具有可转动磁各向异性磁性薄膜的GHz下高磁导率机制研究

Magnetic thin films with tunable microwave magnetic properties are very useful for tunable microwave signal processing devices. Rotatable anisotropy, whose direction can be rotated by a large saturated field, may be a candidate to achieve the tunable high frequency permeability in the magnetic thin films. This project is going to optimize the high frequency properties of magnetic thin films by using the rotatable anisotropy. The key point is to study the rotatable anisotropy in different magnetic thin film system. The magnetic monolayer, composite and multilayer thin films will be deposited by using the magnetron sputtering system. Combining with the structure and morphology investigation, we will study the preparation of the magnetic thin films with a rotatable magnetic anisotropy. We will also studying the macro and micro, static and high-frequency magnetic properties of the magnetic thin films, especially using the angle-resolved high-frequency magnetic permeability spectra technique with vector network analyzer and ferromagnetic resonance to study the high-frequency magnetic permeability and magnetic resonance frequency of the thin film, then obtain the rotatable magnetic anisotropy by anlyses the high frequency permeability spectra. Then the intrinsic and extrinsic magnetic properties will be fully studied. We will then study and analysis the origin and the mechanism of the rotatable anisotropy in magnetic thin films combine with the micromagnetic simulation. We will find out a way to improve the resonance frequency and high freqeuncy permeability by increase the rotatable anisotropy in magnetic thin films. Based on fully study the rotatable anisotropy in magnetic thin films, combining with the conventional magnetic anisotropy of the magnetic thin films, we will optimize the high frequency permeability and the resonance frequency of the magnetic thin film. This project will provide magnetic thin films with its high frequency properties angular adjustable. And this project will also improve the theory of the magnetic anisotropy in magnetic thin films. It is very useful to provide the theoretical and technical basis for the high frequency magnetic thin films preparations and applications.

可控的微波信号处理器件要求磁性薄膜具有在GHz下的高磁导率，并且要求其磁导率和共振频率在位可调。由于可转动磁各向异性的易磁化方向可随角度的改变而改变，因此有望利用可转动磁各向异性解决这一难题。本项目拟用磁控溅射技术制备具有可转动磁各向异性的单层膜、复合膜和多层膜。利用角度分辨的高频磁导率测试系统对磁性薄膜材料的高频磁导率和共振频率进行测量和分析，得到其中的可转动磁各向异性。结合结构和静态磁性测试，利用微磁学模拟方法系统研究和分析磁性薄膜中可转动磁各向异性的形成机理，寻找出利用可转动磁各向异性提高薄膜共振频率和磁导率的方法,结合磁性薄膜中传统的单轴、单向磁各向异性，对薄膜材料的高频磁导率和共振频率进行优化。对可转动磁各向异性的研究不仅可以获得具有磁导率角度可调的高共振频率、高微波磁导率的磁性薄膜，而且也将完善磁性薄膜中磁各向异性的理论体系,为高频磁性薄膜的制备和后续研究提供理论和技术指导。

可控的微波信号处理器件要求磁性薄膜具有在GHz 下的高磁导率，并且要求其磁导率和共振频率在位可调。由于可转动磁各向异性的易磁化方向可随角度的改变而改变，因此有望利用可转动磁各向异性解决这一难题。本项目利用磁控溅射技术制备具有可转动磁各向异性的单层膜、复合膜和多层膜。利用角度分辨的高频磁导率测试系统对磁性薄膜材料的高频磁导率和共振频率进行测量和分析，得到其中的可转动磁各向异性。结合结构和静态磁性测试，利用微磁学模拟方法系统研究和分析磁性薄膜中可转动磁各向异性的形成机理，寻找出利用可转动磁各向异性提高薄膜共振频率和磁导率的方法,结合磁性薄膜中传统的单轴、单向磁各向异性，对薄膜材料的高频磁导率和共振频率进行优化。具体开展了以下的研究内容：1.高频磁性薄膜磁导率和共振频率的调控与提高，这部分研究内容主要包括利用斜溅射方法制备出单轴磁各向异性与共振频率大范围可调的CoFeB薄膜；利用层间交换作用实现各向异性和共振频率的调控；在反铁磁/铁磁双层膜中利用可转动磁各向异性实现共振频率调控；在CoZr/SiO2/CoZr三层膜中，通过调控两层磁性层的夹角实现了各向同性的磁导率和共振频率。2.可转动磁各向异性薄膜的制备与高频磁性表征，这部分主要研究了条纹畴薄膜中的可转动磁各向异性；FeN单层膜中由晶间交换作用引起的可转动磁各向异性；反铁磁/铁磁双层膜中由可转动反铁磁磁畴引起的可转动磁各向异性；铁磁/亚铁磁复合膜中的可转动磁各向异性等几个不同体系中的可转动磁各向异性。3.薄膜高频磁导率测试方法研究，项目研究过程中对薄膜材料的高频磁导率测试方法进行了改进，发展了几种简便的薄膜高频磁导率测试方法。包括利用近场微波探头的方法搭建了角度分辨薄膜高频磁导率测试系统；利用改进的短路微带线探头实现了薄膜材料的变温高频磁导率谱测试系统。4.薄膜中的非一致共振现象研究，在研究条纹畴和磁性双层膜中发现了非一致进动的光学支共振模式和畴间的非一致进动模式，对这类非一致进动模式进行了深入研究，并探讨了其在高频器件中应用的可能性。5.基于高频磁性材料磁子光子耦合研究，在多层膜以及具有交换作用体系的薄膜中不可避免的会出现由层间相互作用、界面相互作用或者交换作用等引起的磁矩非一致进动现象，即自旋波的相关行为。利用开口环谐振器研究了高频磁性材料和微波光子系统的耦合作用，并通过拟合得到了不同自旋波模式的耦合强度。