高度取向自偏置六角铁氧体膜的可控制备及其微波磁性研究

Highly oriented self-bised hexaferrite films have significant promising applications in planar microwave and millimeter-wave integrated devices due to the high ferromagnetic resonant frequency, low microwave loss and special magnetoelectric effects. Based on the previous researches, the contronable preparation principles and techniques for highly oriented M, Y, and Z-type hexaferrite films will be studied symmetrically. The influences of compositions, preparation, and mismatch stress on the phase formation, microstructue development and orientation growth will be investigated in this project. The strategies and techniques for lowing microwave loss of hexaferrite films will be studied in order to develop self-bised hexaferrite films with high in-plane orientation suitable for nonreciprocal microwave and millimeter-wave devices. The excitation and propagation of electromagnetic wave in oriented hexaferrite films and tunable mechanisms under external magnetic field will be investigated deeply. The relationship between the microwave magnetic properties of hexaferrite films and their orientation and thckness will be established in the present study. The experimental data and results obtained will support for the development of new self-bised millimeter-wave devices.

高度取向自偏置六角铁氧体膜因其高的铁磁共振频率、低的微波损耗和奇特的磁电耦合效应，在平面化微波和毫米波集成器件方面具有重要的潜在应用价值。本项目拟在前期研究工作的基础上，系统研究面内高度取向M型、Y型和Z型六角铁氧体膜的可控生长原理和技术，探讨化学组成、制备条件和膜-衬底失配应力对铁氧体膜的物相形成、微结构发展和择优取向生长的影响规律，研究降低铁氧体膜微波损耗的控制原理和途径，发展适合于毫米波非互易性器件应用的面内取向自偏置低损耗铁氧体膜材料；研究取向铁氧体膜中电磁波激发和传输特性以及电磁调控规律，建立取向铁氧体膜的微波电磁特性与膜取向度和厚度之间的关联，探索集成化磁性毫米波器件的电磁调谐原理和机制，为发展新型磁性毫米波器件提供理论依据和实验基础。

高度取向六角铁氧体膜因其高铁磁共振频率、低微波损耗以及自偏置特性等，在平面化微波和毫米波集成非互异性器件方面有重要的潜在应用价值。本项目系统研究了高度取向自偏置六角铁氧体膜的可控制备、铁氧体膜与单晶衬底的外延生长机制、取向膜的静态和动态微波磁学性能，取得的主要成果包括：发展出高度取向六角铁氧体薄膜的“拓扑嵌入反应”制备技术，在Al2O3单晶衬底上成功生长出面外和面内单轴高度取向的BaM铁氧体薄膜，面外和面内取向膜其易磁化方向上的剩磁比分别高达高达0.90和0.95，具有优异的自偏置特性；采用直流磁控溅射技术在a -切面Al2O3单晶衬底上生长出高度面内单一取向的BaM铁氧体膜，其面内易磁化方向上的剩磁比高达0.96，其零场铁磁共振频率达到50GHz，可满足毫米波非互异性集成器件的要求；采用直流磁控溅射技术在6H-SiC单晶衬底上成功生长出具有良好自偏置特性的面内随机取向BaM铁氧体薄膜，可用于大功率集成磁性微波器件；基于形状磁晶各向异性，制备出多种金属和铁氧体磁性纳米线阵列复合膜材料，该磁性复合薄膜具有优良的微波磁学性能，零场铁磁共振频率在8.5 to 17.4GHz，并具有新颖的双带微波吸收特性，在非互异性微波器件中有重要的应用前景；借助拉曼光谱、极图分析、高分辨透射电镜等多种微观分析技术，揭示出六角铁氧体膜在Al2O3和SiC单晶衬底上外延关系和生长机制；解决了磁性薄膜毫米波铁磁共振谱测试技术难题，建立了适用于薄膜磁性材料毫米波铁磁共振谱测试系统，为低维磁性材料的高频研究奠定了实验基础。本项目的研究工作和成果在新型磁功能材料和磁性微波电子学领域有重要的科学和实际意义，也为进一步开展基于磁有序结构的新型磁性微波材料研究以及发展新型磁性微波器件提供了理论和实验基础。