CoNbZr、多层CoNbZr/Au以及多层NiFe/Au薄膜的磁阻抗特性

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Magnetoimpedance properties of CoNbZr, multilayer CoNbZr/Au and multilayer NiFe/Au thin films

本文研究CoNbZr单层及CoNbZr/Au、NiFe/Au多层结构的巨磁阻抗（GMI）特性。通过电镜、磁滞回线、阻抗测量等手段，发现CoNbZr/Au在1.8 GHz时GMI比单层CoNbZr高67%（300% vs 180%），归因于Au中间层抑制晶粒生长、优化磁导率及降低矫顽力。对比NiFe/Au系统，CoNbZr/Au在相同频率下灵敏度提升24%。分析表明，中间层厚度、磁各向异性及边缘效应是影响GMI性能的关键因素，为GHz传感器设计提供了新思路。

　　
### 巨磁阻薄膜与多层结构的研究进展解读

#### 研究背景与意义
巨磁阻（GMI）效应因其对磁场变化的灵敏响应，在生物医学检测、无损工业检测及汽车电子等领域展现出重要应用潜力。传统材料如Permalloy（Ni80Fe20）因磁晶各向异性和矫顽力较高，存在厚度限制（约150-200 nm）。而高饱和磁化强度、低矫顽力和无磁晶各向异性的非晶合金CoNbZr，其厚度可达微米级，但纯单层材料的GMI性能受限于电子输运特性。本研究通过引入金（Au）中间层构建多层结构，旨在优化CoNbZr和NiFe基体系的综合性能，为高频传感器开发提供新思路。

#### 材料体系与制备工艺
研究对比了三种体系：
1. **单层非晶CoNbZr薄膜**：厚度1040 nm，电阻率119 μΩ·cm，磁化强度1.01 MA/m，在1.8 GHz时GMI比率达180%。
2. **CoNbZr/Au多层结构**：由10层CoNbZr（104 nm）和9层Au（10 nm）交替堆叠而成，总厚度1130 nm。Au层抑制了柱状生长，保持了CoNbZr的非晶特性，同时通过磁-电耦合增强性能。
3. **NiFe/Au多层结构**：采用类似堆叠方式，NiFe层厚度与CoNbZr相同，但晶格有序性更高，表现出更强的磁晶各向异性。

制备工艺采用射频磁控溅射（Rf-Sputtering），通过光刻和 Lift-off技术实现微米级宽长比图案化。金层厚度严格控制在10 nm以内，以维持导电连续性并减少自旋扩散损耗。

#### 关键性能参数
- **电阻率**：CoNbZr单层最高（119 μΩ·cm），NiFe/Au多层最低（26 μΩ·cm），CoNbZr/Au居中（71 μΩ·cm）。低电阻率对高频响应至关重要，但Au层引入的电阻增加需通过磁导率补偿。
- **磁化强度**：CoNbZr（1.01 MA/m）> NiFe/Au（0.68 MA/m）> CoNbZr/Au（0.85 MA/m）。非晶CoNbZr的高磁化强度源于Co的富集（靶材Co/Nb比7:1，实际沉积中达11:1），而Au层插入降低了整体有效磁化强度。
- **矫顽力**：单层CoNbZr纵向矫顽力仅0.09 mT，远低于NiFe/Au（0.36 mT）和CoNbZr/Au（5.11 mT）。多层结构中，Au层通过应力释放和界面耦合抑制了磁畴排列的磁晶各向异性，导致矫顽力显著升高。

#### 磁阻响应机制分析
- **趋肤效应与磁导率**：在低频（kHz级），趋肤深度主导电流分布，CoNbZr因高磁导率（>7000）和低电阻率，表现出更陡峭的磁阻响应。引入Au层后，多层结构的有效磁导率提升（CoNbZr/Au达2200，NiFe/Au达3200），但电阻增加需通过频率依赖的磁阻补偿。
- **磁晶共振（FMR）**：单层CoNbZr在1.4 GHz出现FMR共振，而CoNbZr/Au因界面存在将共振频率降至0.7 GHz，同时增强了对低频（<1 GHz）的响应。NiFe/Au体系在0.5 GHz出现FMR分裂，表明其晶格有序性更强。
- **热处理效应**：单层CoNbZr经850 mA电流退火后，磁畴从纵向转向横向，形成“马蹄形”闭合磁路，导致GMI比率从30%降至20%。而CoNbZr/Au多层体系因Au层隔离，热处理仅轻微改变界面交换耦合，维持较高GMI比率（300%）。

#### 性能优化策略
1. **层间材料选择**：Au的化学惰性和高电导率使其成为理想中间层，通过磁-电耦合抑制晶格生长，同时保持非晶CoNbZr的软磁特性。实验表明，Au层厚度需＞5 nm以维持连续导电，但过厚会引入额外的趋肤损耗。
2. **几何优化**：
- **宽度效应**：单层CoNbZr在10-20 μm宽度时GMI性能最佳（灵敏度249%/kA·m），过窄（<5 μm）因边缘效应导致磁畴畸变，过宽（>20 μm）因趋肤效应减弱。
- **长度效应**：长度增加（0.5-5 mm）显著提升GMI比率，单层CoNbZr从10%提升至30%，多层体系因多磁路耦合增强更明显（NiFe/Au达280%）。
3. **应力调控**：多层沉积中，Au层与CoNbZr的非晶-晶格界面形成压应力（约0.5 GPa），抑制晶粒生长，同时促进磁畴在非晶基体中的均匀分布。

#### 应用潜力与挑战
- **优势**：CoNbZr/Au体系在1.8 GHz时GMI比率达300%，灵敏度249%/kA·m，较NiFe/Au提升17%。其非晶基体（CoNbZr）避免了NiFe的晶格有序性导致的各向异性限制。
- **挑战**：
1. **电阻匹配**：CoNbZr/Au电阻率比NiFe/Au高3倍，需通过优化层厚比（CoNbZr/Au为1:0.9）和金层纯度（纯度>99.9%）降低损耗。
2. **工艺稳定性**：溅射速率需控制在20 nm/s以内以避免晶格生长，但低速率导致沉积周期延长（单层＞24小时）。
3. **环境敏感性**：非晶CoNbZr对氢气敏感，长期暴露可能导致磁性能退化。

#### 结论
本研究证实了非晶CoNbZr/Au多层体系在GHz频段GMI性能上的优越性，其核心机制在于：
1. **磁导率优化**：通过Au层实现电子输运与磁导率的平衡，提升高频响应（1.8 GHz时GMI比率较单层提升67%）。
2. **磁各向异性调控**：多层结构弱化了形状各向异性（N_x/N_y从0.002降至0.001），使样品在宽频范围内保持对称性。
3. **热稳定性增强**：非晶CoNbZr在850 mA退火后仍保持90%以上磁化强度，优于NiFe体系（退火后损失达30%）。

未来研究方向包括：
- **多层材料梯度设计**：采用Ti/Au双中间层改善界面交换，理论可进一步提升GMI比率至400%。
- **异质结结构**：在CoNbZr/Au体系基础上引入磁性纳米颗粒（如Fe3O4），通过异质磁耦合实现宽频响应。
- **3D集成**：将多层结构转移到硅基芯片上，结合CMOS工艺实现毫米波GMI传感器集成。

#### 创新点总结
1. **材料体系创新**：首次系统对比非晶CoNbZr与晶态NiFe的GMI性能，揭示非晶-金属界面耦合机制。
2. **工艺优化**：提出“低温溅射+脉冲退火”工艺，在500℃下实现Au层沉积，较传统方法降低能耗40%。
3. **理论模型修正**：通过引入界面交换 stiffness参数（K=0.05 J/m），修正传统平行电阻模型，解释CoNbZr/Au体系电阻率误差（±55%）。

该研究为高频GMI传感器开发提供了关键材料体系与设计指南，特别适用于毫米波通信设备中的磁场探测场景。