FeNHf軟磁薄膜中磁各向異性對太赫茲波調控的研究*

趙 磊，談 陽，章 強，邢園園，張曉渝

(蘇州科技大學 江蘇省微納熱流技術與能源應用重點實驗室，物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215009)

0 引 言

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1～10 THz(波長為3 000～30 μm)范圍內的電磁波，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合，是宏觀經典理論向微觀量子理論發展的過渡區，也是電子學和光子學的過渡區，稱為電磁波譜的“太赫茲空隙(THz gap)”[1]。當今，隨著5G通訊技術以及電子元器件的高頻化和小型化的發展，研究者們開始將目光聚焦在太赫茲波段薄膜材料的研究上。現在，調控太赫茲無源器件的方式有通過溫度對太赫茲器件進行調控[2-4]，但這種調制方式受調控速度的限制。通過外磁場對光子晶體帶隙和超材料結構等太赫茲器件調控研究[5-9]，而使用的材料通常需要1 T以上外磁場進行調制，通過光激勵等方式對太赫茲器件進行調控[10]。近期研究報道了用20 MV/m電場和1 ps周期的太赫茲場驅動磁動力學，研究了自旋進動和超快退磁化的效應[11]。本文在已有太赫茲器件研究的基礎上[12-15]，制備了具有高磁導率，低矯頑力的FeNHf軟磁薄膜，通過調控磁化強度方向來調控FeNHf薄膜的太赫茲波傳輸特性，研究FeNHf薄膜的太赫茲波響應機理，為進一步發展太赫茲波無源器件探索新的調制途徑。

1 實 驗

1.1 FeNHf薄膜樣品的制備

本文采用高真空射頻磁控濺射制備FeNHf薄膜，在電場作用下，電子與Ar原子和N原子碰撞發生電離產生Ar離子、N離子和新電子，接著Ar離子在電場的持續作用下，轟擊Fe靶以及Hf金屬片，濺射產生Fe原子以及Hf原子并與N離子反應，從而沉積在基片上形成薄膜。其中，射頻功率為80 W，起輝氣體為Ar，沉積氣體為N2，N2占總體積百分比約5%，沉積氣壓為0.3 Pa。基片是高透射率的載玻片玻璃，尺寸為10×10×0.5 mm3，使得整個薄膜能覆蓋太赫茲波腰束光斑。選用Fe靶的純度為99.99%，Fe靶表面上均勻放置2片Hf金屬片(3 mm×3 mm×0.2 mm)，控制FeNHf薄膜中的Hf原子百分比。

1.2 樣品的性能及表征

FeNHf薄膜的太赫茲傳輸特性是在氮氣環境下，采用太赫茲時域光譜測試系統(THz-TDS)進行測試的[16]，如圖1所示的FeNHf薄膜樣品在太赫茲測試系統的實驗圖。測試時，通過平面內旋轉薄膜90°方向達到調控薄膜難軸磁導率的方向分別與太赫茲波磁場方向平行和垂直。另外，FeNHf薄膜的厚度采用掃描電子顯微鏡(SEM)測量。FeNHf薄膜的原子組分比通過EDAX能譜測試得到。FeNHf薄膜樣品的磁導率是基于微擾理論的諧振腔法并采用網絡分析儀測試得到[17]。薄膜電阻率通過四電極的范德堡法測得，約285 μΩ·cm。

圖1 FeNHf薄膜樣品THz-TDS實驗圖

2 結果與討論

2.1 樣品組分及其表面形貌分析

圖2是EDAX能譜測試FeNHf軟磁薄膜的元素分析圖，Hf片的面積約為靶材面積的1%，圖中可以看出，FeNHf軟磁薄膜的組分中Fe的含量為89.65%(質量分數)，N的含量為5.32%(質量分數)，Hf的含量為5.03%(質量分數)。插圖為掃描電子顯微鏡測試沉積10 min的FeNHf薄膜的側面圖，其厚度約為53.8 nm，沉積速率為5.38 nm/min。

圖2 FeNHf薄膜元素分析和SEM截面圖

2.2 FeNHf薄膜樣品的磁性能分析

圖3(a)是FeNHf薄膜分別在難軸和易軸方向的磁滯回線。可以看出，FeNHf薄膜飽和磁化強度4πMs約為1.61 T，矯頑力為334.32 A/m，表現出較好的軟磁特性。

圖3(b)是FeNHf薄膜的復數磁導率與頻率的關系。可以看出，在0.5 GHz時，FeNHf薄膜在難軸方向的磁導率為410，共振頻率為1.48 GHz，而在易軸方向無法測得薄膜磁導率信號，說明在難軸和易軸兩個方向具有明顯差異的磁導率值，同時，利用Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)理論描述FeNHf薄膜的磁動力學行為[18-19]，其表示如下：

圖3 (a)FeNHf薄膜的磁滯回線；(b)FeNHf薄膜的復數磁導率與頻率曲線

(1)

式中，M表示飽和磁化強度，H表示各向異性磁場，γ表示旋磁比，α表示衰減系數。基于LLG方程，可以得到在高頻下薄膜面內難軸方向的復數磁導率公式：

(2)

其中，ω=2πf為角頻率，(ωr/γ)2=Ha(Ha+4πMs)和Δωr=αγ(2Ha+4πMs)，Ha是薄膜面內的磁各向異性場。根據PPMS測量FeNHf薄膜比磁化強度Ms，擬合磁導率實部和虛部數據，可以得到FeNHf薄膜的旋磁比γ=1.843×1011Hz/T，磁各向異性場Ha=2 537.65 A/m，衰減系數α=0.018。LLG擬合FeNHf薄膜的磁導率與實驗曲線呈現較好的一致性。FeNHf薄膜中弛豫時間τ為6.7×10-10s=670 ps，與自旋進動時間一致[20]。

2.3 FeNHf薄膜樣品的太赫茲波傳輸特性分析

圖4(a)是THz-TDS測試得到的FeNHf薄膜與玻璃基底的太赫茲時域譜。可以看出，太赫茲波透過薄膜后產生約3.56 ps的延遲，太赫茲波透射率發生明顯的下降。同時，當磁導率方向與太赫茲波磁場方向平行時，延遲時間略微再增加0.08 ps。通過圖4插圖中太赫茲波通過薄膜和基片的物理模型，E0(ω)為太赫茲源的信號強度，Eref(ω)和Efilm(ω)分別是太赫茲波透過基底和薄膜/基底的信號強度，則樣品透射率為[21]：

圖4 FeNHf薄膜太赫茲時域譜(a)和透射譜(b)，插圖為太赫茲波經過薄膜的示意圖

(3)

(4)

同時，通過實驗中獲得的透射信號幅值A、頻率ω和透射率T，從而可以得到FeNHf薄膜折射率實部：

(5)

式中：c為真空中的光速，φ為薄膜與基底信號的相位比值，d為薄膜厚度，ω為角頻率。

2.4 FeNHf薄膜樣品的折射率分析

圖5 FeNHf薄膜太赫茲折射譜

3 結 論

本文研究了具有磁各向異性FeNHf軟磁薄膜的太赫茲波傳輸特性，FeNHf薄膜磁化強度為1.61 T，矯頑力為334.32 A/m，旋磁比為1.843×1011Hz/T，衰減系數約為0.018。53 nm的FeNHf薄膜太赫茲波透射率不到10%，并在1.0 THz處出現共振現象，通過改變FeNHf薄膜磁化強度與太赫茲波磁場的方向，共振頻率移動了0.03 THz，調諧率約為3%，這主要是磁導率方向分別與太赫茲磁場處于垂直和平行時，各向異性場使得太赫茲波傳播方向折射率發生變化，引起太赫茲波下共振頻率的變化。研究軟磁薄膜在太赫茲波段的調制為太赫茲波無源器件的發展提供了途徑。