外延生长金属单晶薄膜的自然共振频率与磁导率关系研究

Magnetic materials with high permeabilities at high frequencies have recently captivated the imagination of many researchers due to their novel functionalities over a range of applications in microwave communication. In this project, we will explore and investigate, experimentally and theoretically, the relationship between the permeability and resonance frequency of magnetic materials in the idea of controlling the magnetic anisotropy of single crystal metal films due to single crystal materials having clear physical properties. First of all, we intend to grow single crystal metal films with different thicknesses, components, crystal structures and magnetic anisotropies by molecular beam epitaxy. Then, we will study the growth techniques of single crystal metal films with controlled magnetic anisotropies by structural and morpholgical investigations, the magnetic anisotropies and accurate magnetic parameters by static and dynamic magnetic measurements, the magnetization variation with azimuthal angle by rotation magnetization method, the resonance frequencies and permeabilities of the films by vector network analyzer and vibrating sample magnetometer. Finally, with analyzing all of the data obtained, we will systematically analyze and investigate, experimentally and theoretically, the relationship between the permeability and resonance frequency of the films with different magnetic anisotropies and parameteres. From this study, the mechanism of the resonance frequency and the permeability could be further explored and understood. This study will build up a theoretical and experimental basis for exploring magnetic materials with high permeabilities at high resonance frequencies.

探索和研究具有高截止频率和高磁导率的磁性材料是目前国际上兴起的一个新的研究热点。本项目从单晶材料具有清晰物理特性的思路出发，以调控单晶金属薄膜的磁各向异性为手段，以深刻挖掘和研究材料的磁导率和共振频率之间的关系规律为目的展开研究。拟用分子束外延技术制备具有不同类型面内、面外磁各向异性的不同厚度、成分和晶体结构的金属单晶薄膜，结合结构和形貌观测，掌握磁各向异性可控的单晶金属薄膜的制备工艺。通过静态和动态磁性测量，掌握薄膜的磁各向异性特征和各种精确的磁性参数，利用转动磁化法获得薄膜的磁化强度随空间角度的变化，利用矢量分析仪和振动样品磁强计获得薄膜的共振频率和磁导率。结合以上数据，精确研究具有不同磁各向异性特征和参数的薄膜的磁导率和共振频率之间的关系规律。该研究可以挖掘材料的共振频率和磁导率依赖于不同各向异性类型的普适规律，为探索具有高截止频率和高磁导率的磁性材料提供理论和实验依据。

随着软磁材料在计算机和通讯技术应用中高频化和集成化发展趋势的迫切需求，探索具有高截止频率和高磁导率的磁性材料并研究其在高频微波驱动下的动态磁响应特性具有重要的意义。前人的工作成果告诉我们，除了饱和磁化强度外，磁各向异性是影响材料高频磁性的关键因素。我们从单晶材料具有清晰物理特性的思路出发，以调控单晶薄膜的磁各向异性为手段，研究了Fe单晶薄膜磁晶各向异性驱动的自然共振特点和规律，并研究了调控Fe单晶薄膜面内自然共振频率的途径。具体地，我们首先探索并获得了用分子束外延技术在不同衬底上制备Fe单晶薄膜样品的工艺条件，研究了Fe薄膜在衬底上的热稳定性和界面状况。紧接着，我们研究了在不同衬底上Fe单晶薄膜的磁各向异性的表现、来源和特点，并构建数学表达式和物理图像对其进行描述。研究结果揭示除了界面或衬底表面对Fe薄膜提供一部分面内单轴磁各向异性的贡献之外，立方磁晶各向异性对其面内单轴磁各向异性的贡献占主导地位。研究结果还显示无论是Fe薄膜呈现的多轴磁各向异性还是单轴磁各向异性，磁晶各向异性都占有重要地位，提供重要贡献。在清楚掌握Fe单晶薄膜磁各向异性来源的基础上，我们研究了Fe单晶薄膜的自然共振频率与磁各向异性之间的关系和调控其自然共振频率的途径。研究结果表明Fe单晶薄膜的自然共振频率是磁晶各向异性驱动的，而且可以被初始磁化状态调控。受不同衬底表面对外延后Fe薄膜磁各向异性宏观表现产生影响的启发，我们还研究了通过电场调控Fe薄膜和功能衬底间的界面，从而调控了Fe薄膜的磁各向异性。受此启发，在研究金属薄膜磁性的同时，我们还研究了功能薄膜材料的磁性和阻变性质，为将这些功能材料作为衬底材料研究有关界面对软磁薄膜材料的影响提供了实验依据。受本项目的资助，在Physical Review B、Applied Physics Letters、Small、Nanoscale等杂志上共发表SCI论文17篇。我们围绕单晶薄膜磁各向异性所取得的以上一系列成果丰富了人们对单晶材料自然共振的认识并开辟了调控单晶薄膜自然共振频率的途径。