CoZrNb和FeSiBNbCu薄膜的退火处理与厚度优化：用于低频磁通集中器

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Annealing and thickness optimisation in CoZrNb and FeSiBNbCu thin films for low-frequency magnetic flux concentrators

软磁材料磁通集中器性能研究：对比Co-Zr-Nb（CZN）与Fe-Si-B-Nb（Finemet）薄膜的退火温度、厚度依赖性及磁结构演变，发现CZN无需退火即具备低矫顽力（0.364 Oe）和高磁导率（1611），适合CMOS/MEMS低温传感器；Finemet经500°C退火10分钟形成纳米晶结构，矫顽力降至0.003 Oe，磁导率达2425，但过热导致晶粒粗化。厚度方面，CZN最佳1200nm，Finemet最佳800nm，表面粗糙度（CZN RMS=2.90nm，Finemet RMS=0.58nm）影响磁性能。结构表征显示CZN保持非晶态，而Finemet形成亚稳态纳米晶。

　　在现代电子器件与传感器技术的快速发展背景下，软磁材料在提升磁通量密度、优化磁感应性能方面发挥着关键作用。软磁材料通常具备高磁导率、低矫顽力和高磁通量放大能力，使其在磁感应、磁存储以及磁传感器等应用中具有显著优势。本文探讨了两种典型的软磁材料——CZN（一种钴基非晶合金）和Finemet?（一种铁基纳米晶合金）在薄膜形式下的磁性能优化策略，旨在为集成到先进磁传感和自旋电子学平台提供理论依据与实验指导。

在磁通量集中器（MFC）领域，材料的磁性能直接影响其在实际应用中的效率和稳定性。CZN因其非晶结构，能够在沉积后无需额外热处理就展现出极佳的软磁特性，这使其成为低温工艺和CMOS兼容传感器的优选材料。而Finemet?虽然在非晶态下磁性能较差，但通过适当的热处理（例如在200°C至500°C范围内的退火）可以实现纳米晶结构，从而获得更高的磁导率和更低的矫顽力，这使得它适用于对磁性能要求极高的应用场景，即便需要一定的热处理。

在材料性能方面，CZN的软磁特性随着厚度的增加而显著改善，其最优厚度为1200纳米。而在Finemet?中，软磁性能的最优状态出现在800纳米厚度，随后随着厚度增加，磁性能略有下降。这种厚度依赖性的差异，源于两种材料在结构和磁性方面的不同机制。CZN的非晶结构在更大厚度下能有效减少界面钉扎效应，从而降低矫顽力；而Finemet?则通过热处理实现纳米晶结构优化，厚度增加虽然有助于减小各向异性场，但也可能引入额外的微结构效应，从而对磁性能产生负面影响。

实验中采用磁控溅射技术制备了不同厚度的CZN和Finemet?薄膜，并通过退火处理进一步优化其磁性能。为了确保薄膜的质量，实验中控制了溅射功率、气压和退火温度等参数。例如，CZN在65瓦直流溅射功率和1.75毫托压力下沉积，而Finemet?则在100瓦和4.00毫托条件下沉积。退火温度则从21°C逐步提升至550°C，每步保持10分钟。这种精确的工艺控制确保了薄膜的均匀性和性能的稳定性。

在磁性能测试方面，实验采用了振动样品磁强计（VSM）和X射线衍射（XRD）等手段。VSM用于测量磁滞回线，以评估矫顽力、剩磁和磁导率；XRD则用于分析薄膜的晶相结构。结果显示，CZN在非晶态下展现出极低的矫顽力和剩磁，而Finemet?在500°C退火后能够形成纳米晶结构，从而显著提升磁导率并降低各向异性场。此外，原子力显微镜（AFM）用于测量薄膜表面粗糙度，从而进一步理解材料表面效应对磁性能的影响。

实验数据表明，CZN在未退火状态下展现出最优的软磁性能，特别是在1200纳米厚度下。这一性能特征使其在需要低温工艺的场景中更具优势，例如在CMOS兼容传感器或MEMS器件中应用。相比之下，Finemet?的软磁性能依赖于退火过程，其在500°C退火后达到最佳状态，此时磁导率显著提升，矫顽力和剩磁降至最低。因此，Finemet?更适合在热处理条件允许的环境中使用，例如在需要高磁导率和良好磁通量放大的应用场景中。

从磁滞回线来看，CZN在未退火状态下呈现出非常理想的磁性特征，几乎无矫顽力和剩磁，而Finemet?在退火后表现出更优越的磁性表现，其磁滞回线高度狭窄，说明磁化过程高度可逆。这种差异来源于两种材料不同的磁性机制：CZN的软磁特性主要由非晶态下的随机各向异性效应决定，而Finemet?的性能则依赖于纳米晶结构的形成，其中交换耦合和应力释放共同作用，降低了各向异性场和矫顽力。

在退火温度的选取上，CZN的性能在退火过程中逐渐恶化，这与非晶态向晶态的转变密切相关。随着退火温度的升高，CZN的磁滞回线逐渐变宽，矫顽力和剩磁也有所增加。这表明，CZN的非晶态结构在高温下容易发生晶化，从而破坏其理想的软磁特性。因此，CZN的最佳性能通常出现在退火温度较低的情况下，尤其是在其原始非晶态下。

相反，Finemet?的性能在退火过程中呈现显著的改善趋势。当退火温度在200°C至500°C范围内时，Finemet?的磁滞回线逐渐变窄，其矫顽力和剩磁达到最低值。此时，纳米晶结构形成，其磁导率和各向异性场得到优化。然而，当退火温度超过500°C时，Finemet?的磁性能又开始恶化，这可能与纳米晶颗粒的粗化以及次级相的出现有关。因此，Finemet?的性能优化需要一个精确的退火温度窗口，以避免性能的损失。

在厚度方面，CZN的软磁性能随着厚度的增加而提升，这主要得益于非晶态结构的体积效应。较厚的CZN薄膜具有较低的表面与体积比，从而减少了界面钉扎效应和磁各向异性。此外，较厚的薄膜还能通过体积平均效应，进一步降低磁化反转所需的能量，从而提升磁导率。相比之下，Finemet?的性能在特定厚度下达到最佳状态，之后随着厚度的增加，其磁性能可能略有下降，这与退火后的纳米晶结构优化和表面粗糙度的变化有关。

从实际应用角度来看，CZN的非晶态特性使其在无需热处理的低温工艺中更具优势，适用于对热预算要求严格的场景，如MEMS传感器或CMOS兼容的磁感应器件。而Finemet?的纳米晶特性则需要一定的热处理，这使其在需要高磁导率和良好磁通量放大的场景中表现更优，但对热处理条件有更高的要求。因此，在选择材料和工艺时，需要根据具体应用场景的热预算和磁性能需求进行权衡。

综上所述，CZN和Finemet?在软磁性能方面展现出不同的优化路径。CZN的性能优势主要体现在其非晶态结构和无需热处理的特性上，而Finemet?则依赖于退火过程实现纳米晶结构优化。因此，对于磁通量集中器的应用，选择合适的材料和工艺参数至关重要。在设计过程中，应综合考虑材料的厚度、退火温度以及热处理条件，以实现最佳的磁性能和应用效果。