高频软磁的磁导率特征关系

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高磁导率软磁材料因其可以明显提高电力和电子设备的功率转换效率而引起全世界的广泛关注。然而,到目前为止,即使在MHz频率范围内也没有一种现有的磁性材料能够完全释放可以工作在GHz的宽禁带半导体器件的潜能。因此寻找到能在MHz及以上频率范围可用的功率软磁材料具有重要意义。事实上磁性材料的磁导率不仅由磁化强度的本征动力学机制决定,还受微波磁场在材料内分布的影响。前者在MHz-GHz范围内主要包括自然共振和畴壁移动而后者的影响主要来自趋肤效应。本论文围绕MHz以上频率范围的磁导率机制与特征关系这一主题,从实验和理论两个方面对单畴颗粒、软磁复合材料、趋肤效应调制下的磁导率机制与特征关系进行了研究,得到了以下创新性结果:1、由普适各向异性模型的双各向异性单畴颗粒(BSDP)构造了双各向异性软磁复合材料(BSMC)的磁化率模型。我们发现BSDP的起始磁化率和共振频率的乘积可通过调控各向异性场突破Snoek极限。并且我们发现当BSMC的磁化强度一致取向或者在一个平面内时,可实现与BSDP相同的起始磁化率与共振频率的乘积。2、提出了趋肤效应调制的薄膜磁导率的理论模型,并在坡莫合金薄膜中得以验证。通过加场测量磁导率谱消除多畴结构,展示了由自然共振决定并受趋肤效应调制的磁导率图像。结果显示,磁导率大小和磁谱形状均受趋肤效应影响,并且截止频率从3.5 GHz(0.02μm)降低至0.3 GHz(4μm)并且截止频率是由自然共振频率和趋肤效应引起的附加损耗峰频率先后分别主导控制的。3、发现了磁导率的新型特征关系,并分别通过理论和实验验证。我们从理论上得到了相等的实部特征关系与虚部特征关系。其中实部特征值具有普适性,其与趋肤效应无关且在一定条件下可以回退至Snoek极限与Archer极限。材料实际的特征关系与趋肤效应密切相关,其本质在于磁性材料中涡流造成交变磁场的非均匀分布。
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