【摘 要】
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基于铁磁共振的射频和微波器件被广泛地应用于通讯、信息、航空航天以及军事等领域,科技的不断发展对器件的共振频率提出更高的要求。软磁材料的铁磁共振频率决定了磁性高频器件的工作频率上限。随着当今集成电路技术的发展,无外加偏置磁场（自偏置）条件下的高频软磁薄膜材料成为急需材料。近年来,针对具有磁各向异性的自偏置高频软磁薄膜材料开展了大量的研究工作,如利用倾斜溅射、成分梯度溅射、铁磁/反铁磁层间耦合、磁电耦
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基于铁磁共振的射频和微波器件被广泛地应用于通讯、信息、航空航天以及军事等领域,科技的不断发展对器件的共振频率提出更高的要求。软磁材料的铁磁共振频率决定了磁性高频器件的工作频率上限。随着当今集成电路技术的发展,无外加偏置磁场（自偏置）条件下的高频软磁薄膜材料成为急需材料。近年来,针对具有磁各向异性的自偏置高频软磁薄膜材料开展了大量的研究工作,如利用倾斜溅射、成分梯度溅射、铁磁/反铁磁层间耦合、磁电耦合等。然而,自偏置铁磁共振频率10 GHz以上的软磁薄膜依然很难获得。最近本课题组发现,在具有强层间耦合作用的铁磁/非磁/铁磁（FM/NM/FM）三明治薄膜中,通过调控铁磁层之间的磁矩相对取向,可以得到铁磁共振频率高达18 GHz以上的纯光学模共振,且具有很高的磁导率,有望成为一类具有实用价值的高频软磁材料。因此,研究层间交换耦合机理,调控光学模共振频率和磁导率,成为重要的研究课题。本论文围绕FeCo基磁各向异性三层膜中光学模的形成和调控机制,从样品制备方法、中间非磁层厚度以及通过磁电耦合效应调控等多方面入手开展了一系列工作,主要内容概括如下:（1）通过倾斜溅射法和成分梯度溅射法两种工艺分别制备了FeCoB/Ru/FeCoB（tRu=3.0A）三层膜,均观察到铁磁共振增强现象。倾斜溅射法制备的FeCoB/Ru/FeCoB三层膜相比单层FeCoB具有更好的单轴磁各向异性,各向异性场HK从85 Oe增大到417 Oe,对应的零磁场铁磁共振频率fr从4.23 GHz提高到8.36 GHz,阻尼损耗α仍保持在0.012。特别是由成分梯度溅射法（CGS）制备的三层膜获得了稳定的超高频纯光学模铁磁共振。CGS-FeCoB单层薄膜HK约为90 Oe,但由于强反铁磁耦合作用,三层膜的交换耦合场JICE高达2534 Oe,使得光学支共振频率骤增到18.68 GHz,且初始磁导率μi仍保持在13以上,达到了可实际应用的水平。还发现在特定转换磁场下,其铁磁共振模式可在超高频光学模共振和低频的声学模共振间无损切换,这为频率可重构微波器件设计提供了新的可能。（2）探究不同中间层厚度对FeCoB/Ru/FeCoB三明治薄膜中铁磁层耦合方式以及铁磁共振性质的影响。以CGS-FeCoB单层膜为基础,制备了一系列不同Ru厚度的FeCoB/Ru/FeCoB样品,发现铁磁耦合方式随tRu的变化存在振荡关系,在反铁磁耦合与铁磁耦合间变换,并伴随着耦合强度J的快速衰减。在2.1 A≤tRu ≤15.0A区间范围内均可同时观察到声学支与光学支铁磁共振。特别的,在tRu=3.0A的双线性型耦合（bilinearcoupling）下,得到了单纯的光学支铁磁共振,J1高达-4.41 erg/cm2,frO 19.55 GHz。（3）在（011）切向的PMN-PT单晶衬底上,制备了具有纯光学模共振的FeCoB/Ru/FeCoB三明治薄膜,探究了磁电耦合效应对光学模共振性能的影响。在磁电耦合效应的作用下,三层膜样品的易轴方向随外加电场的增大发生逆时针旋转,且转角大小可通过电场来控制。在外加电场达到10 kV/cm时,易轴方向旋转了 90°,实现了光学模难易轴的互易,并基本保持了原有的高频微波性能,这为光学模工程提供了新的角度。（4）设计并制备了基于光学模共振单元的多种多层膜结构:（FeCoB/Ru）n、[（FeCoB/Ru/FeCoB）/MgO]n 以及[（FeCoB/Ru/FeCoB）/ZnO]n 超晶格结构。最终在[（FeCoB/Ru/FeCoB）/ZnO]n超晶格厚膜中,磁性层的总厚度达到了 250 nm,有效提高了光学模共振样品的磁能密度,并且自偏置光学模共振频率保持在13.5 GHz以上的,初始磁导率高于15。样品在磁场调控下仍旧可以实现双模式铁磁共振的可逆切换:低场区（0-114Oe）为高频光学模共振,高场区（>1140e）转变为低频的声学模共振（约4.5 GHz）。该超晶格结构将为设计和制造多功能集成电路器件提供更大的自由度。
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