。多晶粒的磁性材料一般具有多畴的结构。通过形成畴壁来降低材料系统的总能量，提高材料体系的稳定性。当磁性材料的晶粒尺寸低于某一临界值后，如果此时仍为多畴结构的话，其畴壁能的大小甚至可能会超过形成单畴晶粒时所产生的退磁场能的大小。因此，畴壁的出现反而会增加材料体系的总能量，导致材料体系的稳定性变差。为了维持材料系统的稳定性，磁性材料晶粒将由原来的多畴结构逐渐变成单畴的结构，出现这一转换的临界尺寸即为磁性材料晶粒的单畴临界尺寸。这一尺寸的大小与磁性材料晶粒的形状、材料成分以及材料的晶型结构等都有很大的关联。对于传统的软磁材料，其平均晶粒的尺度一般可达到微米甚至毫米量级。并且由于磁性晶粒的平均尺寸较大，每个晶粒中的磁化强度矢量都将指向各个晶粒的易磁化方向，并在该方向形成磁畴。同时，由于每个磁畴中原子或离子的磁矩受交换或超交换作用的影响，为了满足能量最低的原则，将呈现平行排列的情况。而当软磁材料的平均晶粒尺寸大于其畴壁宽度 时，磁化过程将主要由晶界处的畴壁钉扎能来决定。根据畴壁钉扎理论，磁性材料的矫顽力和起始磁导率还可由下式表达：

其中 、 为常数。 、A、 、 、D分别是饱和磁化强度、交换常数、磁晶各向异性、交换耦合长度和晶粒尺寸的大小。

    对于软磁薄膜样品，当其晶粒的平均尺寸小于其单畴临界尺寸时，晶粒将更趋向于形成单畴结构。此时所有晶粒内的磁矩都将会平行取向。如果此时晶粒的间距也随之变小的话，则单畴晶粒间的铁磁交换作用将越来越大。为此，为了降低此时的交换能，晶粒中的所有磁矩将更倾向于平行的排列。此时，各个晶粒的磁化矢量将不再沿自己原来的易磁化方向取向。从而导致对软磁薄膜的磁性能起关键影响的也由每个晶粒的磁晶各向异性变成了对多个小晶粒统计平均结果的有效各向异性 。其值比 要小得多。平均涨落 = ，用 替代 得到 ，通过迭代计算得到 = 。假设磁性材料的磁化过程是通过自旋磁矩的一致转动来实现的，则磁性材料的矫顽力 ，起始磁导率 的表达式则仅与 有关，并由此可以导出：

 = 

此时，能够区分上述两种不同磁性晶粒(单畴和多畴)集合体情况的分界线，则应该由自然交换的相关长度 来给出：

其中 是衡量畴壁厚度大小的基本参数，是Herzer在Alben等人针对纳米晶软磁合金情况所作的理论扩展。这一理论也很好的解释了纳米晶软磁合金能够获得优异软磁性能的原因。当磁性薄膜的晶粒尺寸 时，其矫顽力 ，磁导率 ，因此磁性薄膜晶粒尺寸越小，其矫顽力也越小，其磁导率越大，其软磁性能可以得到明显改善。因此，纳米晶软磁薄膜材料的磁性能与其晶粒尺寸的大小有着十分密切的关系，要改善软磁薄膜材料的磁性能，必须要设法细化晶粒的平均尺寸。来~自^优尔论+文.网www.youerw.com/

1.4 本论文研究的意义与主要内容

通过以上的讨论可以看出，随着电子信息产业的迅猛发展，电子器件向着高效率、高频化、低维化和低损耗方向发展，制备具有优异磁性能和高频响应的软磁薄膜材料显得特别重要。FeCo合金薄膜由于具有极高的饱和磁化强度（可达24.5kG）而成为常用材料，但是其具有较高的磁晶各向异性常数K1（~1.0×104J/m3），因此较大的各向异性场导致较低的共振频率；此外，其具有较高的饱和磁致伸缩系数λs，因而具有较高的矫顽力（>50Oe)。这些都阻碍了FeCo合金薄膜在高频领域的应用。