铁磁薄膜的微观结构及其高频磁响应特性研究

铁磁薄膜的微观结构及其高频磁响应特性研究铁磁性材料在GHz频段表现出的优异磁动态特性,使得其在微波器件、抗电磁干扰、微波吸收等高频领域有广泛的应用前景。

随着电子设备不断小型化的趋势,磁性元器件也必然会向着薄膜甚至图形化的方向发展。

目前,对于铁磁薄膜的相关研究主要集中在材料选择和制备工艺等方法对高频磁响应特性的改善。

当薄膜尺寸不断减小时,几何尺寸、磁结构等因素对薄膜磁特性的影响不可忽略,传统的理论模型和机理不再完全适用。

本文沿着不断减小薄膜尺寸的主线,结合实验与微磁学,讨论了铁磁薄膜在高频范围内的动态磁特性。

利用对薄膜结构的设计,分别从减小薄膜厚度、薄膜图形化、减小单元尺寸以及减小单元间距几个方面入手,探索了铁磁薄膜在GHz频段磁动态响应的可控性,并对这些磁响应模式的物理机制进行了分析。

在整个研究的过程中,通过微磁学理论在微观和宏观特性中架起了桥梁,使得能从微观结构和内在磁特性的角度出发,更好的探索微纳米范围中磁性薄膜的高频响应特性。

通过优化铁磁薄膜微纳米结构来了解、设计并控制磁性薄膜的高频磁响应特性,有助于研制出重量轻、体积小且易调控的新型微波磁性器件。

本论文的主要研究内容和创新点如下:1.结合微磁模型和实验证实了在不加外场诱导的FeCo基非晶薄膜体系中,利用局域有序作为薄膜单轴各向异性的来源,可以通过改变薄膜厚度来实现GHz频段共振峰的单向调控,这相比于现有研究中需外加磁场感生出磁各向异性的方式更具备实际应用价值。

2.通过对非耦合FeCo基软磁条纹状薄膜共振行为的研究,建立了条纹磁性薄
膜共振峰的叠加模型,为高频多共振峰数量和位置的控制提供了一种可行的设计思路;在Rado-Weertman边界条件的基础上,首次将边缘钉扎条件引入到边缘倾斜的条纹薄膜中,提出了包含能量贡献项和条纹边缘几何特点的钉扎参数公式,这对边缘结构在影响薄膜高频磁响应特性研究中具有重要的物理意义。

3.设计了一种边缘加厚的FeNi 纳米圆盘结构,突破了圆盘单元中涡旋态存在的临界尺寸。

利用涡旋态在高频范围内的自旋波机制,能在GHz频段旋转场的激励下实现对极性的控制;与传统纳米圆盘相比,所设计的圆盘结构在单元间不相互影响的条件下拥有更高的面密度以及更快的响应速度。

4.设计了具有类Skyrmion磁结构的L1₀-FePt/FeNi双层薄膜,在不加外场偏置的情况下,通过图形单元实现了类Skyrmion磁分布的稳态结构。

该磁结构显示出了新颖的动态响应模式,丰富了高频动态磁响应中多共振峰产生的模型,且在较大范围内不受单元间距的影响。

总而言之,本文的研究内容主要集中在探索受限体系中磁矩受到微波场激励后的动态响应。

在这个过程中,从改变纵向和横向尺寸与图形的角度出发设计并优化了铁磁薄膜的微观结构,旨在不断减小薄膜尺寸的同时,实现对薄膜在GHz频段内动态特性的有效调控。

所涉及的理论模型和微磁学分析方法为磁性材料通过微观结构影响高频响应机制的研究提供了新思路,并奠定了一定的理论基础。