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超宽带微波噪声滤波器：混合反铁磁/铁磁交换耦合多层膜
Nguyen N. Phuoc，Feng Xu和C. K. Ong
引用：Applied Physics Letters 94,092505（2009）; doi：10.1063 / 1.3094881
在线查看：http：//dx.doi.Org/10.1063/1.3094881
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由AIP出版社出版
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超宽带微波噪声滤波器：混合反铁磁/铁磁交换耦合多层膜
Nguyen N. Phuoc，Feng Xu和C. K. Ong
新加坡国立大学物理系，超导和磁性材料研究中心，2 Science Drive 3，Singapore 117542，新加坡（2009年1月19日接收; 2009年2月13日修订; 2009年3月6日发表）
使用射频溅射沉积方法(射频溅射是利用射频放电等离子体中的正离子轰击靶材、溅射出靶材原子从而沉积在接地的基板表面的技术)在宽带噪声滤波器的柔性基板上定向沉积[FeNi-FeMn]N / [MnIr-FeCo] N的混合多层薄膜。通过组合两种不同厚度的多层膜，其中，FeNi-FeMn被设计用于低频范围，MnIr-FeCo用于高频范围，这样可以得到用于宽带噪声滤波器的混合薄膜。其宽带范围从1.5到7 GHz（吸收宽度处的反射损耗小于-10 dB）使这种混合薄膜有望在未来得到非常广泛的应用。copy; 2009年美国物理学会。 [DOI：10.1063 / 1.3094881]
最近，随着磁记录头、无线电感器芯和微波噪声滤波器等高频应用器件的微型化、薄膜化、高频化、集成化等方向的发展，对磁性薄膜的使用提出了更高的需求1-11。而现代科学技术的飞速发展，电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛，它们在运行中产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满整个空间，形成复杂的电磁环境。复杂的电磁环境要求电子设备及电源具有更高的电磁兼容性。于是抑制电磁干扰的技术也越来越受到重视。接地、屏蔽和滤波是抑制电磁干扰的三大措施。
1989年，美国国防部首先提出了超宽带的（UWB）技术并对它做了定义：发射信号的相对宽度为0.2，或者传输信号的绝对宽度至少为500 MHz，则该信号为超宽带信号。自2002年美国联邦通信委员会（FCC）批准无需许可证便可以使用3.1-10.6 GHz的超宽带通信频谱后，超宽带技术受到了学术界和工业界的极大关注。超宽带技术具有低功耗、高速率、保密性强等特点，早期主要应用于军事通信、军事脉冲等方面，近年来在民用雷达、成像、室内短距离通信、监视系统等领域也有广泛应用，欧盟、日本、新加坡等国也制定了各自的超宽带技术标准。在宇航方向，NASA约翰逊空间中心开展了超宽带综合通信、月球/火星漫游者系列超宽带定位系统、UWB-RFID等技术的研究，取得了很多成果。目前对星载微波与激光链路混合通信系统的研究使得微波光子技术在未来卫星通信中呈现出很大的优势与潜力，而光波段广阔的频谱几乎没有宽带限制，不仅可以提供THz大容量通信，而且电磁干扰小，重量轻，是超宽带概念的扩展，有着良好的发展前传。
和传统滤波器一样，超宽带滤波器用来除去带外信号及噪声，在某些UWB系统接收端承担着天线与放大器之间的匹配作用。由于UWB系统的脉冲信号产生和消失时间非常短暂，一个符合FCC规范的超宽带滤波器必须要在110%的宽带内具有较小并平坦的群时延特性和较远的寄生通带。因为频带低端大部分已经被其它通信系统占用，所以滤波器同时要对频带低端有良好的抑制。有一些超宽带滤波器还要考虑通带内其他通信系统，如GPS,3G,4G,X波段卫星通信的干扰。另外为了适应微波集成电路小型化的要求，滤波器要体积小，结构紧凑，便于集成和互联，同时对材料的要求也很高。
铁磁共振在磁学和固体物理学中都占有重要地位。它是微波铁氧体物理学的基础，而微波铁氧体在现代雷达和微波通信方面都有重要应用。在磁性薄膜中，铁磁共振(FMR)频率可以表示为:
fnof;FMR= (1)
其中，gamma;是旋磁比，Ms是薄膜的饱和磁化强度，Hk是单轴各向异性场。旋磁比：核磁矩和机械动量矩之比，是原子核所固有的特性，与离子电荷和质量的比有关。不同的原子核有不同的旋磁比值。饱和磁化强度（ saturation magnetization）是指磁性材料在外加磁场中被磁化时所能够达到的最大磁化强度叫做饱和磁化强度。饱和磁化强度是铁磁性物质的一个特性，是永磁性材料极为重要的磁参量。饱和磁化强度Ms是永磁性材料极为重要的磁参量。永磁材料均要求Ms越高越好。饱和磁化强度决定于组成材料的磁性原子数、原子磁矩和温度。在低温区，它遵循布洛赫(Bloch)定律。单轴各向异性是磁晶各向异性的最简单形式，即自发磁化的稳定方向（或易磁化方向）平行于一特殊晶轴。如六方晶系钴的自发磁化方向平行于 C轴（见晶体结构），这就表现出强的单轴各向异性。磁性材料的单轴各向异性值一般都低于其磁晶各向异性值，为103 erg/cm3量级。磁性材料经磁场热处理或强的冷加工而产生的感生各向异性，都属于单轴各向异性。
为了获得高铁磁共振(FMR)频率，可以增加材料的饱和磁化强度和/或单轴的各向同性场。查阅文献我们可以发现，目前有的几种可以增加单轴各向异性场的方法，例如图案化薄膜可以产生形状各向异性[1，2]，在沉积期间应用磁场[3，4]、退火[5]（一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。准确的说，退火是一种对材料的热处理工艺，包括金属材料、非金属材料）、倾斜沉积[6]等来诱导单轴各向异性，使用交换偏置铁磁体（FM）和反铁磁体（AF）之间的耦合以引起磁各向异性[7-11]。交换偏置场是一种界面效应，其大小强烈依赖于界面自旋构型、各向异性、反铁磁自旋取向以及冷却场、界面粗糙度等因素都会对交换偏置场产生影响。当引入交换偏置场时，由于FM-AF耦合效应，磁各向异性场是交换偏置场和单轴各向异性场的总和，因此，FMR频率现在可以写成如下：
fnof;FMR= (2)
在交换偏置系统中，众所周知，交换偏置场取决于FM层的厚度，公式如下：
(3)
其中，JK是单向各向异性，tFM是FM层的厚度。 因此，通过改变FM层的厚度，以达到调整交换偏置场的目的，并因此调整铁磁共振(FMR)频率。
为了获得指定宽带噪声滤波器，我们制造了一个具有不同厚度的FM层的多层薄膜，以保证每层的铁磁共振(FMR)频率变化范围。并且使得薄膜具有多个铁磁共振(FMR)频率。 这些重叠频率使薄膜具有广泛的可操作频率范围。 但是，应该注意的是，在公式（3）中，FM厚度需保持在有限的范围内，低于临界值[1，2]时无效。 因此可以在有限的范围内调节铁磁共振(FMR)频率。 为了扩展微波噪声滤波器的频带，我们建议使用由两种FM-AF多层组成的混合多层薄膜：一种具有高Ms和JK用于高频范围，另一种具有明显更低的Ms和JK用于低频范围。
在本研究中，Fe70Co30-Mn75Ir25用于高频范围，因为Fe70Co3是已知的具有最大饱和磁化强度（Ms = 24 kG）的FM材料之一，并且据报道Fe70Co30-Mn75Ir2双层具有一个巨大的单向各向异性（JK高达1.3 erg / cm2）[13，14]。Ni80Fe20-Fe50Mn50用于较低的频率范围，因为其饱和磁化强度约为10 kG，JK在0.01到0.2 rg / cm2范围内[2.12]。在这种混合多层薄膜中带宽可以实现1.5至7 GHz。
图1：室温下测量的生长在聚酰亚胺衬底上的[FeNi(20 nm)/FeMn(15 nm)]10[(a),(b)]和[FeCo(20 nm)/ MnIr(15 nm)]10[(c),(d)]多层膜的磁滞回线和渗透性谱
图2：实验和计算的铁磁共振频率[FeNi(x nm)/FeMn(15 nm)]10[(a),(b)]和[FeCo(x nm)/ MnIr(15 nm)]10[(b)]多层膜的FM厚度函数
将具有不同厚度的Fe20
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