面内取向BaM铁氧体膜的可控制备与磁学性质研究

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随着磁性微波器件逐渐向微型化、片式化和高频化的方向发展,六角铁氧体材料,尤其是c轴面内取向的M型六角铁氧体(BaFe12O19,BaM)薄膜,因其独特的自偏置特性,即撤去外场后仍具有高的内偏置磁场,而具有广阔的应用前景。然而,面内取向的BaM膜很难制备,目前几乎仅限于采用昂贵的脉冲激光沉积或液相外延的方法,而这两种方法都很难大规模应用。本论文采用直流磁控溅射的方法制备了c轴面内取向的BaM膜,并针对其可控制备以及结构和性能的表征等关键问题进行了系统研究。为得到用于直流磁控溅射实验的靶材,本文首先研究了不同的烧结气氛对六角铁氧体陶瓷电、磁等性能的影响。通过氩气氛烧结的方法有效降低了BaM陶瓷靶材的电阻率,并成功应用于直流磁控溅射实验中。而对Z型六角铁氧体Ba3Co2Fe24O41(Co2Z)阻抗等特性的研究表明,通氧烧结可以使Co2Z的介电损耗和磁损耗得到大幅度降低,有利于其在低损耗微波天线基片中的应用。采用直流磁控溅射法在Al2O3衬底上沉积了c轴面内定向排列的BaM薄膜,沿易磁化方向的剩磁比达0.97,表现出良好的自偏置特性。系统研究了溅射功率、气氛等因素对薄膜取向和磁性能的影响及作用机理。针对BaM薄膜中常常出现的α-Fe2O3,分析了该相在降低膜/衬底界面晶格应力方面的缓释作用。通过不同衍射峰的X射线极图表征,解析了薄膜晶粒的弥散分布情况以及α-Fe2O3中间相对BaM取向生长的诱导作用。基于对BaM薄膜显微形貌的分析以及对膜/衬底界面处位错等缺陷的观测,提出了长板条晶结构的生长模型。针对由晶格失配度大(约7%)而导致的难以制备微米级厚膜的技术问题,采用逐层退火的方法得到了有效解决。所制备的3.44μm厚BaM膜在X射线衍射和偏振拉曼光谱等表征中表现出良好的面内取向特性。通过微波特性的测试以及Kittel方程的计算,得到该BaM多层膜的零场铁磁共振频率达到50 GHz以上,且随外加磁场的增加线性提高。最后,研究了另外一种面内取向情况,即c轴面内随机取向BaM膜的取向生长及机理。在(112?0)切面的6H-SiC衬底上制备了该种薄膜,并进行了磁各向异性的表征和理论分析,解析了单晶基片对于薄膜晶粒取向的诱导作用。
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