钇铁石榴石薄膜的稀土改性及自旋波传感器应用研究

摘要

钇铁石榴石(YIG)薄膜是自旋波长距离传播的理想载体，它决定了自旋波传播的属性。已经有很多关于YIG薄膜在室温下的磁化动力学研究报道。然而，对掺稀土的YIG薄膜在低温下的磁化动力学及自旋波特性研究相对较少，且稀土取代的YIG薄膜通常具有新颖的磁化动力学特性，因此本研究是十分有意义的。本文主要研究了掺稀土工艺制备的YIG薄膜和磁控溅射制备的异质结体系在变温与室温下的磁化动力学改性，并结合YIG薄膜的优点设计和制作出结构简单、成本低、灵敏度高的磁振子传感器。主要工作如下： 第一部分，对采用液相外延工艺制备镧(La)取代的YIG单晶薄膜在变温下的磁化动力学特性进行了系统研究。首先，使用液相外延工艺在钆镓石榴石(Gd3Ga5O12)衬底上生长掺镧的钇铁石榴石(La:YIG)单晶薄膜。然后，在不同温度(55-300K)下测量La:YIG薄膜的铁磁共振(FMR)谱。实验表明：随着温度的升高，La:YIG薄膜的自旋波模式增多，这说明声子可以产生额外的自旋波模式；当温度从55K增加到300K时，La:YIG薄膜的铁磁共振线宽发生了显著变化；低温下?H(T)的非线性行为表明镧是缓慢弛豫元素；La:YIG薄膜的吉尔伯特阻尼因子源自磁振子-磁振子和磁振子-声子的散射，这可以用于构建声子调谐的自旋波器件。 第二部分，是采用磁控溅射稀土镝(Dy)对YIG薄膜进行异质结的改性，并研究YIG/Dy异质结体系在室温下的磁化动力学特性。文中先采用直流磁控溅射技术在纯YIG基片上生长厚度分别为10nm、20nm、40nm、60nm的四组稀土镝层，形成四组不同Dy厚度的异质结。实验证明，相对纯YIG薄膜而言，YIG/Dy异质结的磁化动力学性能的改性很明显。随着Dy层厚度的增加，YIG/Dy体系的铁磁共振线宽增加，吉尔伯特阻尼因子增大，磁光克尔信号增强，且具有对自旋波幅度放大的作用。 第三部分，设计并制作出基于YIG薄膜的磁振子传感器件。首先，通过Proe、HFSS软件分别设计出夹具和微带天线；其次，对尺寸为10×10mm2的YIG薄膜进行光刻、刻蚀，得到传感器的核心部件。最后，利用加工出的自旋波传感器，找出幅值、频移与浓度和湿度之间的关系。实现了对四氧化三铁纳米颗粒溶液浓度和环境湿度的有效检测。证明本研究实现的自旋波传感器具有结构简单、成本低、灵敏度高的特点，可应用于磁性纳米颗粒浓度和环境湿度的传感和检测。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 钇铁石榴石薄膜的稀土改性及自旋波传感器应用研究综述

1.2.1 钇铁石榴石薄膜的稀土改性研究

1.2.2 自旋波及其应用的研究发展

1.3 本文的主要研究内容

第二章 铁磁共振及自旋波的相关理论

2.1 铁磁共振的磁化动力学

2.1.1 Landau-Lifshitz-Gilbert方程

2.1.2 铁磁共振

2.1.3 理想铁磁体热力学行为

2.2 自旋波及其模式

2.3 铁磁体的缓慢弛豫

2.4 本章小节

第三章 镧取代YIG单晶薄膜中自旋波模式和阻尼因子的温度特性研究

3.1 引言

3.2 镧取代YIG单晶薄膜的制备与测试

3.3 镧取代YIG单晶薄膜的结构研究

3.4 镧取代YIG单晶薄膜中自旋波模式及阻尼因子分析

3.4 本章小结

第四章 YIG/Dy异质结的磁化动力学特性研究

4.1 微波VNA-FMR测试系统原理

4.2 YIG/Dy异质结的制备

4.3 YIG/Dy异质结的磁化动力学特性研究

4.3.1 YIG/Dy异质结的结构研究

4.3.2 YIG/Dy异质结的自旋波特性研究

4.3.3 YIG/Dy异质结的FMR研究

4.3.4 YIG/Dy异质结的磁光性能研究

4.4 本章小结

第五章 基于YIG薄膜的自旋波传感器应用

5.1 引言

5.2 自旋波传感器图解

5.3 自旋波传感器微带线及夹具设计

5.4 自旋波传感器的敏感元件加工与实现

5.5 自旋波湿度传感器

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

硕士期间所取得的研究成果