基于Skyrmion拓扑磁结构的高频磁动态特性机理研究

Achieving the miniaturization and the multi-frequency electromagnetic response in GHz band remains a grand challenge for magnetic materials in high frequency applications. Nowadays, ferromagnetic films used in microwave technique are mostly based on the single dynamic response mode. It limits further improvement of the high-frequency properties in magnetic materials. The nonlinear resonance is an effective way for the dynamic response frequency improving. In this project, we propose to use the global-domain distribution of magnetic Skyrmion to avoid the influence of the exchange coupling effect on the electromagnetic response between magnetic elements, and reduce the period size of elements. The non-uniform high frequency magnetic response mode can also be enriched and adjusted by Skyrmion topological magnetic structure. The key points of this research lie in: (1) The influence of intrinsic and structure parameters on crystal structures, spin distribution, electrical properties and magnetism. (2) The related physical mechanisms between topology characteristics and electromagnetic performance. This project will help clarify the mechanisms of the high-frequency magnetic dynamic properties, and also develop a new class of multi-frequency magnetic devices based on topological magnetic structure.

实现小型化和GHz范围内多频段电磁波响应是当下高频磁性材料体系需要解决的重要问题。目前，用于微波领域的铁磁性薄膜，由于其单一的动态响应模式，制约了磁性材料高频性能的进一步提升。非线性共振是提高动态响应频率的有效手段之一。本项目利用磁Skyrmion全局域性的自旋分布特点，避免单元间交换耦合效应对电磁响应的干扰，进而减小周期尺寸；通过特殊的拓扑磁特性丰富并调节基于斯格明子拓扑磁结构的非一致性共振高频磁响应模式。重点探究本征参数和结构参数对晶体结构、Skyrmion自旋分布、以及电、磁性能的影响规律，建立拓扑磁特性与电磁性能的相互关联机制。本项目的开展将为阐明Skyrmion拓扑磁结构对高频动态特性的作用机理、研发新型拓扑磁结构磁性器件奠定理论和实验基础。

随着各类器件和电子设备工作频率的提高、工作频段的扩宽，铁磁薄膜单一的动态响应模式极大的限制了其在电磁屏蔽和微波器件等领域的应用。本项目从材料本征参数、图形化结构、周期排布、多层耦合的设计角度出发，通过电磁特性仿真、材料制备、结构和电磁性能测试等途径，研究了磁性薄膜和图形化多层结构优化设计下，材料参数和结构参数对电特性、磁特性的影响规律以及调控机制。.首先，从磁畴结构的微观角度出发，系统研究了薄膜制备工艺，如功率、气压、基底温度、等对薄膜性能和磁矩分布的影响，分析了不同制备工艺条件下薄膜的生长机制以及铁磁薄膜材料体系和制备工艺对磁各向异性的影响。基于各类材料可调控的磁各向异性能，综合考虑静磁能、交换能、及塞曼能对自旋分布的影响方式，仿真计算并成功制备出了能够形成稳定Skyrmion磁结构的图形化多层薄膜。结合微磁学理论和电磁特性的测试分析，厘清了电流、磁场、温度与磁矩分布之间的作用机理，明晰了Skyrmion磁结构拓扑特性在静磁特性和动磁特性中发挥的重要作用，掌握了通过磁畴调控实现丰富磁共振模式的方法。.接着，基于磁性材料与周期结构单元，从宏观设计的角度出发，将磁性材料参数与结构单元一体化设计，系统地研究了掺杂不同比例羰基铁粉的硅橡胶的电磁特性变化规律，基于磁性橡胶基底和分形结构的协同设计，使吸收器的电磁波吸收能力覆盖了五个不同的频带；提出了一种基于阻性频率选择表面的低频宽带多层材料，该材料具有超宽带吸收的优点，吸收率在1.91~20.78GHz范围内可达90%以上，覆盖整个S、C、X和Ku波段，厚度仅为0.102λL。.最终，阐明了Skyrmion磁结构共振机理与材料性能和结构的物理联系，探究了高频段范围电磁波吸收调控的方法，提出了微波频段电磁波响应器件的优化设计方法，从而为微波频段的多频、宽频响应及电磁波吸收提供新的解决思路和途径。