异质纳米结构软磁薄膜的微波高磁导率研究

本项目围绕软磁材料应用向高频化和微型化发展过程中必须同时具有高自然共振频率和高微波磁导率这两个相互制约的关键科学问题，重点研究异质纳米结构软磁薄膜的设计与制备，实现微观各向异性调控，突破传统微波软磁材料的Snoek极限所对应的各向异性类型，在微波GHz波段实现软磁薄膜的高磁导率。理论上，通过不同空间类型各向异性设计，基于LLG方程研究磁化强度的微波动力学过程，探索微波GHz波段高共振频率和高磁导率机制。实验上，利用异质纳米结构软磁相间的交换耦合和高饱和磁化强度软磁薄膜的垂直膜面强退磁场，实现薄膜材料的高自然共振频率；利用异质纳米结构软磁相的各向异性生长、铁磁和反铁磁钉扎调控薄膜面内微观形状各向异性，实现共振频率和磁导率的独立调控，达到在同一材料中实现自然共振频率和微波磁导率共同提高的目的。该项目将阐明如何大幅度提高高频性能这一重要基础科学，为突破磁性器件高频化和微型化的材料瓶颈奠定基础。

本项目围绕软磁材料向高频化和微型化应用发展过程中必须同时具有高自然共振频率和高微波磁导率这两个相互制约的关键科学问题，依据我们自己建立的双各向异性理论模型，提出了高频磁性大范围调控的三种重要方法，建立了一种研究高频磁性的测试新技术，获得了1-5 GHz范围内磁导率大于200的异质纳米结构软磁薄膜，为GHz高频电感的微型化和抗电磁干扰器件的设计提供了重要参考。项目研究取得了以下主要成果：1）理论上，我们基于材料的高频特性决定于各向异性，提出了高饱和磁化强度异质结构薄膜是实现双各向异性，进而实现高频下高磁导率的好系统。提出了利用偶极相互作用、交换作用和磁电耦合实现异质结构薄膜GHz下高磁导率的设计思想。2）实验上，利用异质纳米结构软磁相间的交换耦合和高饱和磁化强度软磁薄膜的垂直膜面强退磁场，实现了薄膜材料的高自然共振频率；利用异质纳米结构软磁相的偶极相互作用、不同铁磁层的交换作用和铁电基底对铁磁薄膜的磁电耦合，实现了薄膜面内各向异性和磁导率的大范围调控；在Co基和Fe基铁磁薄膜中实现了1-5GHz范围内50-200可调的磁导率，即同一成份的材料中实现了自然共振频率和微波磁导率同时调控；实现了高电阻率铁氧体薄膜的高磁导率，利用转动各向异性实现了薄膜样品面内360度高磁导率，为未来该薄膜的实际应用提供了可能。3）方法上，提出了利用微波下异常霍尔效应整流研究高频软磁薄膜磁化强度进动过程。建立了微波下异常霍尔效应整流的公式，构建了整流信号与磁化强度进动以及微波磁场分量间的关系。获得了不同微波磁场分量对整流信号线型的影响规律。实现了磁化强度进动基本物理量的测量，包括磁化强度、各向异性场和阻尼系数的测量。该方法的建立不仅实现了磁化强度动力学过程的局域电测量，而且反过来提供了一种局域微波磁场测试的新技术。4）通过本项目的支持，还在其他方面开展了一些探索性研究。项目共发表SCI论文82篇，其中包含Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano各一篇，在Phys. Rev. B、 Appl. Phys. Lett.、Sci. Rep.和J. Mater. Chem. C上各发表多篇论文。获批5项国家发明专利。培养了多名研究生。建立了一个高频磁性研究的团队，入选教育部创新团队研究计划。