納米鐵磁金屬粉體及鐵氧體薄膜微波磁共振特性研究.pdf

1、微波磁性材料可以用作屏蔽材料、雷達吸波材料以及整合到多種高頻微波器件中,根據(jù)應(yīng)用背景,對微波磁性能提出了各種要求,進而推動了相關(guān)基礎(chǔ)理論研究。微波磁共振研究的核心內(nèi)容是結(jié)合材料的結(jié)構(gòu)、性能,構(gòu)建磁共振物理模型,推導(dǎo)材料的靜態(tài)與動態(tài)磁性參數(shù)間的定量關(guān)系,從而為微波磁性材料的分析和設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
　　材料的形狀和尺寸對微波磁譜有著重要的影響。當理論推導(dǎo)形狀各向異性磁性粉體復(fù)合物的等效電磁參數(shù)時,需要考慮顆粒的的形狀及取向情況對本征

2、磁導(dǎo)率表達式以及有效媒質(zhì)公式的影響。但是現(xiàn)有的計算方法過于復(fù)雜,不利于指導(dǎo)材料設(shè)計。當材料尺寸降到納米量級時,通常呈現(xiàn)出多共振吸收峰,此時傳統(tǒng)塊材的共振模型將無法予以解釋,自旋波理論(交換共振模式)填補了這一空白。但是到目前為止,有關(guān)納米鐵磁顆粒間的磁偶極相互作用對微波共振磁譜的影響研究相對比較薄弱。此外,本文首次發(fā)現(xiàn)采用水熱合成技術(shù)制備的納米自組裝結(jié)構(gòu)的微米尺度鐵磁金屬粉體同樣可以激發(fā)出多共振吸收峰,有必要結(jié)合現(xiàn)有理論進行更深入的分析

3、。
　　阻尼因子是影響微波共振磁譜特性的一個重要無量綱系數(shù)。隨著與磁性薄膜鐵磁共振密切相關(guān)的自旋電子學(xué)的深入研究,要求薄膜在納米厚度的同時保證有足夠小的阻尼因子。釔鐵石榴石(YIG)鐵氧體是目前已知所有磁性材料中阻尼系數(shù)最小的材料之一,如果通過磁控濺射成功制備出具有低阻尼系數(shù)的納米YIG薄膜,對實現(xiàn)基于YIG薄膜的自旋電子器件的商業(yè)化應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文正是針對上述問題,進行相應(yīng)的闡述。主要研究工作分為如下四個

4、部分:
　　1.各相關(guān)參變量對薄膜及粉體復(fù)合材料微波磁譜的影響研究。
　　(1)根據(jù)外加靜磁場,微波場與各向異性場(不含退磁場)之間的角度關(guān)系,推導(dǎo)薄膜磁性材料的磁譜及磁共振表達式。
　　(2)根據(jù)片狀鐵磁顆粒在基體中的取向情況,構(gòu)建磁結(jié)構(gòu)物理模型。結(jié)合吉爾伯特方程,采用雙坐標系的處理方法,推導(dǎo)出更加簡潔的本征磁譜表達式,進而為納米鐵磁顆粒的微波磁譜計算提供了簡便的渠道。
　　(3)結(jié)合修正后的Maxwell-G

5、arnett有效媒質(zhì)公式進行復(fù)合物微波磁譜的仿真計算,直觀反映出微波磁導(dǎo)率與參變量間的相互關(guān)系,并得到實驗驗證,為高頻磁性材料的設(shè)計提供更準確的理論依據(jù)。
　　2.納米尺度粉體及薄膜磁性材料的微波多共振特性補充研究。
　　(1)首先概述了納米磁性粉體與薄膜的多共振機理。通過機械攪拌的方式成功實現(xiàn)了納米尺度鐵(Fe)粉在粘結(jié)劑石蠟中高度均勻的混合,為準確分析納米復(fù)合材料的微波多共振磁譜特性提供了可能。
　　(2)首次引入

6、納米顆粒間的磁偶極相互作用分析研究納米尺度Fe粉在厘米波段(0.5GHz-18GHz)和毫米波段(26GHz-40GHz)的動態(tài)磁化行為,進一步完善了納米磁結(jié)構(gòu)的共振機制。
　　(3)實驗發(fā)現(xiàn)在微米尺度Fe中添加適當比例的納米Fe,在增強的磁偶極相互作用下,有助于提高在較低頻段(0.5GHz-2GHz)的磁導(dǎo)率,這為解決電磁波在低頻段的吸收瓶頸問題提供了一種思路。
　　3.含有納米結(jié)構(gòu)單元的微米尺度鐵磁金屬粉體的多共振機制研

7、究。
　　(1)采用水熱合成方式制備了多種納米自組裝結(jié)構(gòu)的微米尺度鐵磁金屬粉體,它們在微波頻段都激發(fā)出了多共振吸收峰。本文探索性將交換共振模式移植到納米結(jié)構(gòu)單元,豐富了非一致進動共振模式的研究內(nèi)容。
　　(2)結(jié)合吉爾伯特方程,采用多共振峰疊加的思路推導(dǎo)了Ni納米薄帶粉體多共振模式下的磁譜表達式,理論值與實驗結(jié)果比較吻合,證實了這一理論計算方法的合理性。
　　4.磁控濺射沉積低阻尼YIG鐵氧體納米薄膜的微波鐵磁共振特性

8、及與其相關(guān)的自旋電子效應(yīng)研究。
　　(1)通過優(yōu)化磁控濺射的沉積工藝條件,在Gd3Ga5O12(GGG)襯底上制備了低阻尼系數(shù)的YIG納米薄膜。與目前普遍采用的脈沖激光沉積(PLD)工藝相比,不僅具有相當?shù)?FMR線寬,而且薄膜的均勻性和結(jié)果的可重復(fù)性都要優(yōu)于 PLD薄膜。與此同時,嘗試了在金屬底電極HEAN-Cu-HEAN(HCH)上沉積相對高質(zhì)量的YIG納米薄膜,為實現(xiàn)將YIG薄膜用于商業(yè)低損耗微波單片集成器件中奠定了基礎(chǔ)。<

9、br>　　(2)在較高Ar氣流速(16sccm)及高溫沉積(750oC)條件下,YIG納米薄膜表面存在大量突起的晶粒,導(dǎo)致表面粗糙度變大,產(chǎn)生雙磁散射過程。這不僅擴展了FMR線寬,而且對依賴于界面條件的自旋電子效應(yīng)也產(chǎn)生不利影響。
　　(3)YIG/Pt結(jié)構(gòu)的逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)電壓的測量結(jié)果表明:與采用PLD工藝制備的YIG/Pt相比,ISHE電壓信號有顯著提升,促進了基于YIG自旋電子學(xué)的深入研究。此外,測試發(fā)現(xiàn)基于自旋