基于PLD技术生长六角钡铁氧体薄膜材料及其磁特性调控.pdfVIP

摘要

移动通信技术的飞速发展，使微波元器件的集成化和高频化成为研究的热点

和重要的发展方向。微波环行器作为微波元器件的核心成员之一也在飞速的发展。

但是，传统的环行器需要外加磁体来磁化铁氧体，这使得器件重量和体积变大，

不利用实现电路的集成化。薄膜生长技术的发展，为实现环行器的小型化、集成

化提供了途径。生长高剩磁铁氧体薄膜，实现薄膜环行器的自偏置功能，将对环

行器的小型化具有重要意义。目前所报道的钡铁氧体薄膜的性能尚难以满足自偏

置环行器的需求。于是本论文针对环行器的发展需求，研究了高剩磁、高磁晶各

向异性场的BaM薄膜的生长以及磁特性调控。具体研究结果如下：

(1)基于薄膜的生长机理研究了基底温度对BaM薄膜磁性的影响，优化了

PLD生长高剩磁BaM薄膜的沉积条件。利用PLD设备在氧化铝基底上生长了

不同基底温度下的BaM薄膜，然后对薄膜的性能进行了表征和分析。晶体结构

的测试表明基底温度是影响BaM薄膜的取向性的关键因素，薄膜的c轴取向度

和基底温度呈正相关变化。微观形貌表明在较高的基底温度下，薄膜表面变得光

滑平整。薄膜的磁滞回线进一步反映基底温度对薄膜的磁各向异性和剩磁的影响

较大。总之，基底温度与薄膜的各种性能息息相关。但是选取合适的基底温度需

要综合考虑基底的稳定性和设备的限制。

(2)通过Al3+的掺杂来提高BaM薄膜的剩磁，研究了Al3+掺杂量对BaM薄

膜磁性的影响。利用固相烧结法制备了不同Al3+掺杂量的陶瓷样品，然后利用

PLD技术生长对应Al-BaM薄膜。表征结果显示，Al3+掺杂能显著的提升BaM陶

瓷和薄膜的矫顽力，但是饱和磁化强度却急剧降低。另外Al3+的掺杂还可以调控

3

薄膜的剩磁比，在掺杂量为x=0.6时，薄膜的剩磁达到190emu/cm。该工作也

反映出PLD技术可以获得离子掺杂型薄膜，并且可以通过调控靶材的离子掺杂

类型以及浓度实现对薄膜的离子掺杂类型及浓度的调控，继而对薄膜的磁特性进

行调控，为后续生长其它离子掺杂薄膜提供经验。

(3)基于Al3+掺杂实验的结果，说明单一离子掺杂只能获得单一性能的提升，

不能兼顾多项性能，本论文尝试使用Al-Co-Zr三元共掺杂技术来调控BaM靶材

和薄膜的磁特性。首先研究了Co-Zr离子掺杂对BaM陶瓷磁性能的影响。研究

发现Co-Zr离子能够提高BaM陶瓷的饱和磁化强度。然后在前面实验的基础上，

固定Al3+的掺杂浓度，研究Co-Zr掺杂浓度对其性能的影响。表征结果发现，

PLD技术可以生长多离子共掺的薄膜，与陶瓷的性能相符合。Co-Zr掺杂浓度的

改变可以显著的调控BaM薄膜的饱和磁化强度以及矫顽力。Co-Zr的浓度从x0

3

增加到x0.15，薄膜的饱和磁化强度从180增加到260emu/cm，并且薄膜的剩

33+

磁在x0.1时取到最大值为132emu/cm。该调控结果刚好和Al的调控机制相

反。因此，可以综合考虑Al3+和Co-Zr离子的掺杂浓度获得一个高饱和磁化强度、

高剩磁、高磁晶各向异性的BaM薄膜。

关键字：环行器；六角钡铁氧体；高剩磁；磁晶各向异性；离子掺杂

ABSTRCT

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