MnO_2掺杂Ni-Zn铁氧体的微观结构及磁性能

为了改善Ni-Zn铁氧体材料的功率损耗特性,基于固相反应烧结法研究MnO2掺杂对Ni-Zn铁氧体综合性能的影响。研究发现,在0～2.0%（质量分数）掺杂范围内,MnO2不会影响铁氧体的单相结构。而Ni-Zn铁氧体的平均晶粒尺寸、烧结密度以及磁导率都随着MnO2掺杂量的增加而逐渐下降,同时,铁氧体的电阻率持续上升。饱和磁化强度（单位质量产生的磁矩）先随着0.4%MnO2的掺入略有上升,而后随着MnO2掺杂量的增加持续下降,这主要是受金属离子占位及超交换作用力变化的影响。当测试频率低于1MHz时,铁氧体的功耗（Pcv）随着MnO2掺杂量的增加持续上升,而当测试频率超过1MHz后,涡流损耗在总损耗中逐渐占主导地位,电阻率越高的样品越有利于获得低功耗,但这一规律对于2.0%MnO2掺杂的样品不适用。总体而言,当频率低于1MHz时,不掺杂MnO2的Ni-Zn铁氧样品能够获得更低的功耗;而当频率超过1MHz后,掺杂1.6%MnO2的Ni-Zn铁氧体能够获得最低的功耗。     

K波段宽带螺旋天线设计

从理论上分析了螺旋天线的设计原理,利用阿基米德螺旋天线实现了一款K波段的高频宽带螺旋天线,使高频天线拥有更轻的质量,更低的剖面及更好的圆极化性。最后通过仿真软件CST设计了一款带宽覆盖18.0~26.5GHz的阿基米德螺旋天线,涵盖了整个K波段。结果表明,该天线在整个频段电压驻波比<2,能很好的满足天线收发要求。     

Zn~(2+)、Sn~(4+)共取代对YIG铁氧体性能的影响

该文通过1 400℃固相烧结制备出Zn2+和Sn4+共取代的Y3Fe5-2xZnxSnxO12(x=0~0.35)铁氧体材料,详细研究了离子取代量对钇铁石榴石铁氧体微观结构及磁性能的影响。研究表明,Zn2+、Sn4+都进入了钇铁石榴石铁氧体的晶格中。随着离子取代量的增加,钇铁石榴石铁氧体的密度与饱和磁化强度先增大后减小;其磁损耗则先减小后增大,在x=0.25时磁损耗取得最小值。该研究进一步说明了Zn2+和Sn4+取代在一定范围内可有效降低材料的磁损耗及控制材料的饱和磁化强度。     

退火工艺对YIG多晶薄膜铁磁共振线宽的影响

主要研究了退火工艺对钇铁石榴石(YIG)薄膜铁磁共振线宽的影响。实验中微米级的YIG薄膜通过磁控溅射法在Gd_3Ga_5O_(12)(GGG)(111)衬底上制备,并通过750~950℃常压常规退火及750~850℃真空快速退火两种方式对薄膜进行退火晶化处理。最终系统地研究了薄膜的微观晶体结构、磁性能和铁磁共振线宽性能。研究发现,经过800℃,10 min的真空快速热处理的YIG薄膜磁性能优异,其铁磁共振线宽为2 626.1 A/m@9.3GHz,阻尼系数α=2.077×10~(-3),薄膜表面粗糙度为1.9nm。     

一种新型的X波段圆极化微带天线

该文采用双层方形贴片开对角槽的结构设计了一种新型的应用于X波段的圆极化微带贴片天线。通过仿真优化,天线轴比<3dB的带宽480 MHz,增益达到6.29dB,反射系数s11<-10dB的相对阻抗带宽达到6.6%,天线具有良好的圆极化和阻抗匹配特性。     

Rare earth doped CaCu_3Ti_4O_(12) electronic ceramics for high frequency applications

Ca1-xRxCu3Ti4O12(R=La,Y,Gd;x=0,0.1,0.2,0.3) electronic ceramics were fabricated by conventional solid-state reaction method.The microstructure and dielectric properties as well as impedance behavior were carefully investigated.XRD results showed that the secondary phases with the general formula R2Ti2O7 existed at grain boundaries of rare earth doped ceramics,which inhibited abnormal grain growth.The dielectric constant decreased from 4×105 in pure CaCu3Ti4O12(CCTO) ceramics to 2×103 with rare earth doping.However,all samples showed high dielectric constant in broad frequency range(10 MHz).The cutoff frequency(f0) was remarkably shifted to higher frequency from 13 MHz(pure CCTO ceramics) to 80 MHz(Gd-doped CCTO ceramics).Meanwhile,the dielectric loss tangent rapidly decreased approximately 10 times.These improvements of dielectric properties by rare earth doping are very useful in wide frequency chip capacitor and LTCC devices.     

超高密度图案化磁记录介质中偶极作用与热辅助磁化研究

由于记录介质的超顺磁效应,传统的水平磁记录方式已经达到理论极限。为了实现特比(Tb,1Terabit=240bit)级的超高密度存储,各种记录方案正在探索之中,其中图案化介质和热辅助磁记录技术被认为是最有发展潜力的方向,如果将两者结合则记录密度会更高。笔者结合已有的实验数据与前人的理论工作,通过有限差分法求解动力学方程和Monte Carlo随机方法,重点研究了以下几个与图案化介质及热辅助磁化技术有关的问题:(1)针对数值微磁学中矩形网格处理复杂边界时计算精度较低的问题,利用磁体本身的几何对称性和退磁张量的性质,通过在实空间求积分的方法解析地推导了等边三棱柱的退磁张量。根据这一张量表达式,可以得到任意精度的退磁因子,把这一结果应用在微磁学的网格划分当中,可以提高对复杂边界的处理能力。(2)为了能够在数值计算中高效地求出系统中的偶极作用能,解决由于偶极作用长程性带来求和速度收敛缓慢的问题,笔者通过重新定义网格求和方程,并采取分段处理的方法,解决了Lekner求和法中由于对称性降低而导致的奇异性问题,成功地把Lekner求和法从三维周期性边界条件下的库仑作用系统,推广到了二维周期性结构的磁偶极作用系统。应用Lekner求和法,可以高效地处理图案化介质这类规则排列的磁偶极子系统中、偶极作用能的计算问题。(3)为了深入理解偶极作用能对信息位稳定性与信息写入过程的具体影响,为实际设计图案化记录系统时选择合适的图案化介质提供理论指导,笔者通过求解二维系统的动力学方程,研究了有限阵列和周期性边界条件阵列磁性颗粒间偶极作用能对系统静态与动态性质的影响。发现有限阵列的静态磁学性质,诸如剩磁状态、矫顽力等与系统的大小密切相关,而磁化动力学过程则不受系统大小的影响。发现偶极作用能对系统的磁化强度翻转模式有决定性的作用。对于有限阵列来说,在平面各向异性的水平磁化翻转过程中,由偶极作用强度决定了三种翻转模式,即一致转动、成核模式及这两种模式的过渡区域;在垂直各向异性的垂直磁化翻转过程中,由偶极作用强度决定了四种翻转模式,即成核模式、非线性激发、旋卷模式以及成核与旋卷的过渡区域。对于周期性边界条件下的阵列,由磁场脉冲持续时间和偶极作用强度共同决定了中心磁矩翻转类型相图,相图可以分为五种翻转类型,即关联翻转、过冲翻转、下冲翻转、弹道翻转以及未发生翻转区。(4)为了理解偶极作用能对系统热稳定性的影响以及温度不均匀性对热辅助写入过程的具体影响,笔者运用Monte Carlo方法研究了这两个问题。发现偶极作用能的增加,会导致系统闭锁温度的升高,从而提高系统的热稳定性。在高斯分布型的稳定温度场中,发现根据温度场的半高宽,可以把翻转过程分为三类不同的成核模式,即边缘成核而后中心扩展模式、边缘成核而后边缘扩展模式以及两种模式的混合模式,并且翻转弛豫时间的对数与半高宽导数之间成分段的线性关系,其分段点受外场和中心温度的影响。而对于给定半高宽的温度场来说,弛豫时间与温度的关系与经典成核理论描述均匀温度场中弛豫时间与温度的关系相似,只是此时的能量势垒和比例系数都与温度场的半高宽有关。     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

Co_2O_3-Bi_2O_3掺杂对NiCuZn/PZT复合材料性能的影响

首先用sol-gel法制得Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3(PZT)纳米粉料,然后用固相法制备NiCuZn/PZT铁氧体/陶瓷复合材料。研究了Co2O3-Bi2O3复合掺杂对复合材料性能的影响。结果表明:当w(Bi2O3)=2.5%时,引入适量的Co2O3掺杂不仅可使品质因数提高到235,同时介电常数和烧结体密度分别提高到55和5.01g/cm3,介质损耗下降到0.065。其电磁性能满足电容器和电感器的制作要求,有望成为用于叠片滤波器的电感、电容复合双性材料。     

高Bs的NiZn铁氧体材料的研制

以高纯度的NiO、ZnO、Fe2O3为原料,采用氧化物陶瓷工艺制备了高Bs NiZn铁氧体材料.通过岩崎B-H Analyzer SY-8232、Agilent 4285A和4284A多频LCR测试仪分析了NiO含量对材料的饱和磁感应强度、起始磁导率、Q值的影响;通过扫描电镜(SEM)观测样品的晶粒.结果表明,当NiO、ZnO、Fe2O3含量比为0.6:0.4:1、烧结温度为1140℃时,材料饱和磁感应强度大于480mT.