钇铁石榴石基铁氧体的磁特性与磁电耦合效应研究

摘要

近二十年以来，通讯领域科学技术取得了迅猛发展。对于通讯器件小型化、多功能化、集成化的需求日趋迫切。因此，多铁性材料由于其自身独特的磁电耦合特性，及其可预期的“磁-电”双调谐应用受到了研究者的高度关注。在本论文中，我们主要就钇铁石榴石（Yttrium Iron Garnet, YIG）铁氧体中的李希特磁后效；“0-3”型钇铁石榴石微米同质复合与纳米异质复合材料中的磁电耦合效应；钇铁石榴石基铁氧体在甚高频（VHF）频段中的磁介电效应；钇铁石榴石基铁氧体在C波段与S波段中的共振型磁介电效应四个方面展开了详细的机理研究。主要内容如下：
　　首先，本文探究了室温下锆、铈掺杂的钇铁石榴石（Zr-YIG, Ce-YIG）在1 MHz至1 GHz的复磁导率频率响应特性，首次从频率响应的角度验证了室温下钇铁石榴石铁氧体中高频李希特后效的存在。同时系统地研究了上述材料在交变磁场中的磁化过程，通过合理的磁谱拟合计算揭示了高频李希特后效与已知的磁畴壁位移（Domain wall motion）与畴壁自然共振（Spin rotation）两种机制的关系。
　　其次，本文详细研究了基于微波旋磁铁氧体YIG的微米同质复合与纳米异质复合材料的基本物性及其相关磁电耦合效应。通过固相反应法将YIG与新型室温多铁材料YFeO3（YIP）进行复合，制备成“0-3型”(1-x)YIG-xYIP微米同质复合磁电材料（其中x代表 YIP相所占的摩尔比例），其室温下最大磁电耦合系数为10.648 mV/cm-Oe（x=0.3）。另一方面，采用溶胶—凝胶法将纳米 BaTiO3（BTO）均匀分散到微米级YIG体系中，制备了(1-x)YIG-xBTO纳米异质复合磁电材料（其中x为BTO相所占的体积分数）。利用纳米BTO自身的高比表面积，使YIG-BTO纳米异质复合磁电材料在较低的纳米BTO含量下（x=0.25）即可获得相对较大的逆磁电耦合效应，并有效地降低了复合材料体系在微波频段的介电损耗。
　　再次，本文还研究了锡掺杂钇铁石榴石（Sn-YIG）的晶体结构、元素价态、静态磁特性以及其在甚高频段（10 MHz至300 MHz）中的磁介电效应等方面内容，深入分析了Sn-YIG铁氧体中Fe2+-Fe3+偶极子重取向所导致的内秉磁介电效应与磁阻效应和“麦克斯韦—瓦格纳”效应两者共同作用所导致的外秉磁介电效应间的深层次关系以及Sn4+离子对上述效应的调节机制。
　　最后，本文以铈、镱掺杂的钇铁石榴石（Ce-YIG, Yb-YIG）为研究目标，在C波段及 S波段中首次观测到了显著的室温共振型微波磁介电效应。结果表明，Ce-YIG与Yb-YIG在直流磁场与微波磁场的共同作用下，会产生强烈的铁磁共振现象与介电共振行为。研究发现，材料体系中 Fe位电子波动和非一致进动自旋波与电子间的相互作用是导致Ce-YIG与Yb-YIG铁氧体中出现室温下共振型微波磁介电效应的主要因素。另一方面我们深入研究了铁磁共振现象与微波磁介电效应间的能量交换过程，总结了十二面体位上不同掺杂离子对钇铁石榴石铁氧体中共振型微波磁介电效应的具体影响规律。
　　综上所述，本文针对钇铁石榴石基铁氧体的磁特性与磁电耦合效应进行了系统的研究。详细地讨论了钇铁石榴石基铁氧体中李希特磁性后效的频率响应特性，并全面探究了静态、准静态磁电耦合效应以及微波超高频段磁介电效应的物理机制。本文的研究成果将有助于未来下一代多功能―磁—电‖双调谐微波集成器件的发展。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 单相多铁性材料概述

1.3 多相复合材料磁电耦合效应概述

1.4 本文研究内容与章节安排

1.5 本文主要创新点

2 钇铁石榴石基铁氧体中的李希特磁性后效

2.1 引言

2.2 样品的制备与测试方法

2.3 Y3Fe5-xZrxO12铁氧体的基本物性与李希特磁性后效

2.4 CexY3-xFe5O12铁氧体的基本物性与李希特磁性后效

2.5 本章小结

3 “0-3”型钇铁石榴石基多相复合材料的磁电耦合效应

3.1 引言

3.2 (1-x)Y3Fe5O12-xYFeO3微米同质复合材料的磁电耦合效应

3.3 (1-x)Y3Fe5O12-xBaTiO3纳米异质复合材料的磁电耦合效应

3.4 本章小结

4 锡掺杂的钇铁石榴石的室温磁介电效应

4.1 引言

4.2 制备工艺与测试方法

4.3 Y3Fe5-xSnxO12铁氧体的室温磁介电效应

4.4 本章小结

5 钇铁石榴石铁氧体中的微波磁介电效应

5.1 前言

5.2 制备工艺与测试方法

5.3 CexY3-xFe5O12铁氧体的微波磁介电效应

5.4 YbxY3-xFe5O12铁氧体的微波磁介电效应

5.5 本章小结

6 全文总结与工作展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文