微波環(huán)行器用低維鐵氧體的制備及性能研究.pdf

1、隨著電子信息和通訊技術(shù)的高速發(fā)展，電子器件不斷的向多功能、小型化發(fā)展，這對電子材料的篩選、制備以及設(shè)計提出了更高的要求。環(huán)行器屬于微波無源電子器件，利用鐵氧體材料的非互易性能，可實現(xiàn)對電磁信號傳播方向的調(diào)控。根據(jù)磁性器件的發(fā)展趨勢，薄膜化、更多功能集成、工作頻率高頻化以及自偏置必將是磁性微波環(huán)行器的發(fā)展方向。
　　六角M型鋇鐵氧體（BaFe12O19，BaM）具有顯著的高單軸各向異性特性而被業(yè)界人員任命為未來環(huán)行器實現(xiàn)高頻以及自偏

2、置的首選材料，同時釔鐵石榴石鐵氧體（Y3Fe5O12，YIG）具有顯著的低鐵磁共振線寬特性，因此低維BaM以及YIG的制備對實現(xiàn)環(huán)行器的小型化具有重要的意義。本論文的研究工作是圍繞著微波環(huán)行器用高飽和磁化強度、高磁晶各向異性場以及高矩形比的低維BaM材料以及低鐵磁共振線寬的低維YIG材料的制備進行展開。首先，分別在氧化鋁、氧化鎂以及硅基底上外延生長BaM薄膜，通過測試設(shè)備對其微觀結(jié)構(gòu)以及磁性能進行表征分析，探討薄膜的磁性能與沉積參數(shù)的關(guān)

3、聯(lián)問題，并最終擇出最佳薄膜沉積參數(shù)。其次在硅以及GGG基底上沉積制備亞微米厚度的YIG薄膜，探討鐵磁共振線寬擴寬的機理問題。然后嘗試在多孔硅掩模板里生長鐵氧體納米線陣列膜，分析納米線的生長機理及磁性能特性。最后利用脈沖激光沉積技術(shù)以及超薄氧化鋁掩模板（AAO）在不同襯底上制備二維鐵氧體納米點陣列膜，分析點陣的性能。主要內(nèi)容可分為以下四部分。
　　1、BaM薄膜的制備以及性能的調(diào)控。（1）兩步燒結(jié)法制備致密性達到98.6％,且晶粒直

4、徑僅為2.2mm的（33）a（44）靶材;（（17））在氧化鋁基底上研究分析了沉積參數(shù)與薄膜微觀性能的關(guān)聯(lián)問題,探討了薄膜微觀性能與磁性能的關(guān)聯(lián)問題,并基于緩沖層Pt對薄膜的磁性能進行調(diào)控研究。最終在20 nm厚的Pt以及最佳沉積參數(shù)下制備出具有357 emu/cm3的飽和磁化強度、16.5 kOe的單軸各向異性場以及不足20%的矩形比的BaM薄膜;（3）在氧化鎂基底上研究分析了退火溫度以及緩沖層Pt對BaM薄膜結(jié)構(gòu)以及磁性能的影響。研

5、究緩沖層Pt在降低薄膜結(jié)晶溫度以及阻隔元素擴散方面的作用。并研究發(fā)現(xiàn)低溫長時間退火處理在薄膜結(jié)晶性以及磁性能方面都有重要的改善作用。最終在20 nm-Pt的緩沖層上、950 ℃-10 h的退火條件下制備出Ms高達358 emu/cm3,單軸各向異性場16.5 kOe,矩形比50.2%的BaM鐵氧體薄膜。（4）在硅基底上研究了緩沖層厚度對薄膜性能的影響,并最終在200nm-Pt緩沖層基礎(chǔ)上,900 ℃-3 h的退火條件下得到BaM薄膜具有

6、Ms高達317 emu/cm3,68.6%的矩形比以及15 kOe的單軸各向異性場。（5）通過對不同基底上的BaM薄膜進行一階反轉(zhuǎn)曲線測試并對結(jié)果進行分析對比,得到氧化鋁以及氧化鎂基底上得到的BaM薄膜以多疇晶粒結(jié)構(gòu)為主,而硅基底上的BaM薄膜以單疇晶粒結(jié)構(gòu)為主,并且晶粒之間的相互作用場大小滿足關(guān)系A(chǔ)l2O3>MgO>Si。
　　2、YIG薄膜的的制備以及鐵磁共振線寬的研究。（1）采用分步燒結(jié)技術(shù)制備高質(zhì)量YIG靶材。（2）提出了

7、采用多層緩沖層法,調(diào)控YIG薄膜的鐵磁共振特性。通過引入CeO2/YSZ以及三層（YAG/YAIG/YIG）低溫緩沖層,成功的將硅基底上YIG薄膜的鐵磁共振線寬降低到53 Oe,同時將YIG薄膜的最大無裂紋厚度提高到500 nm。（3）在GGG基底上研究制備亞微米級厚度的YIG薄膜,探討薄膜的鐵磁共振特性與薄膜微觀性能的關(guān)系問題。通過鐵磁共振譜中的多峰以及與膜厚的關(guān)系問題分析出薄膜內(nèi)存在擁有不同有效場的共振區(qū)域。并且通過不同磁場角度下共

8、振譜得到亞微米級薄膜擁有7 Oe的本征鐵磁共振線寬以及最大25 Oe的非本征鐵磁共振線寬。
　　3、鐵氧體納米線陣列膜的制備及其性能研究。（1）分別采用無電沉積銅顆粒法以及自組裝金點陣法制備多孔硅掩模板。并最終經(jīng)過兩步刻蝕出孔洞直徑與間距皆為500 nm的多孔硅掩模板。（2）利用溶膠凝膠法分別在多孔硅模板里生長BaM以及鈷鐵氧體（CoFe2O4,CFO）納米線陣列膜。微觀結(jié)構(gòu)顯示BaM以及CFO納米線陣列的直徑約為200 nm。磁

9、性能上,BaM納米線陣列表現(xiàn)出各向同性特性,矯頑力以及矩形比分別為2560 Oe以及0.6。CFO納米線陣列也表現(xiàn)出各向同性特性,通過一階反轉(zhuǎn)曲線圖分析,矯頑力分布在1000 Oe出現(xiàn)的概率最高,納米線陣列之間存在一定的相互作用力。
　　4、鐵氧體納米點陣膜的制備以及性能的研究。（1）YIG納米點陣膜的制備及磁性能的研究。分別在硅以及GGG基底上制備YIG納米點陣。微觀形貌上看，點陣的直徑與超薄AAO的直徑一致，大約在350nm。