FeNHf软磁薄膜中磁各向异性对太赫兹波调控的研究*

赵 磊，谈 阳，章 强，邢园园，张晓渝

(苏州科技大学 江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室，物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009)

0 引 言

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz(波长为3 000～30 μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论发展的过渡区，也是电子学和光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”[1]。当今，随着5G通讯技术以及电子元器件的高频化和小型化的发展，研究者们开始将目光聚焦在太赫兹波段薄膜材料的研究上。现在，调控太赫兹无源器件的方式有通过温度对太赫兹器件进行调控[2-4]，但这种调制方式受调控速度的限制。通过外磁场对光子晶体带隙和超材料结构等太赫兹器件调控研究[5-9]，而使用的材料通常需要1 T以上外磁场进行调制，通过光激励等方式对太赫兹器件进行调控[10]。近期研究报道了用20 MV/m电场和1 ps周期的太赫兹场驱动磁动力学，研究了自旋进动和超快退磁化的效应[11]。本文在已有太赫兹器件研究的基础上[12-15]，制备了具有高磁导率，低矫顽力的FeNHf软磁薄膜，通过调控磁化强度方向来调控FeNHf薄膜的太赫兹波传输特性，研究FeNHf薄膜的太赫兹波响应机理，为进一步发展太赫兹波无源器件探索新的调制途径。

1 实 验

1.1 FeNHf薄膜样品的制备

本文采用高真空射频磁控溅射制备FeNHf薄膜，在电场作用下，电子与Ar原子和N原子碰撞发生电离产生Ar离子、N离子和新电子，接着Ar离子在电场的持续作用下，轰击Fe靶以及Hf金属片，溅射产生Fe原子以及Hf原子并与N离子反应，从而沉积在基片上形成薄膜。其中，射频功率为80 W，起辉气体为Ar，沉积气体为N2，N2占总体积百分比约5%，沉积气压为0.3 Pa。基片是高透射率的载玻片玻璃，尺寸为10×10×0.5 mm3，使得整个薄膜能覆盖太赫兹波腰束光斑。选用Fe靶的纯度为99.99%，Fe靶表面上均匀放置2片Hf金属片(3 mm×3 mm×0.2 mm)，控制FeNHf薄膜中的Hf原子百分比。

1.2 样品的性能及表征

FeNHf薄膜的太赫兹传输特性是在氮气环境下，采用太赫兹时域光谱测试系统(THz-TDS)进行测试的[16]，如图1所示的FeNHf薄膜样品在太赫兹测试系统的实验图。测试时，通过平面内旋转薄膜90°方向达到调控薄膜难轴磁导率的方向分别与太赫兹波磁场方向平行和垂直。另外，FeNHf薄膜的厚度采用扫描电子显微镜(SEM)测量。FeNHf薄膜的原子组分比通过EDAX能谱测试得到。FeNHf薄膜样品的磁导率是基于微扰理论的谐振腔法并采用网络分析仪测试得到[17]。薄膜电阻率通过四电极的范德堡法测得，约285 μΩ·cm。

图1 FeNHf薄膜样品THz-TDS实验图

2 结果与讨论

2.1 样品组分及其表面形貌分析

图2是EDAX能谱测试FeNHf软磁薄膜的元素分析图，Hf片的面积约为靶材面积的1%，图中可以看出，FeNHf软磁薄膜的组分中Fe的含量为89.65%(质量分数)，N的含量为5.32%(质量分数)，Hf的含量为5.03%(质量分数)。插图为扫描电子显微镜测试沉积10 min的FeNHf薄膜的侧面图，其厚度约为53.8 nm，沉积速率为5.38 nm/min。

图2 FeNHf薄膜元素分析和SEM截面图

2.2 FeNHf薄膜样品的磁性能分析

图3(a)是FeNHf薄膜分别在难轴和易轴方向的磁滞回线。可以看出，FeNHf薄膜饱和磁化强度4πMs约为1.61 T，矫顽力为334.32 A/m，表现出较好的软磁特性。

图3(b)是FeNHf薄膜的复数磁导率与频率的关系。可以看出，在0.5 GHz时，FeNHf薄膜在难轴方向的磁导率为410，共振频率为1.48 GHz，而在易轴方向无法测得薄膜磁导率信号，说明在难轴和易轴两个方向具有明显差异的磁导率值，同时，利用Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)理论描述FeNHf薄膜的磁动力学行为[18-19]，其表示如下：

图3 (a)FeNHf薄膜的磁滞回线；(b)FeNHf薄膜的复数磁导率与频率曲线

(1)

式中，M表示饱和磁化强度，H表示各向异性磁场，γ表示旋磁比，α表示衰减系数。基于LLG方程，可以得到在高频下薄膜面内难轴方向的复数磁导率公式：

(2)

其中，ω=2πf为角频率，(ωr/γ)2=Ha(Ha+4πMs)和Δωr=αγ(2Ha+4πMs)，Ha是薄膜面内的磁各向异性场。根据PPMS测量FeNHf薄膜比磁化强度Ms，拟合磁导率实部和虚部数据，可以得到FeNHf薄膜的旋磁比γ=1.843×1011Hz/T，磁各向异性场Ha=2 537.65 A/m，衰减系数α=0.018。LLG拟合FeNHf薄膜的磁导率与实验曲线呈现较好的一致性。FeNHf薄膜中弛豫时间τ为6.7×10-10s=670 ps，与自旋进动时间一致[20]。

2.3 FeNHf薄膜样品的太赫兹波传输特性分析

图4(a)是THz-TDS测试得到的FeNHf薄膜与玻璃基底的太赫兹时域谱。可以看出，太赫兹波透过薄膜后产生约3.56 ps的延迟，太赫兹波透射率发生明显的下降。同时，当磁导率方向与太赫兹波磁场方向平行时，延迟时间略微再增加0.08 ps。通过图4插图中太赫兹波通过薄膜和基片的物理模型，E0(ω)为太赫兹源的信号强度，Eref(ω)和Efilm(ω)分别是太赫兹波透过基底和薄膜/基底的信号强度，则样品透射率为[21]：

图4 FeNHf薄膜太赫兹时域谱(a)和透射谱(b)，插图为太赫兹波经过薄膜的示意图

(3)

(4)

同时，通过实验中获得的透射信号幅值A、频率ω和透射率T，从而可以得到FeNHf薄膜折射率实部：

(5)

式中：c为真空中的光速，φ为薄膜与基底信号的相位比值，d为薄膜厚度，ω为角频率。

2.4 FeNHf薄膜样品的折射率分析

图5 FeNHf薄膜太赫兹折射谱

3 结 论

本文研究了具有磁各向异性FeNHf软磁薄膜的太赫兹波传输特性，FeNHf薄膜磁化强度为1.61 T，矫顽力为334.32 A/m，旋磁比为1.843×1011Hz/T，衰减系数约为0.018。53 nm的FeNHf薄膜太赫兹波透射率不到10%，并在1.0 THz处出现共振现象，通过改变FeNHf薄膜磁化强度与太赫兹波磁场的方向，共振频率移动了0.03 THz，调谐率约为3%，这主要是磁导率方向分别与太赫兹磁场处于垂直和平行时，各向异性场使得太赫兹波传播方向折射率发生变化，引起太赫兹波下共振频率的变化。研究软磁薄膜在太赫兹波段的调制为太赫兹波无源器件的发展提供了途径。