专利名称：周期结构的铁磁性薄膜吸波材料的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种电磁波吸收材料，更具体地说，是一种具有较好的吸波性能和很 好的吸波带宽的周期结构的铁磁性薄膜吸波材料。
背景技术：
随着通信网络技术的发展和电子系统集成度的提高，电磁兼容问题日益突出，如 何解决这一问题已经成为技术发展中必须要解决的问题。用电磁波吸收材料来解决电 子系统或器件间的电磁干扰是一种行之有效的方法。由金属板前面的低介电常数介质 层和电阻片构成的经典Salisbury屏，能在一定的频率范围内很好的吸收电磁波。为 了具有最好的吸波性能，介质层的厚度通常需要1/4波长，因此它的应用范围受到了 限制，同时它的吸收带宽比较窄。随着电子元器件向微型化、集成化、高频化方向发 展，迫切要求开发出能在高频、超高频直至微波频段的高性能纳米磁性材料，能广泛 应用于薄膜电感器、薄膜电磁干扰抑制器、GHz级薄膜磁场传感器及及高性能薄膜型吸 波材料等。
Salisbury屏对电磁波的吸收主要来源于电阻片对电磁波的损耗。而以Co基、Fe 基为主体的铁磁性薄膜材料中，当磁性材料的特征阻抗4接近空气中的波阻抗;/。时， 也可以表现出很好的吸收性能。磁性薄膜应用于微波领域必须满足以下基本要求① 高饱和磁化强度4;r^fe;②低矫顽力Z/c;③高电阻率p;④适当大小的面内单轴各向 异性场/&。此外，实际材料的特征阻抗Z,往往和波阻抗;/。相差较大，故磁性Salisbury 屏的实际吸波性能并不理想。
由铁磁性颗粒和介质材料构成的符合材料可以实现较好的对电磁波的吸收，但也 只有在铁磁性颗粒的体积比很大时才有明显的效果，因此这类吸波材料的比重较大， 并且具有相对较厚的厚度，因此极大的限制了磁性颗粒膜在微型化、集成化元器件中 的使用。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有Salisbury屏在吸波应用中存在 的问题，提供了一种周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，它解决了经典Salisbury屏对介 质层厚度的限制，可以构造出薄型吸波材料。该材料能在一定频率范围内有效地吸收 电磁波，并且其吸波带宽比经典的Salisbury屏要宽。
技术方案本发明公开了一种周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，包括间隔排列的 介质层和铁磁性薄膜层，所述铁磁性薄膜层中含有质量百分比大于0%且小于等于10% 的N元素，剩余部分为Fe元素。本发明中，优选地，所述单层铁磁性薄膜层厚度范围为100nm 900nm。 本发明中，优选地，所述单层介质层厚度范围为不大于10nm。 本发明中，优选地，所述介质层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或者二氧化硅。 本发明所述周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，由介质层和铁磁性薄膜层交替排列 而成将其置于雷达达到吸波目的金属物体前即可实现吸波作用。
本发明中，为了达到宽带吸波性能，单层铁磁性薄膜层的磁谱应具有虚部大于实 部的特点。本发明采用铁磁性薄膜层，要求薄膜的电导率较低， 一般在103量级以下， 它可以通过采用纳米尺度薄膜而实现。
本发明为了取得最有效的吸波性能，周期结构的铁磁性薄膜吸波材料中铁磁性薄 膜层总厚度丄的选择，需要满足特性阻抗4-w/V^。a;/。， Z,/;/。为磁性薄膜的特征 阻抗，7。为空气中的波阻抗，w是入射电磁波的角频率，^为选取铁磁性材料的静磁 化率。在铁磁性多层膜中，单层的铁磁性薄膜层厚度为^，且远小于总厚度￡，当周 期数"的取值满足m/2Z时，便可取得理想的吸波性能。经过大量实验证明，铁磁性 薄膜中掺杂少量N元素可提高薄膜的电阻率、磁各向异性场和化学稳定性。在铁磁性 薄膜层中通过使用磁控溅射方法制备铁磁性薄膜层，能够控制铁磁性薄膜厚度获得较 小的电导率C7，同时获得较高的微波磁导率，从而非常有效地提高磁性薄膜的吸波性 能。磁性薄膜有着很好的吸收带宽，它的反射率大小能够满足在许多场合对电磁波的 吸收要求。
将铁磁性薄膜与介质膜交替排列而成的铁磁性多层膜，由于具有高饱和磁化强度4 "胞、低矫顽力&、高电阻率P，也可用于微波领域。根据实际铁磁谱计算了周期性金 属磁屏的反射率频谱，结果表明它具有较好的吸波性能和很好的吸收带宽，同时够保 证具有良好的吸波性能。
有益效果本发明通过改变介质层和铁磁性薄膜的周期数控制铁磁性薄膜的厚度， 对理想磁屏本身进行简单的结构改进，操作方便，具有较好的吸波性能和很好的吸收 带宽，能满足许多应用场合对薄型吸收电磁波的要求。采用本发明的结构的周期结构 的铁磁性薄膜吸波材料，电磁波垂直入射时，其反射频率响应特性曲线和和分割成周 期结构前基本相同，其中反射率大小在频率低端较分割前还有一定减小。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/
或其他方面的优点将会变得更加清楚。 图la为本发明的结构示意图。
图1 b为本发明图1 a的等效电路图。 图2为本发明的频率响应特性图3为本发明中铁磁性薄膜为纯金属材料时的磁导率。 图4为铁磁性薄膜中掺杂N元素后的磁导率。
具体实施例方式
本发明提供一种可实际应用的周期结构的铁磁性薄膜吸波材料。图la为当电磁 波垂直入射到磁性多层膜分界面时的示意图，图lb给出了磁性多层膜吸波材料的等效 电路图。通过求解等效电路，可以获得磁性多层膜吸波材料的吸波性能。将单个周期 的铁磁性薄膜层以及其上下介质层等效电路，输入-输出电源电压通过传输矩阵联系。 本发明中分析具有弛豫型共振磁谱的铁磁性材料构成的磁性多层膜的频率特性。 弛豫共振机理引起的复数磁化率7 = Z' _ J'/的实部和虚部可以写成
7 =7 _口(—)2_ (1)
义- -0/ 》2]2+0/%)2 其中Z。为静磁化率，它与材料的饱和磁化强度M,,磁畴的结构和能量有关。当
A ^，所以式(1)、 (2)可以化为
y" = y ) (4)
只有当/>^'时，磁性多层膜才具有较好的吸波性能。对于本发明中的材料，根 据频率范围要求，w的取值大于2;rx4x109/^。在理想条件下，令磁性材料的特征阻 抗Z'n-w/V:;ir。a;7。， 7。为空气中的波阻抗。反射率很小，磁性多层膜吸波材料能够获 得非常理想的吸波性能。
为了使多层膜具有理想的吸波性能，要求/>7'成立，即铁磁性薄膜的磁导率的 虚部大于实部。本发明中，通过在面内单轴磁各向异性的铁磁性薄膜中掺杂N元素， 能够使得铁磁性薄膜的弛豫共振频率向高频移动，同时提高金属磁性薄膜的电阻率， 并且N元素含量的不同，会得到不同的弛豫共振频率。
以下结合对比实验实例对本发明作进一步详细描述。
实施例1:
材料介质层为Si02或聚对苯二甲酸乙二醇酯 d = 2~10"m
铁磁性薄膜层 d = 0.25//m
采用射频磁控溅射装置，在Ar气体环境中，通过磁定向，将Fe溅射沉积于介质 层上，然后由铁磁性薄膜层和Si02或聚对苯二甲酸乙二醇酯介质薄膜交替排列形成叠 片结构的多层膜。由于Si02、 Si、聚酯特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯等材料具有较稳 定的化学特性，因此常被用做介质材料。同时，介质层在本发明中的作用是使两层铁 磁性薄膜层间隔开，可以将介质层的厚度做得尽可能小，以便减小磁性薄膜的总厚度。 在本领域常用装置的精度范围内，通常可以将介质层的厚度做到10nm以下。本实施例 中单层磁性薄膜样品的厚度为^/ = 0.25//附。使用磁力计和铁磁共振分光计，测得的磁 谱如图3所示，.图3为本发明中铁磁性薄膜为纯金属材料时的磁导率，图中点为实验 结果，其中实心点为磁导率/z的实部，空心点为p的虚部，线为拟合曲线。谐振频率 在1GHz附近。
实施例2
材料
介质层为Si02或聚对苯二甲酸乙二醇酯 介质层厚度"=2~10w 铁磁性薄膜层 薄膜厚度d = 0.3/^
Ai+N2的混合气体 N2气体浓度可以控制
采用射频磁控溅射装置，本发明使用了美国Lesker公司的Labl8型磁控溅射设备， 通过在Ar+N2的混合气体中将Fe溅射沉积于Si02或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上， 本实施例中Ar气和N2气比例控制在24: 6。本发明中， 一般Ar和N2混合气体中N2 气体积控制在20% 50%，混合气体的压强为0.2Pa，环境温度为160°C 250°C，可以 保证最终N元素在铁磁性薄膜层的质量比不大于10%，同时实验证明温度只对铁磁性 薄膜材料的饱和磁化强度有细微影响。然后由铁磁性薄膜层和Si02或聚对苯二甲酸乙 二醇酯薄膜交替排列形成叠片结构的多层膜。N元素的加入，使铁磁性薄膜层中部分 铁元素与N元素形成F A^结晶体，会增大铁磁性薄膜层的电阻率、提高铁磁材料磁 各向异性特性和铁磁薄膜的化学稳定性。但是如果N元素浓度过高，铁磁材料的饱和 磁化强度则会降低，产生适得其反的功效，本发明经过实验发现，在薄膜材料中，N 元素含量在铁磁层中重量百分比不大于10%且大于0%时，吸收电磁波的效果最好。本 实施例中铁磁性薄膜层的厚度为^ = 0.3//附。测得的磁谱如图4所示，图4为铁磁性薄 膜中参杂N元素后的磁导率，图中点为实验结果，其中实心点为磁导率/z的实部，空 心点为/z的虚部，线为拟合曲线，谐振频率在4GHz附近，比单纯铁磁性材料构成薄 膜的谐振频率增加了近3GHz。在实施例2中，铁磁性薄膜层厚度的取值不同，会产生不同的静磁化率A，根据
特征阻抗Z,n的公式，为了满足匹配空气波阻抗，计算获得最小的周期数，当磁性多层
膜达到300层(即周期数)以上时，跟空气中波阻抗能够很好的匹配起来。此时吸波 多层膜的总厚度不超过O.lmm。
采用上述方法，通过在Ar+N2的混合气体中将Fe溅射沉积于聚酯薄膜上，不但可 以控制N元素在金属磁性材料中的含量，固定了共振频率的位置，同时能够控制金属 磁性薄膜的厚度，有效降低金属磁性薄膜的电导率。达到增加吸波带宽，优化吸波效 果的目的。正如图4所示，铁磁性薄膜的磁导率共振频率随着参杂N元素后，向高频 移动了近3GHz，并且这种移动趋势与掺杂N元素的含量有直接关系。
本发明中，周期结构的铁磁性薄膜吸收材料的周期数应满足铁磁薄膜层特征阻抗 与空气波阻抗相匹配，由实例2中铁磁薄膜层构成的吸波材料，在周期结构的铁磁性 薄膜层吸收材料总厚度小于O.lmm时便能满足波阻抗匹配的要求，因此可以大量应用
在需要吸收电磁波的物体表面。
本发明中，图2为本发明多层膜的频率响应特性曲线，不难发现，当电导率为500 时，吸波性能与理想Salisbury屏相比，响应曲线基本相同，反射率大小在频率低端还 有一定的减小。因此使用本发明的结构，可以控制吸波频率位置，增加吸波带宽，优 化了吸波效果。同时由于该种吸波材料为微米量级，有利于吸波材料在薄轻小、移动 化、多功能电子器件上的广泛应用。
采用周期性结构的磁性多层膜。如图la所示，将磁性多层膜分割成由n个周期 长度为h的周期性结构，通过减小各个铁磁性薄膜层的厚度，以起到降低铁磁性薄膜 的电导率。由于Z/和/f存在倍数关系，当倍数w很大时，厚度/j可以很小(纳米量级)， 从而可以有效地降低铁磁性薄膜的电导率CT。这种把理想Salisbury屏分割成n个周期
的方法，解决了磁性薄膜的特征阻抗和金属电导率c7的矛盾，并且在满足波阻抗相匹
配的条件下，相比于单层膜，减小了磁性薄膜的总厚度，不会影响到磁性多层膜的反 射率特性。
通过控制铁磁性薄膜电导率cr的大小，可以非常有效地提高磁性多层膜的吸波性 能。磁性多层膜有着很好的吸波带宽，它的反射率大小能够满足在许多场合对电磁波 的吸波要求。
本发明提供了一种周期结构的铁磁性薄膜吸波材料的思路及方法，具体实现该技 术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本 技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部 份均可用现有技术加以实现。
权利要求
1、一种周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，其特征在于，包括间隔排列的介质层和铁磁性薄膜层，所述铁磁性薄膜层中含有质量百分比大于0％且小于等于10％的N元素，剩余部分为Fe元素。
2、 根据权利要求1所述的周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，其特征在于，所述单 层铁磁性薄膜层厚度范围为100nm 900nm。
3、 根据权利要求1或2所述的周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，其特征在于，所 述单层介质层厚度范围为大于0 nm且小于等于10nm。
4、 根据权利要求3所述的周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，其特征在于，所述介 质层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或者二氧化硅。
全文摘要
本发明公开了周期结构的铁磁性薄膜吸波材料，由间隔排列的介质层和铁磁性薄膜层构成，所述铁磁性薄膜层中含有质量百分比不大于10％的N元素，剩余部分为Fe元素。所述铁磁性薄膜层厚度范围为100nm～900nm。所述介质层厚度范围为不大于10nm。本发明通过改变介质层和铁磁性薄膜的周期数控制薄膜吸波材料的厚度，对理想磁屏本身进行简单的结构改进，操作方便。该吸波材料具有较好的吸波性能和很好的吸收带宽，能满足许多应用场合对薄型吸收电磁波的要求。采用本发明的结构周期结构铁磁性薄膜吸波材料，当电磁波垂直入射时，其反射频率响应特性曲线和和分割成周期结构前基本相同，其中反射率大小在频率低端较分割前还有一定减小。
文档编号G12B17/02GK101552043SQ20091002657
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者伍瑞新, 陈日锋 申请人:南京大学