高性能YIG靶材及薄膜的制备与性能的研究

发布时间：2020-08-12 17:39

【摘要】：微波铁氧体器件作为通信系统的核心器件,扮演着越来越重要角色。钇铁石榴石铁氧体(Y_3Fe_5O_(12),简称YIG)是一种有出色磁学特性的铁氧体材料,因为其良好的旋磁效应和较低的铁磁共振线宽而被大量应用于制作微波器件。目前,小型化、片式化、集成化是磁性器件发展的方向,材料以薄膜的形态应用于各类器件是必然趋势。因此,如何制备出高质量的、满足微波器件要求的YIG薄膜值得深入研究。靶材是制备薄膜的基础,是决定薄膜性能的重要因素之一。本论文采用脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,简称PLD)技术制备YIG薄膜,首先,利用用溶胶凝胶结合两步烧结法制备亚微米尺寸的优质YIG靶材。探究了两步的烧结温度T_1,T_2以及保温时间t对YIG靶材的平均结晶尺寸、相对密度以及内部微观结构的影响。并进一步测试分析两步烧结技术对靶材磁性能以及铁磁共振线宽的影响。最终在T_1=1300~℃,T_2=1225~℃,保温时间t=18h的条件下,制备得到平均晶粒尺寸为0.975μm,相对密度为98.4%,饱和磁化强度达到27.18emu/g的优质YIG靶材。其次,探究了不同晶粒尺寸的YIG靶材对PLD法沉积的薄膜性能的影响。采用了1μm,2.3μm、5μm和10μm四种晶粒尺寸在Si与GGG基片沉积了YIG薄膜。研究得到,靶材晶粒尺寸越小,所制备的薄膜性能越好。并利用1μm靶材在Si基片上得到高质量的薄膜,具有9nm的粗糙度,0.101°的半峰宽,饱和磁化强度189emu/cm~3。GGG基片上的薄膜则有2nm的粗糙度,取向性良好,饱和磁化强度197.2 emu/cm~3。最后,利用PLD技术,采用双靶材连续沉积的方法,YIG靶材与Fe_2O_3靶材或Y_2O_3靶材按时间比例1:0,10:1、5:1和2:1沉积制备了薄膜。探究了靶材的表面成分变化对薄膜性能的影响。采用YIG靶材与Y_2O_3靶材双靶材连续沉积,沉积时间比例为10:1时,可以获得最好的YIG薄膜。薄膜表面形貌光滑平整,元素成分与YIG基本一致,XRD未见明显杂峰,结晶性良好,饱和磁化强度为156.41 emu/cm~3。
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484
【图文】：

晶格结构,原子排列,结构图,铁氧体

杭州电子科技大学硕士学位论文第一种，尖晶石型铁氧体。利用天然的尖晶石矿石（MgO·Al2O3），以人工二价金属氧化物代替，如 Fe2O3代换 Al2O3。这样制成的金属磁性材料或复合氧化物材料，其结构与尖晶石类似所以称为尖晶石铁氧体。第二种，磁铅石型铁氧体。同样的，与天然磁铅石的六角晶系结构类似的铁氧体被称为磁铅石型铁氧体。天然磁铅石的分子式为 MFe12O19。M 为 Sr2+,Pb2+等二价金属离子。这其中的 BaFe12O19，就是通常所说的钡铁氧体，矫顽力和剩余磁化强度大，多用作喇叭等器件的永磁体。第三种，石榴石型铁氧体。石榴石是一种体心立方结构的天然矿物，化学式为 R3Fe5O12，以 Y3+取代 R，即 Y3Fe5O12，称为钇铁石榴石铁氧体。优点有低介电损耗、低磁场损耗等。YIG 应用广泛，本论文的主要研究对象就是这种铁氧体。1.2.2 YIG 的特征与性能钇铁石榴石为体心立方结构的铁氧体。其晶格结构如图 1.1 所示。

原理图,沉积系统,原理图

图 1.2 PLD 沉积系统的原理图器产生激光，经过透镜，穿过窗口，以一定角度轰击到靶材上。能量，熔融气化出粒子团。激光照射粒子团，温度持续上升，生成子体接受激光能量，导致温度不断上升形成等离子体火焰。随着增加，等离子体的能量持续积累升高形成一个巨大的压力与温度时等离子体在数十纳秒内发生膨胀，形成了羽辉。子体随着羽辉到达基片，溅射在表面，然后在表面成核，生长，形品。D 技术的优缺点D 技术制备薄膜操作简易应用领域广阔，与其他制备技术相比优势强的竞争力。其优点如下：脉冲能量高，可熔融多种化学成分复杂的复合物材料靶材。照射下靶材会与氛围气体产生的高活性离子反应。利用这一点，膜的过程中，让不同成分，气压的背底气体参与和离子的反应，可

沉积系统

杭州电子科技大学硕士学位论文辉中的等离子体会有一个局域分布，各方向的粒子数量和能量都不的薄膜会比较薄。所以，大面积的薄膜不易制备。薄膜实验与检测仪器介绍薄膜实验仪器验中所用的 PLD 沉积设备主要分为激光光源和 PLD 真空腔室两部3 所示，左边为控制台，中间的球形腔室为真空腔室，右边为准分子激介绍如下：

【参考文献】