基于微波谐振腔的逆自旋霍尔效应与电子顺磁共振测试研究
发布时间：2021-03-02 19:49
本文设计了谐振频率9GHz的TE011模式谐振腔,并搭建了电子顺磁共振（EPR）测试系统,并利用标样DPPH对系统的性能参数进行了评估和校准。并利用该系统研究了Nb掺杂SrTiO3中的逆自旋霍尔效应。首先,本文根据EPR原理设计了测试系统,然后完成了磁场系统和核心部件谐振腔的设计工作。利用HFSS高频电磁场仿真软件,确定了TE011模式的谐振腔的结构参数并加工得到了黄铜材质的镀金谐振腔。谐振腔谐振频率为8.838 GHz,散射矩阵参数S11为-20 dB,空载Q值为12000,符合设计目标。磁场系统由永磁体,直流线圈,交流线圈构成,可以提供的最大静态磁场为3400 Oe,最小扫场步长为0.036 Oe,能够完成对一般材料的未成对电子的EPR表征。利用DPPH标准样品对搭建的连续波EPR测试系统进行了标定,并研究了微波功率,调制磁场,时间常数等不同的系统参数对测试结果的影响。结果显示,谐振腔内的微波功率在9dBm至15dBm时,达到共振条件时系统测得EPR信号的幅值的平方正比于微波功率。当调制电流从0...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
静态磁场H引起的电子能级分裂示意图
第二章电子顺磁共振与逆自旋霍尔效应相关的基础理论9图2-2上下能级电子数之差随时间变化的曲线久期增宽的影响：对某个特定的电子自旋来说，除了处于静态磁场H中外，它的周围有其他的电子自旋磁矩与核自旋磁矩。这些自旋磁矩的作用等效为一个局部磁常局部磁场叠加在静态磁场之上。不同的电子自旋周围的局部磁场不同，因此不同位置的实际静态磁场大小是有差别的[69]。因此样品的EPR信号谱线是由很多窄的谱线叠加而成的谱线。人们记录的EPR谱线并不是EPR功率吸收谱，而是功率吸收谱的一次微分谱。EPR实验得到的谱线线型是洛伦兹线型和高斯线型的叠加[69]。洛伦兹线型表示为式(2-14)。高斯线型表示为式(2-15)。21bxaxf(2-14))exp()(2bxxf(2-15)2.2逆自旋霍尔效应相关概念与原理2.2.1磁化强度的运动根据自由能极小原理，体系总追求最稳定的状态(对应于极小的能量)。当磁体内部能量处于稳定状态时，磁化强度矢量M与有效场Heff会指向同一方向。当有某种干扰作用出现，Ms与Heff不再指向相同方向，外磁场能发生变化。这就会产生一个力矩，推动磁化强度Ms运动。1935年，李弗希茨和朗道首先提出了一个矢量方程，用来描述磁化强度的运动。在理想的无损耗前提下，假设存在一个单轴铁磁晶体，已被外加磁场磁化处于磁化平衡状态。Ms与Heff平行。突然由于某种作用，Ms与Heff这两个矢量不再
第二章电子顺磁共振与逆自旋霍尔效应相关的基础理论11由于阻力TD的存在，Ms的运动状态受影响发生改变。1955年吉尔伯特引入了一种阻尼项的表达方式如式(2-22)：dtdMDMMT(2-22)表达式中α称为吉尔伯特阻尼常数，是一个无量纲的数。它被用来描述磁性材料的能量损耗特性。因此可以得到LLG方程如式(2-23)[72]：dtdMdtdseffMMHMM00(2-23)(a)(b)图2-3磁化强度绕有效场进动示意图(a)无阻尼;(b)有阻尼2.2.2铁磁共振磁化强度M受阻尼作用影响将绕有效场Heff进动。如果此时沿垂直于静态磁场Heff的方向施加微波磁场h。那么磁化强度MS将被迫进动，进动的频率就是微波磁场的频率。MS在进动过程中一边损耗着能量，一边又从微波场中获取着能量。当微波角频率ω=ωres时，MS的进动运动损耗着最大的能量，同时从微波磁场中获得最大的能量,这就是铁磁共振。ωres称为铁磁共振频率。通过求解受迫进动下的磁化强度进动方程获得ωres。铁磁性的薄膜材料发生铁磁共振时，共振磁场与共振频率的关系可由Kittel方程给出。铁磁性薄膜的易磁化轴是在薄膜平面内。当外界的静态磁场与薄膜易磁化轴平行时，若薄膜发生铁磁共振，共振频率fr与共振磁场Hr的关系如式(2-24)：skrkrr2MHHHHf(2-24)当外界的静态磁场是垂直于薄膜的易磁化轴时，若薄膜发生铁磁共振，共振频率
【参考文献】：
期刊论文
[1]掺铌SrTiO3中的逆自旋霍尔效应[J]. 何冬梅,彭斌,张万里,张文旭. 物理学报. 2019(10)
[2]中国电子顺磁共振（EPR）发展50年回顾[J]. 卢景雰,刘扬. 波谱学杂志. 2011(04)
[3]灵敏电子自旋共振波谱仪[J]. 万谦,卢景雰. 仪器仪表学报. 1981(03)
博士论文
[1]脉冲电子顺磁共振谱仪研制及应用[D]. 荣星.中国科学技术大学 2011
硕士论文
[1]宽带电子顺磁共振谱仪的设计与实现[D]. 任明伟.中国科学技术大学 2018
[2]NiFe/Pt薄膜结构的自旋泵浦—逆自旋霍尔效应的研究[D]. 韩方彬.电子科技大学 2016
[3]基于高Q空气谐振腔Ku波段点频源研制[D]. 钟信.电子科技大学 2016
本文编号：3059845
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
静态磁场H引起的电子能级分裂示意图
第二章电子顺磁共振与逆自旋霍尔效应相关的基础理论9图2-2上下能级电子数之差随时间变化的曲线久期增宽的影响：对某个特定的电子自旋来说，除了处于静态磁场H中外，它的周围有其他的电子自旋磁矩与核自旋磁矩。这些自旋磁矩的作用等效为一个局部磁常局部磁场叠加在静态磁场之上。不同的电子自旋周围的局部磁场不同，因此不同位置的实际静态磁场大小是有差别的[69]。因此样品的EPR信号谱线是由很多窄的谱线叠加而成的谱线。人们记录的EPR谱线并不是EPR功率吸收谱，而是功率吸收谱的一次微分谱。EPR实验得到的谱线线型是洛伦兹线型和高斯线型的叠加[69]。洛伦兹线型表示为式(2-14)。高斯线型表示为式(2-15)。21bxaxf(2-14))exp()(2bxxf(2-15)2.2逆自旋霍尔效应相关概念与原理2.2.1磁化强度的运动根据自由能极小原理，体系总追求最稳定的状态(对应于极小的能量)。当磁体内部能量处于稳定状态时，磁化强度矢量M与有效场Heff会指向同一方向。当有某种干扰作用出现，Ms与Heff不再指向相同方向，外磁场能发生变化。这就会产生一个力矩，推动磁化强度Ms运动。1935年，李弗希茨和朗道首先提出了一个矢量方程，用来描述磁化强度的运动。在理想的无损耗前提下，假设存在一个单轴铁磁晶体，已被外加磁场磁化处于磁化平衡状态。Ms与Heff平行。突然由于某种作用，Ms与Heff这两个矢量不再
第二章电子顺磁共振与逆自旋霍尔效应相关的基础理论11由于阻力TD的存在，Ms的运动状态受影响发生改变。1955年吉尔伯特引入了一种阻尼项的表达方式如式(2-22)：dtdMDMMT(2-22)表达式中α称为吉尔伯特阻尼常数，是一个无量纲的数。它被用来描述磁性材料的能量损耗特性。因此可以得到LLG方程如式(2-23)[72]：dtdMdtdseffMMHMM00(2-23)(a)(b)图2-3磁化强度绕有效场进动示意图(a)无阻尼;(b)有阻尼2.2.2铁磁共振磁化强度M受阻尼作用影响将绕有效场Heff进动。如果此时沿垂直于静态磁场Heff的方向施加微波磁场h。那么磁化强度MS将被迫进动，进动的频率就是微波磁场的频率。MS在进动过程中一边损耗着能量，一边又从微波场中获取着能量。当微波角频率ω=ωres时，MS的进动运动损耗着最大的能量，同时从微波磁场中获得最大的能量,这就是铁磁共振。ωres称为铁磁共振频率。通过求解受迫进动下的磁化强度进动方程获得ωres。铁磁性的薄膜材料发生铁磁共振时，共振磁场与共振频率的关系可由Kittel方程给出。铁磁性薄膜的易磁化轴是在薄膜平面内。当外界的静态磁场与薄膜易磁化轴平行时，若薄膜发生铁磁共振，共振频率fr与共振磁场Hr的关系如式(2-24)：skrkrr2MHHHHf(2-24)当外界的静态磁场是垂直于薄膜的易磁化轴时，若薄膜发生铁磁共振，共振频率
【参考文献】：
期刊论文
[1]掺铌SrTiO3中的逆自旋霍尔效应[J]. 何冬梅,彭斌,张万里,张文旭. 物理学报. 2019(10)
[2]中国电子顺磁共振（EPR）发展50年回顾[J]. 卢景雰,刘扬. 波谱学杂志. 2011(04)
[3]灵敏电子自旋共振波谱仪[J]. 万谦,卢景雰. 仪器仪表学报. 1981(03)
博士论文
[1]脉冲电子顺磁共振谱仪研制及应用[D]. 荣星.中国科学技术大学 2011
硕士论文
[1]宽带电子顺磁共振谱仪的设计与实现[D]. 任明伟.中国科学技术大学 2018
[2]NiFe/Pt薄膜结构的自旋泵浦—逆自旋霍尔效应的研究[D]. 韩方彬.电子科技大学 2016
[3]基于高Q空气谐振腔Ku波段点频源研制[D]. 钟信.电子科技大学 2016
本文编号：3059845
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