全頻段石榴石薄膜性能及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、當(dāng)射頻、微波、太赫茲(THz)波和光波段集成系統(tǒng)各自逐漸形成后，一個(gè)新的科學(xué)構(gòu)想隨之誕生，那就是能不能研究一種薄膜可同時(shí)應(yīng)用于微波、THz和光波段，實(shí)現(xiàn)全頻段大集成系統(tǒng)!本博士論文的整個(gè)研究工作正是對這一構(gòu)想的探索和驗(yàn)證。首先，基于石榴石薄膜在小型微波器件和磁光集成器件應(yīng)用中的低損耗特性，以及在THz波導(dǎo)中潛在的實(shí)用價(jià)值，我們設(shè)計(jì)優(yōu)化出三個(gè)頻段具有優(yōu)異特性的摻雜石榴石薄膜系列；其次，我們提出新型無鉛液相外延工藝，結(jié)合磁控濺射工藝，研制出

2、幾種不同成分的石榴石薄膜材料，分析了其在微波段、THz波段和光波段的性能，從理論和實(shí)驗(yàn)上探討了其在全波段器件中的應(yīng)用；最后，分別研究了薄膜在微波段、THz波段和光波段器件中的應(yīng)用，結(jié)果表明這些石榴石薄膜在這三個(gè)波段內(nèi)都有可選擇的優(yōu)異性能，這對未來的大集成系統(tǒng)具有重要的研究意義。 論文秉承了上述基本思想，在基礎(chǔ)理論、材料工藝和器件設(shè)計(jì)方面上都作了探索性和創(chuàng)新性研究，主要亮點(diǎn)工作與涉及的內(nèi)容為： (1)“緩沖法”Bi：LuI

3、G單晶體無鉛液相外延薄膜研究：研究了大面積液相外延薄膜的微結(jié)構(gòu)、表面形貌及缺陷的控制技術(shù)；提出了適用于無鉛工藝的“緩沖法”技術(shù)，著重研究了GGG基片晶軸取向偏差以及薄膜外延速率對材料缺陷和均勻性的影響，通過工藝優(yōu)化，獲得了晶格失配小于0.08％、具有鏡面平整性、兼具大磁光效應(yīng)和小鐵磁共振線寬的優(yōu)質(zhì)單晶LuBiIG薄膜。薄膜的飽和磁化強(qiáng)度4πMs=1562Gs，磁光法拉第效應(yīng)1.6～2.0度/μm(10倍于目前其他工藝得到的薄膜)，最小鐵

4、磁共振線寬2△H=2.8Oe。 (2)微波燒結(jié)旋磁鐵氧體工藝研究：探索了微波燒結(jié)法在石榴石材料合成工藝中的應(yīng)用，通過優(yōu)化燒結(jié)曲線和燒結(jié)溫度得到了性能優(yōu)良的石榴石鐵氧體材料。除了高效和節(jié)時(shí)外，微波法燒結(jié)石榴石鐵氧體材料在燒結(jié)密度、介電損耗、介電常數(shù)和磁電損耗方面都較常規(guī)燒結(jié)方法具有優(yōu)勢；進(jìn)一步拓寬微波爐的燒結(jié)均勻區(qū)可實(shí)現(xiàn)大尺寸鐵氧體材料的制備，該方法不僅有助于提高小型化微波器件中應(yīng)用的石榴石鐵氧體基片性能，而且在濺射靶材的制備中也

5、具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。 (3)射頻濺射多晶石榴石薄膜研究：研究了襯底、濺射工藝及原位晶化工藝對薄膜磁性能的影響；針對不同的襯底，摸索出了最佳制備工藝條件，得到了結(jié)構(gòu)致密、表面平整、可調(diào)飽和磁化強(qiáng)度的薄膜，發(fā)現(xiàn)在GGG(111)襯底上，控制適當(dāng)?shù)墓に?，可原位外延出單晶石榴石薄膜?(4)快速循環(huán)晶化(RRTA)理論及工藝研究：建立快速循環(huán)納米晶化量子動(dòng)力學(xué)模型，分析了石榴石多晶薄膜在晶化過程中的成核、生長的基本規(guī)律，理論

6、和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方法可以有效細(xì)化薄膜晶粒，大大提高薄膜的磁光效應(yīng)，使法拉第效應(yīng)成倍增大。 (5)靜磁表面波濾波器的理論和實(shí)驗(yàn)研究：首先建立了靜磁表面波濾波器損耗理論模型，分析了石榴石薄膜的厚度、飽和磁化強(qiáng)度及鐵磁共振線寬等參數(shù)對濾波器損耗的影響；其次，建立了雙磁性層結(jié)構(gòu)對靜磁表面波的色散抑制理論；最后，利用液相外延的單層和雙層LuBiIG石榴石薄膜，分別實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)良的靜磁表面波帶通濾波器。器件頻域4.0—5.5GHz，帶寬18

7、0±10MHz，插入損耗≤8.0dB(應(yīng)用雙層色散抑制結(jié)構(gòu)后，插損可達(dá)6.0dB以下)，帶外抑制≥35dB。 (6)微波鐵氧體環(huán)行器薄膜化的可行性研究：從環(huán)行器的設(shè)計(jì)理論出發(fā)，研究了基片和薄膜厚度對環(huán)行器性能的影響。結(jié)果表明在較低頻段(1.0—3.0GHz)，經(jīng)過進(jìn)一步完善薄膜的制備工藝，薄膜環(huán)行器的實(shí)現(xiàn)是可能的；而在高頻段存尚存在一定的制約因素。 (7)石榴石薄膜的THz波導(dǎo)特性研究：研究了液相外延LuBiIG單晶石榴

8、石薄膜和射頻磁控濺射多晶石榴石薄膜在THz波段的透射特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該種石榴石薄膜在THz波段(0.1—3THz)有著很小的吸收損耗系數(shù)，最小值為0.01—0.2/cm之間，是一種非常有潛力的THz波導(dǎo)傳輸材料。 (8)石榴石薄膜型平面波導(dǎo)開關(guān)基礎(chǔ)研究：基于Bi：YIG薄膜材料的巨磁光法拉第效應(yīng)和無鉛液相外延石榴石薄膜的大法拉第效應(yīng)，建立了波導(dǎo)型磁光開關(guān)的理論模型，并利用磁光傳輸理論，分析了影響磁光開關(guān)性能的一系列因素，最終成功