本发明涉及软磁薄膜材料技术领域，特别是涉及一种光学模铁磁共振增强的多层膜。
背景技术：
铁磁共振是铁磁物质在一定的外加恒定磁场和一定频率的微波磁场中，当满足一定条件时，产生强烈吸收共振的现象，其属于微波软磁材料的一种基本物理现象，利用铁磁共振现象做成的各种微波器件在通讯、信息、航空航天、军事等领域得到了广泛的应用。
其中，微波软磁材料的铁磁共振频率决定了微波器件的上限频率，随着科技的发展，微波器件的上限频率要求越来越高，相应地，对微波软磁材料的铁磁共振频率要求也越来越高。
微波软磁材料的共振频率主要包括声学模共振频率和光学模共振频率。现有技术中，微波软磁材料的声学模共振频率在微波器件中得到了较好地应用，但目前依靠提高声学模共振频率来获得更高的铁磁共振频率已经越来越困难；在多层膜体系，光学模共振频率一般高于声学模，但由于光学模的磁导率较低，没有得到实际应用。因此，如何在发挥光学模高铁磁共振频率特性的基础上，提高其磁导率，达到实用化程度，成为亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明实施例中提供了一种光学模铁磁共振增强的多层膜，基于光学模铁磁共振，来解决现有技术中提高微波软磁材料的铁磁共振频率和提高磁导率的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
一种光学模铁磁共振增强的多层膜，包括第一单轴磁各向异性层、非磁性隔离层和第二单轴磁各向异性层，所述非磁性隔离层夹设在所述第一单轴磁各向异性层和所述第二单轴磁各向异性层之间，所述第一单轴磁各向异性层和所述第二单轴磁各向异性层的易磁化轴方向一致，所述非磁性隔离层的厚度配置为使所述第一单轴磁各向异性层和所述第二单轴磁各向异性层反铁磁耦合。
优选地，所述第一单轴磁各向异性层和所述第二单轴磁各向异性层的厚度相同。
优选地，所述第一单轴磁各向异性层和/或所述第二单轴磁各向异性层的厚度为
优选地，所述第一单轴磁各向异性层和/或所述第二单轴磁各向异性层包括铁磁元素和掺杂元素，所述铁磁元素呈均匀分布，所述掺杂元素沿一方向呈梯度分布。
优选地，所述铁磁元素包括fe、ni、co中的一种或一种以上的组合。
优选地，所述掺杂元素包括非金属元素、金属元素和/或氧化物中的组合元素。
优选地，所述掺杂元素中的非金属元素包括b、c、n、o、si中的一种或一种以上的组合；所述掺杂元素中的金属元素包括hf、zr、al、nb、ta、ru、v、mo、w、cr中的一种或一种以上的组合；所述掺杂元素中的氧化物包括al2o3、mgo、zro2、zno、hfo2、sio2、tio2、ta2o5、v2o5、nd2o3、cr2o3、(ba,sr)tio3中的一种或一种以上的组合。
优选地，所述非磁性隔离层包括金属和/或氧化物。
优选地，所述非磁性隔离层中的金属包括ru、ta、au、hf、cr、nb中的一种或一种以上的组合；所述非磁性隔离层中的氧化物包括al2o3、mgo、sio2中的一种或一种以上的组合。
一种光学模铁磁共振增强的多层膜的制备方法，采用真空磁控溅射仪，所述方法包括：
步骤s100：在衬底上溅射第一单轴磁各向异性层；
步骤s200：在所述第一单轴磁各向异性层上均匀溅射一定厚度的非磁性隔离层；
步骤s300：在所述非磁性隔离层上溅射与所述第一单轴磁各向异性层的易磁化轴方向一致的第二单轴磁各向异性层，且非磁性隔离层的厚度配置为使所述第一单轴磁各向异性层和所述第二单轴磁各向异性层之间满足反铁磁耦合。
由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜中第一单轴磁各向异性层和第二单轴磁各向异性层的单轴磁各向异性保证了两单轴磁各向异性层在零偏执磁场下仍能沿着内生磁各向异性场保持磁损耗较小的铁磁共振；另外，第一单轴磁各向异性层和第二单轴磁各向异性层的反铁磁耦合作用，一方面使得具有相同易磁化轴方向的两单轴磁各向异性层的磁矩分别沿着相反方向的有效磁场进动，从而造成位相相反的两层单轴磁各向异性层的光学模铁磁共振振幅正叠加增强，从而提高磁导率；另一方面，强烈的反铁磁耦合场施加到进动的磁矩上，使得铁磁共振多层膜的光学模共振频率大幅提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜中光学模叠加示意图；
图4为图3中光学模叠加示意图的俯视图；
图5为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜中声学模叠加示意图；
图6为图4中声学模叠加示意图的俯视图；
图7为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜的制备方法流程示意图；
图8为本发明实施例中单轴磁各向异性层溅射示意图；
图9为本发明实施例中非磁性隔离层溅射示意图；
图1-图9中的符号表示为：1-第一单轴磁各向异性层，2-非磁性隔离层，3-第二单轴磁各向异性层，4-圆形转盘，51-铁磁母材料靶，52-掺杂元素靶，53-非磁性隔离层溅射靶，6-衬底。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
为了将微波软磁材料的光学模共振频率和磁导率开发利用，并使其达到实用化程度，本发明实施例提供了一种光学模铁磁共振增强的多层膜。图1为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜结构示意图一，图2为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜结构示意图二，如图1并结合图2所示，本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜包括第一单轴磁各向异性层1、非磁性隔离层2和第二单轴磁各向异性层3，非磁性隔离层2夹设在第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3之间，且第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的易磁化轴方向一致(如图1中的箭头表示方向)，磁矩取向相反(图2中的箭头表示方向)。其中，第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的单轴磁各向异性保证了两单轴磁各向异性层在零磁场下仍能沿着内生磁各向异性场保持磁损耗较小的铁磁共振。
另外，控制非磁性隔离层2至恰当的厚度使得第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3相互反铁磁耦合。在本发明实施例中，非磁性隔离层2的厚度选择
在本发明实施例中，第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的反铁磁耦合作用，一方面使得具有相同易磁化轴方向的两单轴磁各向异性层的磁矩分别沿着相反方向的有效磁场进动，从而造成位相相反的两层单轴磁各向异性层的光学模铁磁共振振幅正叠加增强，从而提高磁导率；另一方面，强烈的反铁磁耦合场施加到进动的磁矩上，使得铁磁共振多层膜的光学模共振频率大幅提高，使微波软磁材料的光学模达到实用化的程度。
为了便于本领域的技术人员更好地理解本发明实施例提供的光学模铁磁共振增强的多层膜中光学模共振频率和磁导率提高、声学模共振减弱的机理，以下结合附图进行详细说明。
图3为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜中光学模叠加示意图，其中，图3中的m1和m2分别代表第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的磁矩，m1和m2分别代表m1和m2在微波交变场hac方向上的投影，hk代表单轴磁各向异性场，jeff代表层间反铁磁耦合场，hac为铁磁共振时施加的微波场。
第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的层间反铁磁耦合使得磁矩m1和m2沿着磁场有效场heff(heff＝hk+jeff)在相反的方向上进动。图4为图3中光学模叠加示意图的俯视图，如图4所示，磁矩m1和m2沿着有效磁场heff在相反的方向上进动正好使反相(进动方向相反)的光学模共振振幅正叠加增强，从而提高磁导率。其中，光学模共振振幅在微波交变场hac上的和振幅mac＝2mcosωt，m＝m1＝m2。另外，强烈的反铁磁耦合场jeff施加到两单轴磁各向异性层进动的磁矩上，使得光学模共振频率大幅提高。
图5为本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜中声学模叠加示意图，图6为图5中声学模叠加示意图的俯视图，如图5并结合图6所示，磁矩m1和m2沿着有效磁场hk在相反的方向上进动正好使同相(进动方向相同)的声学模共振相互抵消。其中，声学模共振频率在微波交变场hac方向上的振幅恒为零，mac≡0。
据此可知，本发明实施例由单轴磁各向异性层和非磁性隔离层2组成的反铁磁耦合多层膜体系实现了光学模共振增强和声学模共振相消，从而使得其光学模共振频率比单层铁磁膜大幅提升2倍以上，在无外加偏置磁场条件下铁磁共振频率高达10ghz以上，且光学模磁导率高达10-30，远远高于普通多层膜光学模磁导率；表明本发明制备的磁各向异性反铁磁耦合多层膜在微波材料领用已经达到了实用化程度。
其中，本发明实施例提供的光学模铁磁共振增强的多层膜主要应用于微波器件中，需要两单轴磁各向异性层具有一定的厚度，否则由于总磁矩数太小，提供微波器件的磁影响太小，就会失去应用价值。但受到磁性多层膜层间交换耦合作用距离的限制，两单轴磁各向异性层又不能太厚，因此，两单轴磁各向异性层的厚度取值存在一个合理的范围。具体来说，两单轴磁各向异性层不能太薄，一方面是因为微波器件对大磁矩的要求，另一方面也是因为两单轴磁各向异性层太薄后很难实现层间反铁磁耦合；两铁磁层也不能太厚，因为被非磁性层隔开的两铁磁膜的层间耦合强度，不仅受非磁性层厚度的影响(越薄耦合强度越大)，还与铁磁膜厚度有关。在非磁性隔离层厚度一定的情况下，两铁磁层厚度存在一个厚度极大值，当其厚度超出这个极大值，超出部分的薄膜受层间耦合作用很弱，就会在原有反铁磁耦合基础上增加铁磁耦合成分，从而削弱光学模共振的相对强度，带来不利影响。
基于上述因素，在本发明一种优选实施例中，设定两单轴磁各向异性层的厚度下限和上限分别为
在本发明一种优选实施例中，第一单轴磁各向异性层1和/或第二单轴磁各向异性层3包括铁磁元素和掺杂元素。其中，铁磁元素呈均匀分布，掺杂元素沿一方向呈梯度分布，掺杂元素的梯度分布造成铁磁薄膜的单轴磁各向异性，即第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的易磁化轴方向由掺杂元素的梯度分布方向决定。
另外，铁磁元素可以选择fe、ni和co中的一种或一种以上的组合；掺杂元素可以选择非金属元素、金属元素和/或氧化物中的组合元素。其中，掺杂元素中的非金属元素可以选择b、c、n、o和si中的一种或一种以上的组合；掺杂元素中的金属元素可以选择hf、zr、al、nb、ta、ru、v、mo、w和cr中的一种或一种以上的组合；氧化物包括al2o3、mgo、zro2、zno、hfo2、sio2、tio2、ta2o5、v2o5、nd2o3、cr2o3和(ba,sr)tio3中的一种或一种以上的组合。其中，铁磁元素和掺杂元素的原子比例本领域的技术人员可以根据实际需要进行对应调整，例如，将铁磁元素的原子百分含量控制在55-98％，对应地，将掺杂元素的原子百分含量控制在2-45％。
在本发明一种优选实施例中，非磁性隔离层2可以选择金属和/或氧化物。其中，非磁性隔离层2中的金属可以选择ru、ta、au、hf、cr和nb中的一种或一种以上的组合；非磁性隔离层2中的氧化物可以选择al2o3、mgo、sio2和(ba,sr)tio3中的一种或一种以上的组合。
需要指出的是，上述光学模铁磁共振增强的多层膜中各层膜的元素组成仅是本发明实施例所列举的部分具体元素或氧化物，但自然界中的元素以及氧化物种类繁多，在本发明实施例中不可能穷举，则但凡能够满足上述性质的元素和/或氧化物的组合均应当落入本发明的保护范围之内。
另外，上述内容中仅示例性地列出了单轴磁各向异性层的设置方式(铁磁元素均匀分布，掺杂元素呈梯度分布)，以及两单轴磁各向异性层之间反铁磁耦合的实现方式(通过设置非磁性隔离层的厚度实现)，但应当理解的是，本领域的技术人员同样可以采用其它方式制备单轴磁各向异性层以及实现两单轴磁各向异性层之间的反铁磁耦合，本发明对此不做具体限定，也就是说，凡是具有第一单轴磁各向异性层、非磁性隔离层和第二单轴磁各向异性层的三层膜结构，且满足条件：两单轴磁各向异性层易磁化轴方向一致；两单轴磁各向异性层反铁磁耦合，均应当落入本发明的保护范围之内。
针对上述光学模铁磁共振增强的多层膜，在本发明实施例中还提供了一种光学模铁磁共振增强的多层膜的制备方法，其采用真空磁控溅射仪，如图7所示，该方法包括以下步骤：
步骤s100：在衬底6上溅射第一单轴磁各向异性层1；
图8为本发明实施例中单轴磁各向异性层溅射示意图，如图8所示，将衬底6贴于圆形转盘4上，设置铁磁母材料靶51(铁磁母材料靶51用于溅射铁磁元素)，使铁磁母材料靶51和衬底6平行，且铁磁母材料靶51的中心与衬底6的中心相对，则当圆形转盘4带动衬底6匀速转动时，由铁磁母材料靶51溅射的铁磁元素均匀溅射在衬底6上；设置掺杂元素靶52(掺杂元素靶52用于溅射掺杂元素)，使掺杂元素靶52的中心朝远离圆形转盘4中心的方向偏离衬底6的中心4-10cm，且调整掺杂元素靶52的倾角，使掺杂元素靶52的中心轴对准衬底6的外侧，则当圆形转盘4带动衬底6匀速转动时，由掺杂元素靶52溅射的掺杂元素沿图6中的方向l呈梯度分布在衬底6上。
在一种优选实施方式中，为了区分光学模铁磁共振增强的多层膜的各向异性方向，选择长条形衬底，将长条形衬底贴于圆形转盘4的边缘处，且长条形衬底的长度方向沿圆形转盘4的辐向设置，图8中的方向l即长条形衬底的长度方向。
在真空磁控溅射装置真空腔的真空压力低于5.0×10－6torr后，通入ar气，流量为20sccm，溅射工作气体压力为2.8mtorr；设定溅射功率和溅射时间，得到相应厚度的第一单轴磁各向异性层1。其中，根据铁磁母材料靶51和掺杂元素靶52的材质选择相应的溅射功率；根据单轴磁各向异性层的厚度选择相应的溅射时间(溅射时间越长，单轴磁各向异性层的厚度越厚)。
例如，当铁磁母材料靶51为fe0.5co0.5靶，掺杂元素靶52为b靶时，在溅射功率分别为80w和120w的条件下共溅射，溅射时间30min，可以镀得
当铁磁母材料靶51为fe0.7co0.3靶，掺杂元素靶52为b靶时，在溅射功率分别为80w和150w的条件下共溅射，溅射时间800s，可以镀得
当铁磁母材料靶51为fe0.5co0.5靶，掺杂元素靶52为al2o3靶时，在溅射功率分别为80w和120w的条件下共溅射，溅射时间880s，可以镀得
当铁磁母材料靶51为fe0.7co0.3靶，掺杂元素靶52为hf靶时，在溅射功率分别为80w和60w的条件下共溅射，溅射时间1000s，可以镀得
步骤s200：在所述第一单轴磁各向异性层1上均匀溅射一定厚度的非磁性隔离层2；
图9为本发明实施例中非磁性隔离层2溅射示意图，如图9所示，设置非磁性隔离层溅射靶53，使非磁性隔离层溅射靶53和衬底6平行，且非磁性隔离层溅射靶53的中心与衬底6的中心相对，则当圆形转盘4带动衬底6匀速转动时，由非磁性隔离层溅射靶53溅射的非磁性隔离层2元素均匀溅射在第一单轴磁各向异性层1上。
在真空磁控溅射装置真空腔的真空压力低于5.0×10－6torr后，通入ar气，流量为20sccm，溅射工作气体压力为2.8mtorr；设定溅射功率和溅射时间，得到厚度为
例如，当非磁性隔离层溅射靶53为ru靶时，在溅射功率为30w的条件下溅射，溅射时间为30min，可以镀得
当非磁性隔离层溅射靶53为ru靶时，在溅射功率为30w的条件下溅射，溅射时间1min，可以镀得
当非磁性隔离层溅射靶53为au靶时，在溅射功率为20w的条件下溅射，溅射时间1min，可以镀得
当非磁性隔离层溅射靶53为mgo靶时，在溅射功率为100w的条件下溅射，溅射时间10min，可以镀得
步骤s300：在所述非磁性隔离层2上溅射与所述第一单轴磁各向异性层1的易磁化轴方向一致的第二单轴磁各向异性层3，且非磁性隔离层2的厚度配置为使所述第一单轴磁各向异性层1和所述第二单轴磁各向异性层2之间满足反铁磁耦合。
在本步骤中采用与步骤s100相同的方法，在非磁性隔离层2上溅射第二单轴磁各向异性层3，其中，本步骤中掺杂元素靶52的设置方式与步骤s100中一致，以保证第一单轴磁各向异性层1和第二单轴磁各向异性层3的易磁化轴方向一致。另外，铁磁母材料靶51的设置方式以及溅射条件可参考步骤s100，本发明实施例中为了节约篇幅，在此不再赘述。
采用上述方法根据不同的溅射靶以及溅射条件即可得到对应的光学模铁磁共振增强的多层膜。例如，厚度分别为
以上是采用本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜制备方法所制备的几种示例性的光学模铁磁共振增强的多层膜，但应当指出的是，采用本方法所制备的光学模铁磁共振增强的多层膜并不限于此，本领域的技术人员可以根据实际需要对溅射靶以及溅射条件进行相应调整得到对应的光学模铁磁共振增强的多层膜，其均应当落入本发明的保护范围之内。
由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种光学模铁磁共振增强的多层膜中第一单轴磁各向异性层和第二单轴磁各向异性层的单轴磁各向异性保证了两单轴磁各向异性层在零偏执磁场下仍能沿着内生磁各向异性场保持磁损耗较小的铁磁共振；另外，第一单轴磁各向异性层和第二单轴磁各向异性层的反铁磁耦合作用，一方面使得具有相同易磁化轴方向的两单轴磁各向异性层的磁矩分别沿着相反方向的有效磁场进动，从而造成位相相反的两层单轴磁各向异性层的光学模铁磁共振振幅正叠加增强，从而提高磁导率；另一方面，强烈的反铁磁耦合场施加到进动的磁矩上，使得铁磁共振多层膜的光学模共振频率大幅提高。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。