基于毫米波环行器应用的自偏置与低损耗M型钡铁氧体薄膜的研究

Driven by the rapid development of 5G communication technology, next generation microwave devices such as circulator, isolator and filters will be high-frequency, miniaturized and low loss. The traditional circulators developed based on garnet ferrites requires huge external permanent magnet to provide self-biased fields when it is used at millimeter wave range, which makes it is not advantage for the entire systems to achieve integration and miniaturization. M-type barium ferrite (BaFe12O19, BaM) was believed to be the potential candidate for the next generation microwave devices due to it has large saturated magnetization, high uniaxial magnetocrystalline anisotropy field and high ferromagnetic resonance frequency. Therefore, self-biasing, high remanence ratio and low loss BaM will be fabricated on Si wafer by vacuum sol-gel way, and it will be application in millimeter wave self-biased circulator. This project will be carried out from the fabrication of material to its applications in millimeter wave devices by the way of connecting closing the fabrication of material, theoretical research and device applications, focusing on the effect of thickness of Pt, ratio of Fe/Ba, annealing condition, ions doping and Multilayer structure on the microstructure、magnetic properties and millimeter wave properties of BaM, and lay an experimental base for tunable millimeter wave self-biasing materials and devices.

随着5G通信技术的发展，下一代的微波器件（环行器、隔离器和滤波器等）将向高频化、小型化和低损耗的方向发展。基于石榴石铁氧体的传统环行器工作于毫米波频段时需要很大的外加永磁体来提供稳恒磁场，不利于整机系统的集成化和小型化。六角结构的M型钡铁氧体 （BaFe12O19，简称BaM）具有大的饱和磁化强度、高的单轴磁晶各向异性场和高的铁磁共振频率，被认为是是下一代微波器件中最有应用潜力的材料。本项目拟通过真空溶胶凝胶法在半导体硅基片上构建自偏置、高剩磁比和低损耗的c轴择优取向BaM薄膜，并将其应用于毫米波自偏置环行器中，通过材料制备、理论研究以及器件应用验证三位一体的研究思路，实现从材料制备到器件应用。重点研究缓冲层Pt的不同厚度、前驱液中Fe/Ba比例、退火条件、离子掺杂和多层膜结构等因素对BaM薄膜的微观结构、磁性能和毫米波损耗的影响规律，为研发毫米波自偏置材料与器件积累实验基础。

随着5G/6G技术的发展，下一代的微波器件将向高频化、小型化和低损耗的方向发展。六角结构的M型钡铁氧体（BaFe12O19，简称BaM）具有大的饱和磁化强度、高的单轴磁晶各向异性场（HA）和高的铁磁共振频率，被认为是下一代微波器件中最有应用潜力的材料。本项目通过溶胶凝胶旋涂、喷涂法在氧化铝/硅基片上构建自偏置、高剩磁比和低损耗的c轴择优取向BaM薄膜，通过优化基片种类、络合物用量、退火条件、离子掺杂等实验因素，发现在硅基片上当旋涂速率为1500RPM、络合物比例为1、退火气氛为N2+O2和退火温度为1035°C时，BaM薄膜具有高剩磁比和低损耗等性能。它的饱和磁化强度为4.05kG，取向度高达99%，剩磁比为98%，磁各向异性场为16.55 kOe；铁磁共振线为92Oe@50GHz，且厚度大于1um，并将其应用于毫米波器件中。接着，通过Al（或者Sc）离子掺杂，发现随着掺杂量的增加，六角晶粒逐渐减少，条状晶粒逐渐增多，Fe3+离子被掺杂离子取代后造成总磁矩减少和Fe3+-O-Fe3+超交换作用减弱，导致饱和磁化强度减少，铁磁共振频率中心向高频段移动，HA增加。.接着，采用喷涂法制备大面积的BaM薄膜，研究发现：当喷涂时间为30s、基片温度为100°C时，BaM的取向度为99%，饱和磁化强度为4.1kG，剩磁比为0.98，HA为16.6 kOe,铁磁共振线宽为96 Oe。.另外，探索出钡铁氧体/钽酸锶铋（BaM/SBT）复合磁电薄膜的制备工艺，研究发现复合薄膜中BaM、SBT两相能够完共存，并且产生较强的磁电耦合效应，为1.8 Oe*cm/kV，有望应用的电场调控的毫米波器件中。.最后，研究钐离子掺杂对Z型钡铁氧体的影响，研究发现随着掺杂量的提高，实部磁导率先增加到8，然后下降；介电常数高达14.1，而介电损耗低至0.005，有望应用在高频滤波器、天线等微波器件中。