基於多鐵異質結的高頻磁電微波器件研究

《基於多鐵異質結的高頻磁電微波器件研究》是依託西安交通大學，由劉明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於多鐵異質結的高頻磁電微波器件研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉明
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

針對當前多鐵研究領域亟待解決的器件套用轉化問題，結合項目申請人的前期工作基礎，選擇可用於軍事領域的高頻微波信號處理器作為研究對象，從器件參數要求和結構設計出發，構建複合多鐵性磁電異質結及濾波器原型器件,探索多鐵材料與高頻微波器件的系統整合方法、理論模型和測試平台,研究器件中氧化物/金屬/氧化物外延異質結的生長機制及其強磁電耦合的內在機理，並建立相應數學預測模型。利用仿真計算，研究異質結磁電特性對濾波性能參數的影響，並用於指導和最佳化器件的結構設計和開發。在保證器件功能最大化的基礎上，充分利用其外延生長所致牢固的界面機械耦合與異質結中強磁電耦合及其各向異性，實現電場（或脈衝電壓）非易失性原位調控鐵磁共振及濾波頻率，進一步增大其頻率調製範圍，並保持小的共振線寬和靈敏度。成功地設計並開發新一代低功耗、微型化、低噪聲、超快回響的新型高頻磁電微波器件具有重要的國防安全意義。

結題摘要

本項目研究具有強磁電耦合效應的“鐵磁/鐵電”外延多鐵異質結和可低電壓（＜5 V）調控的“離子液體（凝膠）/鐵磁薄膜”異質結的可控制備方法，深入探索其強磁電耦合效應的物理機制和理論模型，圍繞新型多鐵異質結研究磁電存儲器件和磁電微波器件原型，建立材料與器件的系統整合方法。取得以下重要進展：在La0.7Sr0.3MnO3/PMN-PT外延多鐵異質結中實現了電場調控自旋波激發on/off狀態的可逆切換，提出自旋—晶格耦合調控自旋波的理論模型。通過電場調控Ni0.5Zn0.5Fe2O4/PMN-PT外延多鐵異質結的雙磁子散射效應實現對鐵磁共振線寬的大範圍調控，該機制的調控效果遠超過傳統應變調控機制（最大可達24倍）。設計製備了Ni0.5Zn0.5Fe2O4/BaTiO3三維複合多鐵性薄膜，在臨界溫度附近可實現高達1866 Oe的鐵磁共振場偏移，這在微熱驅動的微波器件和自旋電子器件等方面存在極大的器件化套用價值。分別在“鐵磁/鐵電”層合多鐵異質結和“離子液體/鐵磁薄膜”異質結中通過電壓調控人工反鐵磁結構的RKKY效應，實現了電壓控制鐵磁—反鐵磁耦合的可逆轉變，克服了傳統方法難以調控反鐵磁材料磁矩的難題，為開發基於反鐵磁材料的自旋電子器件提供了新思路。通過離子液體低電壓調控“YIG/Pt”和“YIG/Cu/Pt”異質結的磁近鄰效應，實現4.5 V調控鐵磁共振場漂移分別高達690 Oe和1400 Oe，較傳統磁電耦合方法提高一個數量級，為研發低電壓調控的可調微波濾波器奠定基礎。建立了基於鐵磁共振原理研究離子液體原位調控異質結磁性能的定量表征方法，實現了低電壓調控垂直磁各向異性和自旋重取向相變，獲得破紀錄的378 Oe/V的磁電耦合係數，對開發低電壓操縱的磁電存儲器件具有重要意義。實現了室溫下的電場調控垂直磁易軸翻轉，伴隨最大高達1100 Oe鐵磁共振場的變化，發現了應變調控界面自旋-軌道效應的物理機制，其磁電耦合強度是傳統機制的十倍。以多鐵性磁電複合材料為磁芯設計製備了電壓脈衝非易失性調控的可調電感，非易失性調諧率高達250%，為進一步開發電場可調濾波器等新型信號處理器件奠定基礎。