微结构对YIG基磁子晶体波导自旋波传输特性调制研究

Magnonic crystal is a kind of artificial structure compound materials with size of micro- and nano-meter. When spin-wave go through the magnonic crystal, the conductive band and band gap will be produced. According to the corresponding research on magnonic, the propagation of spin-wave can be changed by the specific structures of magnonic crystal and applied magnetic field. YIG-based magnonic crystal with low damping factor attracts a lot of attention. Therefore, our project intend to design YIG magnonic crystal waveguide with different artificial micro-structures by using OOMMF method, fabricate the corresponding YIG magnonic crystal waveguide on YIG films with high crystal and good magnetic property by use of etching methods, such as photolithography, wet etching, ion beam etching, get the spin-wave dispersion relationship through VNA-FMR and BLS, and finally find the mechanism of modulation of different micro-structure in propagation properties of spin-wave with different wavelengths. Our aim is to construct a detail knowledge of this aspect.

随着微加工技术的进步，半导体技术已经快到其本征极限，以自旋波作为载体来进行信息传输和处理的方式为人们打开了新的视角。磁子晶体是种人工微纳米结构复合材料，自旋波通过它时会产生禁带和导带。研究表明，通过改变磁子晶体的结构形状和大小，以及外加磁场都会改变自旋波在其中的传播。以低阻尼钇铁石榴石（YIG）为基的磁子晶体波导倍受关注，但研究主要集中在对长波长自旋波在其中的传输特性上。因此，本项目拟通过微磁模拟计算设计出不同微结构的YIG磁子晶体波导，在优质YIG磁性薄膜上通过光刻，湿法刻蚀，离子刻蚀，气相刻蚀等工艺制备出相应微结构的YIG波导，并通过基于矢量网络分析的铁磁共振，布里渊光散射法等测试手段获得其自旋波传播特性，研究不同微结构对不同波长自旋波的调制机理，构建出一套完整的知识系统，实现实验和理论在此方面的统一。

面对半导体工艺极限，具有低功耗、短波长和高频率等特点的自旋波及其自旋波器件具有非常深远的研究价值和应用前景，已成为业界研究的热点。本项目分别从理论和实验的角度出发，研究了微结构对YIG基磁子晶体波导自旋波传输特性的调制。理论上，在学习了微磁学模拟软件OOMMF的基础上，设计出了鱼骨状YIG磁子晶体结构，发现改变鱼骨状旁支倾斜角以及其他结构参数都能改变自旋波的色散关系，并深挖其产生机理，最终实现调制自旋波的目的；之后，通过组合这些具有不同旁支倾斜角的周期性微结构设计出了自旋波带通滤波器，研究了该带通滤波器上自旋波传输的选通特性，发现自旋波的选通特性可通过周期性结构单元的排列组合或者添加不同方向、强度或数量的外磁场进行调节，并申请了相关的发明专利；最后，参与了钡铁氧体纳米点及其纳米点阵列的OOMMF模拟，研究了其动态磁化率图谱以及静磁相互作用场，发现由于退磁场的非均匀分布导致这种结构出现多个共振峰，通过改变锥形纳米点的大小及其之间的间距可以改变共振频率。实验上，采用实验室自制高性能YIG靶材，通过磁控溅射和激光脉冲外延（PLD）等薄膜制备仪器，结合各类薄膜性能表征测试手段（XRD、SEM、AFM、FMR、VSM等），来研究生长条件（激光能量、溅射功率，基片、生长温度，氧压大小，退火温度，退火时间等）及生长方式（连续式还是分层式）对YIG性能的影响，最终制备出了高性能优质的YIG膜。本项目的研究将会为对自旋波的传播行为以及自旋波器件提供有力参考，具有一定的理论意义和应用价值。