基于磁性材料的微波器件的研究

摘要

多铁性材料是同时具有两个或者两个以上基本铁性，且这些铁性之间可能通过某些效应可以实现相互转换的功能，在信息存储、传感器等领域有着广阔的应用前景。人们通过对多铁性材料的磁、电、热力学等基本性质的研究发现其存在多种长程有序，并且相互耦合。其中最近某些单相多铁材料的磁电耦合效应方面取得了很大的突破。另一方面，由磁性材料和铁电材料构造而成的层状多铁异质结构因其在磁电耦合效应方面的重要性也逐渐成为研究的热点。研究此结构的关键所在就是利用磁电耦合效应来实现外加电场对器件的磁性的调控。这种结构的研究不但对铁磁、铁电相互耦合作用的微观机制有着深远的意义，而且在未来自旋电子学器件的领域有着广阔的应用前景。本文从单相多铁材料GdFeO3出发，逐渐将研究过渡到层状多铁材料的磁电可调特性，通过外加电场可以诱导层状多铁材料的磁电特性。本研究主要内容包括：
　　⑴通过溶胶凝胶法(Sol-Gel)制备GdFeO3纳米粉体材料，采用XRD表征物相结构，扫描电子显微镜分析其表面形貌和颗粒大小。800℃烧结的GdFeO3样品物相最纯。在室温下，GdFeO3样品具有反铁磁性，其饱和磁场强度为0.5emu/g，饱和磁化磁场为185Oe。室温下，通过矢量网络分析仪测量样品的电磁参数随频率的变化发现其呈现共振型频谱;厚度为3mm的环状样品的吸波性能最优。
　　⑵采用直流磁控溅射法制备的坡莫合金薄膜，经过不同衬底温度以及不同角度溅射，得到具有不同饱和磁场强度和不同自然磁共振频率的样品。实验表明:衬底温度较低时的FeNi合金薄膜具有更高的单轴各向异性场，并且其共振频率较衬底温度600℃的样品大约0.6GHz。伴随着磁控溅射样品架弯曲角度的不同，所制备出的样品具有不同的矫顽力和饱和磁场强度以及不同的自然磁共振频率。因此可以利用镀膜过程中采用不同溅射角度或者衬底温度来制备出我们所需求得电磁参数的样品。这对研究FeNi和FeCo合金薄膜在微波高频电子器件领域具有很好的应用前景。
　　⑶分别采用磁控溅射和脉冲激光沉积法(PLD)制备FeCo/PMN-PT以及 YIG/PMN-PT层状多铁材料。通过控制外电场诱导其共振频率发生漂移以及静磁能发生改变，YIG/PMN-PT的自然共振频率漂移大小约为0.1GHz/kv。FeCo/PMN-PT漂移速率约为80MHz/kv。这表明通过外加电场可以显著提高层状多铁异质结构的饱和磁化强度以及共振频率，且有磁化强度在面内方向随电场变化较为明显。这种层状多铁材料的磁电耦合效应在通信领域的高频微波器件具有很好的应用前景。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高频铁磁共振

1．3 多铁性材料的发展

1．4 磁电耦合效应

第2章 样品制备与测量表征方法

2．1 材料的制备方法

2．1．1 纳米粉体的制备

2．1．2 薄膜材料的制备

2．2 材料的表征方法

2．3 材料的测量方法

第3章 GdFeO3纳米粉体的制备及其电磁特性

3．1 引言

3．2 GdFeO3样品的制备

3．3 GdFeO3样品的表征

3．4 样品的测量结果与讨论

3．4．1 烧结温度对电磁参数影响

3．4．2 样品厚度对电磁参数的影响

3．4．3 GdFeO3样品的磁电耦合特性

3．5 本章小结

第4章 铁磁／半导体层状薄膜器件的构筑

4．1 引言

4．2 薄膜制备以及测量原理

4．2．1 薄膜的制备

4．2．2 磁性薄膜的复磁导率

4．2．3 器件测试夹具设计原理

4．3 薄膜样品的测量

4．3．1 FeCo薄膜的测量结果与讨论

4．3．2 FeNi薄膜的测量结果与讨论

4．4 本章小结

第5章 铁磁／铁电多层材料的研究

5．1 引言

5．2 薄膜样品的制备

5．2．1 YIG靶材的制备工艺

5．2．2 YIG与FeCo薄膜的制备

5．3 铁磁／铁电多层结构样品的测量

5．3．1 FeCo／PMN-PT的测量结果与讨论

5．3．2 YIG／PMN-PT的测量结果与讨论

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢