【摘 要】
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作为4G/5G通信的核心材料与器件,环形器、隔离器等无源微波器件实现着对信号传输的隔离、通路选择和开关等方面关键技术的处理。随着微波/毫米波系统小型化、集成化方向的发展,系统对元器件小型化的要求越来越迫切。而环形器、隔离器等铁氧体元器件的体积远高于其他元器件,因此其小型化、轻量化、平面化的任务尤为迫切。自偏置M型六角铁氧体为环形器、隔离器等无源器件的小型化、轻量化和高频化三者的同时实现提供了一种关
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作为4G/5G通信的核心材料与器件,环形器、隔离器等无源微波器件实现着对信号传输的隔离、通路选择和开关等方面关键技术的处理。随着微波/毫米波系统小型化、集成化方向的发展,系统对元器件小型化的要求越来越迫切。而环形器、隔离器等铁氧体元器件的体积远高于其他元器件,因此其小型化、轻量化、平面化的任务尤为迫切。自偏置M型六角铁氧体为环形器、隔离器等无源器件的小型化、轻量化和高频化三者的同时实现提供了一种关键的材料途径。丝网印刷是大规模生产低损耗自偏置六角铁氧体厚膜的最佳方法之一,但是目前关于丝网印刷法制备六角铁氧体厚膜的研究报道还较少,所制备的六角铁氧体厚膜的关键磁性参数还没有达到器件应用的需求。同时,厚膜微结构与磁性能关系的物理机制也不完全清楚。针对以上问题,我们首先系统研究了多种丝网印刷工艺参数对BaFe12O19(BaM)厚膜微结构和磁性能的影响规律。接着,我们深入研究了晶粒尺寸和晶界结构对BaM厚膜微结构、磁学性能和微波损耗的影响规律,并分析了其物理机制。最后,我们对比了基于丝网印刷工艺的正常烧结与热压烧结工艺对BaM厚膜微结构和磁学性能影响的区别。具体的研究结果如下:第一部分工作研究了多种丝网印刷工艺参数对BaM厚膜微结构和磁学性能的影响规律,通过优化的制备参数,提高了 BaM厚膜的自偏置磁性能。结果表明,有机溶剂的配比会显著影响BaM厚膜磁场取向的过程,改变BaM厚膜的剩磁比。另外,有机溶剂还影响BaM厚膜的密度以及孔隙率。烧结温度控制着BaM厚膜的晶粒生长和致密化过程。烧结温度越高(900-1200℃),BaM晶粒生长就越完全,厚膜孔隙率越低,致密度也就更高。因此,通过烧结温度可以调控BaM厚膜的致密度、矫顽力、饱和磁化强度、剩磁比(即Mr/Ms)等各项性能参数。由于烧结时长在晶粒生长和致密化过程并不占主导因素。因此烧结时长增加后,BaM厚膜的致密度、矫顽力、饱和磁化强度、剩磁比等各项性能参数有一定改变,但还是受烧结温度控制。BaM厚膜的普通烧结和热压烧结的区别在于外加压力会抑制BaM晶粒生长,增加BaM厚膜致密度,一定程度上降低c轴取向度。所以对于不同烧结温度、时长下的BaM厚膜,相对于普通烧结,热压烧结的BaM厚膜晶粒尺寸更小,孔隙率更低,致密度更高,所以BaM厚膜的饱和磁化强度更高,矫顽力更低,剩磁比有所下降。第二部分工作研究了预烧结BaM粉末晶粒尺寸(G0)对BaM厚膜性能的调控过程。通过不同预烧结晶粒尺寸BaM粉末(0.3-1μm)制备了厚膜,研究预烧结粉末尺寸对厚膜性能的影响规律,研究其中的内在机理。结果表明,亚微米范围内G0的降低导致晶粒生长活化能和最终烧结晶粒尺寸显著降低。较小的G0使BaM晶粒在烧结前更容易被磁场对准,并且烧结后厚膜中的可移动畴壁更少。这增加了 BaM厚膜的c轴取向度、剩磁比和矫顽力。此外,G0降低还可以降低BaM厚膜的铁磁共振线宽。所以经研究表明,预烧结晶粒尺寸可以调控BaM厚膜的微观结构、磁学性能和微波损耗。对于不同预烧结晶粒尺寸,相对于普通烧结,热压烧结的BaM厚膜晶粒尺寸更小,孔隙率更低,致密度更高,所以BaM厚膜的饱和磁化强度更高,矫顽力更低,剩磁比有所下降。以上研究结果不仅有助于深入理解基于丝网印刷工艺制备的BaM厚膜的微结构与磁学性能之间的关系,而且可以为BaM厚膜在自偏置环形器/隔离器中的应用提供重要的研究基础。
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