锥形磁结构M型六角铁氧体薄膜铁磁共振的应变和电场调控

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人工智能和物联网(IOT)技术的快速发展,对硬件设备的性能提出了更高的要求,小型化、集成化、柔性化和低功耗化是电子元件的发展趋势。在微波射频领域,铁磁共振(FMR)可调谐对微波器件的实际应用具有重要意义。传统的调谐方式一般采用电流线圈,通过改变线圈的匝数和电流的大小来控制磁场的强弱。或者直接使用永磁体,通过改变永磁体的体积来调节磁场的强弱。这两种传统的方法均可有效的调谐材料的铁磁共振,被广泛的应用在各种微波器件中。但电流线圈和永磁体因为体积的缘故不符合当下电子元件小型化、柔性化和低功耗化的发展趋势,这限制了微波器件的进一步发展。因此需要寻找其他的途径替代电流线圈和永磁体。针对以上问题,本文选择了具有室温磁电耦合效应的锥形磁结构M型六角铁氧体BaFe10.2Sc1.8O19(BFSO)作为研究对象,系统研究了纯机械外力和电场两种方式对BFSO外延薄膜铁磁共振的影响规律,并结合理论模型分析了其调控机制。最后,我们还进一步研究了温度对BFSO薄膜FMR性能的影响规律。具体研究发现如下:首先,在BFSO薄膜微波特性的应变调控实验中,我们在Mica衬底上生长了柔性BFSO外延薄膜,研究了不同弯曲半径条件下柔性BFSO薄膜的等效磁各向异性和FMR性能的变化规律。结果表明,几何形状和弯曲应变都会影响薄膜的FMR性能,通过控制弯曲半径可以很好地调控BFSO薄膜的磁性能。此外,BFSO薄膜的FMR谱在1000次弯曲周期内具有良好的弯曲稳定性。进一步的理论分析表明,BFSO薄膜平面内各向异性场Hk和共振场Hr的变化主要受磁致伸缩效应的影响。而BFSO薄膜的共振线宽△H由多个因素影响,其内禀损耗(ΔHGilb和ΔHinhom)遵循Hr的变化趋势,而基于二磁振子散射的外在损耗ΔHTMS主要由薄膜几何结构决定。上述结果有助于更好地理解和使用柔性BFSO薄膜,使其能够应用于未来X波段的柔性微波器件。其次,我们在铁电基底PMN-PT(111)上生长了 BFSO外延薄膜,研究了 BFSO薄膜室温FMR特性的电场调控规律。研究发现在施加电场时,当磁场位于面内,共振场可以实现26 Oe的上下连续可调。但是由于PMN-PT(111)通过压电效应产生的应力应变沿z轴方向,而且基底内部的电偶极子更偏向z轴方向。所以,一方面不会产生较大的界面应变;另一方面沿z轴方向施加电场后基底内的电偶极子偏转角度较小,所以与BFSO薄膜内的磁偶极子耦合作用较小。鉴于上述原因,电场对薄膜的磁性调控不明显。为此,我们尝试了在PMN-PT(100)上面生长BFSO薄膜,但由于二者之间的晶格失配较大,导致在PMN-PT(100)上面生长的是BFSO多晶薄膜。最后,我们研究了温度对BFSO薄膜FMR性能的影响规律。研究发现,在BFSO薄膜中吉尔伯特阻尼系数α的变化存在两种机制:一种是稀土元素Sc带来的晶格弛豫,表现在室温附近α随温度发生非线性变化;另一种是二磁振子散射和磁振子声子散射带来的线宽,表现在低温时α随温度的线性变化。此外,在共振场对温度的依赖性研究中,我们发现有效磁矩和旋磁比易受温度的影响,并且共振场的变化趋势主要由旋磁比的改变主导的。上述研究结果对理解锥形磁结构BFSO薄膜FMR性能的多场调控机制及其柔性和低功耗器件应用具有重要的参考意义。
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