同时具有面内面外易磁化方向的磁性双层石榴石材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种同时具有面内面外易磁化方向的磁性双层石榴石材料及其制备方法，制备方法包括在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的步骤；其中，钇铁石榴石薄膜基片和外延石榴石磁性薄膜的易磁化方向不同。本发明采用面内易磁化的石榴石磁性材料作为外延薄膜材料，并通过液相外延法、磁控溅射法或脉冲激光沉积法制备在钇铁石榴石薄膜基片上，从而增强YIG面外磁矩分量，最终制备得到同时具有面内面外易磁化方向的磁性双层石榴石材料；制备方法简单且多样化。

说明书

技术领域

本发明涉及磁性材料技术领域，具体涉及一种同时具有面内面外易磁化方向的磁性双层石榴石材料及其制备方法。

背景技术

自上个世纪五六十年代开始，自旋波的发现带来了对未来信息传输技术提供的理论基础，同时由于自旋波是基于固体材料传输的磁性波，因此对基础磁性材料提出了较高的要求。直到今日，具有超窄线宽超小损耗的钇铁石榴石(YIG)材料是传输自旋波的理想材料。利用液相外延生长技术在钆镓石榴石(GGG)基片上外延生长YIG材料能够制备出最优质量的YIG材料，自旋波传输从磁化状态以及传输方向上分类可以分为三种传播模式，包括静磁表面波，前向体波，后向体波。其中，静磁表面波和后向体波均为面内磁化下自旋波传输，此种传输模式具有非互易的特点，由于方向性的存在，使得自旋波的传输和自旋波器件的设计都存在局限性。后向体波是面外磁化磁矩传输自旋波，而面外磁化YIG材料需要有较大的外加磁化磁场，不利于器件的实际应用。具有面外易磁化方向的材料往往具有较大的损耗。

为了解决上述问题，目前具有的手段是改变YIG材料的配方，通过较大半径的原子进行掺杂取代，通过薄膜与衬底的应力作用产生面外易磁化轴。另外，也有通过改变衬底晶格常数诱导外延膜产生面外易磁化轴。这两种方法往往会导致薄膜的成膜质量较差或者损耗较大，需要有其他材料或者结构实现相应功能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种同时具有面内面外易磁化方向的磁性双层石榴石材料及其制备方法，通过采用面内易磁化的石榴石磁性材料作为外延薄膜材料，与第一层YIG薄膜存在磁性耦合，从而可以增强YIG面外磁矩分量，最终制备得到同时具有面内面外易磁化方向的磁性双层石榴石材料。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明提供了一种磁性双层石榴石材料的制备方法，包括在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的步骤；其中，钇铁石榴石薄膜基片和外延石榴石磁性薄膜的易磁化方向不同。

在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法选自液相外延法、磁控溅射法和脉冲激光沉积法中的一种。

采用液相外延法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法具体包括步骤：将钇铁石榴石薄膜基片进行清洗，然后放入熔体(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂中，在温度为960℃且基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s，得到磁性双层石榴石材料。

优选地，采用液相外延法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法还包括步骤：将生长完成后得到的外延基片进行清洗，去除残留。

采用液磁控溅射法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法包括步骤：将钇铁石榴石薄膜基片进行清洗，然后采用(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂为靶材，在氧的体积分数为百分之五的环境中，500℃的衬底温度下，外延生长(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂薄膜；将得到的材料退火，使薄膜结晶成相，得到磁性双层石榴石材料。

优选地，(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂采用固相法制备得到；退火在空气中进行，退火的温度为800℃，退火的时间为2h。

钇铁石榴石薄膜基片的制备方法选自液相外延法、磁控溅射法和脉冲激光沉积法中的一种。

钇铁石榴石薄膜基片的制备方法具体包括步骤：在重铬酸钾酸溶液中清洗钆镓石榴石基片；然后采用液相外延法，在温度为960℃且基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s。

优选地，钇铁石榴石薄膜基片的制备方法还包括步骤：将生长完成后得到的外延基片进行清洗，去除残留。

本发明还保护根据上述方法制备得到的磁性双层石榴石材料。

本发明提供了一种同时具有面内和面外磁矩的石榴石双层磁膜结构；首先在钆镓石榴石(GGG)衬底上外延具有面内各项异性的磁性石榴石薄膜材料，外延材料需要与衬底材料有相近的晶格常数，首层外延材料需要在面内易磁化，且薄膜制备方法包括但不局限于液相外延法，磁控溅射法以及脉冲激光沉积技术；然后在制备的具有面内各向异性石榴石磁性薄膜材料的基础上，制备具有面外各向异性石榴石磁性薄膜材料；第二层外延石榴石磁性薄膜材料具有与首层不同的易磁化方向，制备方法包括但不局限于液相外延法，磁控溅射法以及脉冲激光沉积；第二层外延材料需要与首层外延材料有一定的晶格失配，使外延材料具有应力诱导单轴各向异性带来面外易磁化磁矩。

本发明提供的技术方案，具有如下的有益效果：(1)本发明提供的磁性双层石榴石材料的制备方法，预先制备出的钇铁石榴石(YIG)薄膜材料具有较高的质量，可以通过液相外延法、磁控溅射法或脉冲激光沉积法进行制备；(2)本发明通过外延第二层薄膜对钇铁石榴石(YIG)薄膜进行调节，第二层外延膜的制备方法多样，可以根据需要选择合适的方法实现外延膜生长；(3)本发明提供的磁性双层石榴石材料的制备方法，由于外延膜同为石榴石磁性结构，与YIG存在磁性耦合，可以增强YIG面外磁矩分量；(4)本发明解决了现有自旋波前向体波传输介质制备方法中材料损耗较大，制备难度大以及制备方法受限制等问题，具有很好的应用前景。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例二中制备得到的磁性双层石榴石材料外延结构的X射线衍射图谱；

图2是本发明实施例二中制备得到的磁性双层石榴石材料的磁滞回线测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规厂商购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。除非另有说明，本发明清洗步骤均是采用重铬酸钾酸溶液进行基片清洗，重铬酸钾酸溶液是重铬酸钾、浓硫酸和水的混合液，其中，重铬酸钾的质量浓度为18～20g/L，浓硫酸的摩尔浓度为10～15mol/L。

本发明提供一种磁性双层石榴石材料的制备方法，包括步骤：

S1：在重铬酸钾酸溶液中清洗钆镓石榴石基片(GGG)；

S2：采用液相外延法，在温度为960℃且钆镓石榴石基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s，制备得到钇铁石榴石薄膜基片(YIG)；

S3：将外延的钇铁石榴石薄膜基片(YIG)再次清洗，去除残留，得到高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片，作为第一层功能材料；

S4：在重铬酸钾酸溶液中再次清洗高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片；

S5：采用液相外延法、磁控溅射法或脉冲激光沉积法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜，得到磁性双层石榴石材料；

优选地，采用液相外延法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法具体包括步骤：将S4中清洗后的高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片放入熔体(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂中，在温度为960℃且基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s；生长完成后，进行清洗，去除残留，得到磁性双层石榴石材料。

或采用磁控溅射法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法包括步骤：将S4中清洗后的高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片进行清洗，然后采用固相法制备(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂，以(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂为靶材，在氧的体积分数为百分之五的环境中，500℃的衬底温度下，外延生长(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂薄膜；将得到的材料在空气中，800℃退火2h，使薄膜结晶成相，得到磁性双层石榴石材料。

下面结合具体实施例对本发明提供的磁性双层石榴石材料及其制备方法作进一步说明。

实施例一

本实施例提供一种磁性双层石榴石材料的制备方法，包括步骤：

S1：在重铬酸钾酸溶液中清洗钆镓石榴石基片(GGG)；

S2：采用液相外延法，在温度为960℃且钆镓石榴石基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s，制备得到钇铁石榴石薄膜基片(YIG)；

S3：将外延的钇铁石榴石薄膜基片(YIG)再次清洗，去除残留，得到高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片，作为第一层功能材料；

S4：在重铬酸钾酸溶液中再次清洗高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片；

S5：采用液相外延法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜，具体包括步骤：将S4中清洗后的高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片放入熔体(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂中，在温度为960℃且基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s；生长完成后，进行清洗，去除残留，得到磁性双层石榴石材料。

实施例二

本实施例提供一种磁性双层石榴石材料的制备方法，包括步骤：

S1：在重铬酸钾酸溶液中清洗钆镓石榴石基片(GGG)；

S2：采用液相外延法，在温度为960℃且钆镓石榴石基片转速为60r/min的条件下，生长6～55s，制备得到钇铁石榴石薄膜基片(YIG)；

S3：将外延的钇铁石榴石薄膜基片(YIG)再次清洗，去除残留，得到高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片，作为第一层功能材料；

S4：在重铬酸钾酸溶液中再次清洗高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片；

S5：采用磁控溅射法在钇铁石榴石薄膜基片上制备外延石榴石磁性薄膜的方法包括步骤：将S4中清洗后的高质量钇铁石榴石(YIG)薄膜基片进行清洗，然后采用固相法制备(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂，以(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂为靶材，在氧的体积分数为百分之五的环境中，500℃的衬底温度下，外延生长(TmBi)₃(FeGa)₅O₁₂薄膜；将得到的材料在空气中，800℃退火2h，使薄膜结晶成相，得到磁性双层石榴石材料。

图1是本发明实施例二中制备得到的磁性双层石榴石材料外延结构的X射线衍射图谱，可以看到衬底和外延双层膜具有一定的晶格失配，但是成膜质量较好。图2是本发明实施例二中制备得到的磁性双层石榴石材料的磁滞回线测试图，可以看到，此结构具有面内面外两个易磁化方向。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。在这里示出和描述的所有示例中，除非另有规定，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。