YIG薄膜的制備與微帶薄膜環(huán)形器的設(shè)計(jì).pdf

1、作為一種環(huán)行傳輸微波信號(hào)的器件,微波環(huán)行器廣泛應(yīng)用手機(jī)、移動(dòng)基站、相控陣?yán)走_(dá)等各種民用與軍用設(shè)備中。隨著單片微波集成電路的快速發(fā)展,研制體積更小,重量更輕的小型化環(huán)行器是環(huán)行器發(fā)展的必然趨勢(shì)。微帶薄膜環(huán)形器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),受到廣大研究人員的青睞。
　　 釔鐵石榴型鐵氧體(Y3Fe5O12,YIG)是一種亞鐵磁性材料,具有鐵磁共振線(xiàn)寬窄、電阻率高、高頻損耗小、優(yōu)良的旋磁效應(yīng)而被廣泛的使用于環(huán)形器中。

2、YIG薄膜質(zhì)量的高低將直接影響薄膜環(huán)形器性能的好壞,所以如何制備高質(zhì)量的YIG薄膜急需解決。本文將利用PLD技術(shù)在Si基片以及GGG基片制備YIG薄膜,并利用HFSS軟件對(duì)微帶薄膜環(huán)形器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。其主要內(nèi)容如下:
　　 (1)分別利用化學(xué)共沉淀法和固相球磨法制各YIG粉體,并燒結(jié)得到Y(jié)IG靶材。研究了Y與Fe離子的原子計(jì)數(shù)比、PH值、煅燒溫度與時(shí)間對(duì)共沉淀法得到的YIG粉體性質(zhì)的影響。通過(guò)XRD、SEM、VSM等測(cè)試分析,比

3、較了用化學(xué)共沉淀法以及固相法制備的YIG靶材的性能差異。
　　 (2)利用脈沖激光沉積(PLD)在單晶Si面上沉積YIG薄膜。首先初步的研究了氧壓以及退火溫度對(duì)薄膜性能的影響,然后在緩沖層的基礎(chǔ)上深入的研究了氧壓、基片溫度、退火溫度對(duì)薄膜性能的影響,并研究了緩沖層對(duì)薄膜性能的影響。
　　 (3)利用脈沖激光沉積在單晶GGG(444)基片上沉積YIG薄膜。研究了氧壓對(duì)YIG薄膜性能的影響。
　　 (4)利用HFSS

4、軟件對(duì)微帶薄膜環(huán)形器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。研究了薄膜與襯底的厚度比對(duì)環(huán)形器的帶寬的影響。
　　 得到以下結(jié)論:
　　 (1)對(duì)于共沉淀法制備YIG靶材,小范圍變動(dòng)原子計(jì)數(shù)比并不會(huì)影響YIG粉體的純度,PH越大越利于YIG的合成,攪拌、超聲波以及PEG能減小團(tuán)聚現(xiàn)象,750℃下煅燒7小時(shí)能得到顆粒最小,比表面積最大,活性最高的YIG粉體。最后經(jīng)過(guò)壓制,1350℃下燒結(jié)得到優(yōu)質(zhì)的YIG靶材,通過(guò)VSM、SEM、EDS分析得到Y(jié)IG靶

5、材致密性好,Ms與理論值接近,沒(méi)有任何雜質(zhì)。對(duì)于固相法制備YIG靶材,在950℃下預(yù)燒,1350℃下燒結(jié)得到的靶材相比于共沉淀法雖然含有不足5％的雜相、顆粒略大、Ms略小、純度略差等,但具有操作簡(jiǎn)單易行,利于環(huán)保,且可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。所以通過(guò)綜合考慮,決定采用固相法制備的靶材。
　　 (2)在Si表面制備YIG薄膜,得到氧壓為4Pa,基片溫度為750℃,退火溫度為750℃,緩沖層采用CeO2/YSZ以及三層(YAG/YAIG/

6、YIG)low-temperature復(fù)合緩沖層的條件下制備薄膜共振線(xiàn)寬最小(70e)、飽和磁化強(qiáng)度最接近理論磁性(139emu/cm3)、表面粗糙度最小、結(jié)晶性最好、結(jié)晶顆粒最為均勻、最大無(wú)裂紋厚度最大等特性。
　　 (3)在GGG(444)表面制備YIG薄膜,得到當(dāng)氧壓較小時(shí),薄膜難以結(jié)晶,當(dāng)氧壓達(dá)到1Pa時(shí),YIG薄膜呈現(xiàn)單晶形式,當(dāng)氧壓達(dá)到甚至超過(guò)4Pa后,薄膜呈現(xiàn)高度取向的多晶薄膜。
　　 (4)利用HFSS對(duì)