基于微波鐵磁共振的YIG鐵氧體晶體材料探究實驗

楊東俠，劉安平，韓 忠，何光宏，席 明，張昊一，倪曙煜

(重慶大學(xué) 物理學(xué)院,重慶401331)

基于微波鐵磁共振的YIG鐵氧體晶體材料探究實驗

楊東俠，劉安平，韓 忠，何光宏，席 明，張昊一，倪曙煜

(重慶大學(xué) 物理學(xué)院,重慶401331)

在超高頻微波場中測量了YIG晶體的共振譜線，并計算多晶樣品的g因子、旋磁比、共振線寬、弛豫時間以及單晶樣品的g因子. 實驗結(jié)果表明：YIG樣品的磁場強度H與勵磁電壓U成正比關(guān)系，勵磁電流I與功率P之間成線性關(guān)系,并通過電壓U與電流I的關(guān)系得到H與I的關(guān)系，即U∝H∽I∝P.

微波鐵磁共振；電子自旋；YIG晶體；共振譜線

鐵磁共振與電子自旋、核磁共振等是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效手段[1]. 早在1935年栗弗席茲等就提出鐵磁性物質(zhì)具有鐵磁共振特性，10年后由于超高頻技術(shù)發(fā)展起來，1947年又觀察到多晶鐵氧體的鐵磁共振現(xiàn)象. 接著波爾德和候根在深入研究鐵磁體的共振吸收和旋磁性的基礎(chǔ)上，發(fā)明了鐵氧體的微波線性器件，從而引起了微波技術(shù)的重大變革[2]. 目前YIG單晶/多晶鐵氧體材料與器件已廣泛地使用在雷達、通信、電視、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)及高能粒子加速器等民用和軍事應(yīng)用各個方面[3]，我國已生產(chǎn)出膜厚320 μm,ΔH=0.04 kA/m的YIG單晶超厚膜材料[4]，以及YIG梳譜式阻帶可變?yōu)V波器、 多路幅相一致帶阻濾波器和開關(guān)濾波器，不僅拓展了YIG調(diào)諧濾波器的功能，而且改善了YIG器件掃速等固有的缺陷，為YIG調(diào)諧帶阻濾波器更為廣泛的應(yīng)用找到了新的思路和方向[5]. 我校物理實驗中心在近代物理實驗室開展探究式實驗教學(xué)，組織學(xué)生自主選題，設(shè)計并開展實驗. 通過實驗闡述YIG單晶鐵氧體材料的性質(zhì)，測量g因子、旋磁比γ、共振線寬ΔH以及弛豫時間τ[6].

1 實 驗

1.1 實驗設(shè)備與材料

實驗裝置包括微波源、隔離器、直波導(dǎo)、頻率計、環(huán)行器、隔離器、檢波器、雙T匹配器、扭波導(dǎo)、諧振腔、短路活塞，通過調(diào)節(jié)電壓、電流、短路活塞以及頻率計進行測量實驗.

實驗分別選取單晶以及多晶釔鐵石榴石(YIG)作為實驗樣品，此次實驗中將YIG置于樣品管內(nèi)，測試使用時將樣品管插入諧振腔中.

1.2 實驗原理和測量方法

1.2.1 測量微波波導(dǎo)波長λg以及諧振頻率f0

截面為a×b、均勻且無限長的矩形波導(dǎo)如圖1所示，管壁為理想導(dǎo)體，管內(nèi)充以電容率為ε、磁導(dǎo)率為μ的介質(zhì)，則沿z方向傳播的TE10波的各分量為

(1)

(2)

(3)

Ex=Ez=Hy=0,

(4)

(5)

λg稱為波導(dǎo)波長，λc=2a為截止或臨界波長(對微波電子自旋共振實驗系統(tǒng)中a=22.86 mm，b=10.16 mm)，λ=c/f，f為腔的諧振頻率(可以記為f0)[2].

圖1 矩形波導(dǎo)管

實驗需選用YIG單晶樣品，先將樣品放入儀器中，接通示波器和磁鐵掃描電源，通過直接調(diào)節(jié)電流和電壓來選定需要的磁場強度，可獲得均勻的共振信號，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)短路活塞發(fā)現(xiàn)共振信號的變化，記錄其中共振信號最大的3個點讀數(shù)，依據(jù)原理公式計算得出波導(dǎo)波長和諧振頻率.

1.2.2 YIG單晶各向異性k1和g因子測量

鐵磁性及亞鐵磁性的單晶體是各向異性的，即共振時外加直流磁場H的大小隨晶體的取向而改變，實驗樣品為YIG單晶小球，屬于立方晶系(見圖2)，忽略形狀各向異性，H在(110)晶面內(nèi)與[001]軸夾角為θ(見圖3),則有

(6)

(7)

圖2 YIG單晶結(jié)構(gòu)及(110)晶面

圖3 (110)晶面內(nèi)各晶軸及H的取向

1)H∥[001]軸時

(8)

2)H∥[111]軸

(9)

取ω=ω0(相應(yīng)的共振磁場表示為H0),聯(lián)立式(7)～(9)求解得

(10)

(11)

放置YIG單晶于實驗裝置中，選定磁場，以5°為單位旋轉(zhuǎn)樣品72次，完成360°下共振磁場的測量，記錄并繪表可得參量特性.

1.2.3 測量磁場強度與勵磁電源電壓的關(guān)系

實驗中不需要使用YIG樣品. 以霍爾效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，將高斯探頭垂直插入諧振腔中心，旋轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)勵磁電流，可以得到最大讀數(shù)，通過記錄最大讀數(shù)和對應(yīng)的電壓，將多組數(shù)據(jù)以圖表形式呈現(xiàn)，可觀察到磁場強度和勵磁電源電壓的正比關(guān)系.

1.2.4 描點法直接測量YIG多晶樣品的共振曲線，并計算g因子和旋磁比γ

實驗中需放入YIG多晶樣品，為獲得所求參量，需調(diào)節(jié)好固定的微波頻率，實驗所使用的器材已設(shè)置好此頻率，故只需接通檢波器，由小到大改變勵磁電壓，記錄微電流計突然變小的最小數(shù)值以及此時的電壓值，計算并繪圖得到共振曲線、g因子和旋磁比γ.

1.2.5 鐵磁共振線寬ΔH的測量

YIG單晶小球放置在短路波導(dǎo)中，靠近短路壁波導(dǎo)斷面正中心(微波磁場最大位置)[7]，當(dāng)其發(fā)生鐵磁共振時，可以把YIG單晶小球等效為和傳輸線耦合的鐵磁諧振器，則其共振線寬ΔH為

(12)

使用半功率法可以準(zhǔn)確得到共振線寬ΔH的數(shù)值. 具體方法為描點得到的YIG共振曲線，在其中尋找所需的半功率點，在此前提下得出ΔH值.

2 實驗結(jié)果與分析

圖4 磁場強度與角度的關(guān)系

對于實驗1.2.3，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作圖如圖5所示. 擬合得到H=30.0U+3 188.3，r=0.993 7. 從而可得到H與U成線性關(guān)系.

圖5 磁場強度與激勵電源電壓的關(guān)系

圖6 YIG多晶共振曲線

根據(jù)實驗1.2.3可以得到I與H的關(guān)系曲線，有突變性質(zhì),又因為檢波晶體管的檢波電流i∝P[8],故可以得到Y(jié)IG單晶樣品的磁場強度H與勵磁電壓U成正比關(guān)系，勵磁電流I與功率P之間成線性關(guān)系,并且可通過電壓U與電流I的關(guān)系得到H與I的關(guān)系,即U∝H∽I∝P.

3 結(jié)論與討論

學(xué)生實驗測得在超高頻微波場中磁損耗比其他任何品種的多晶、單晶鐵氧體低1到幾個數(shù)量級的YIG單晶、多晶的共振譜線，并計算多晶樣品的g因子、旋磁比γ、共振線寬ΔH以及弛豫時間τ以及單晶樣品的g因子. 實驗結(jié)果：YIG晶體樣品的磁場強度H與勵磁電壓U成正比，勵磁電流I與功率P之間成線性,并通過電壓U與電流I的關(guān)系得到H與I的關(guān)系，即U∝H∽I∝P. 通過探究式實驗教學(xué)，加深了學(xué)生運用微波鐵磁共振實驗研究微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其潛在應(yīng)用價值的理解，鍛煉了學(xué)生實驗研究與創(chuàng)新能力.

[1] 高鐵軍，孟祥省，王書運. 近代物理實驗[M]. 北京：科學(xué)出版，2009:179-180.

[2] 重慶大學(xué)物理實驗教學(xué)中心. 近代物理實驗結(jié)課論文[EB/OL]. http://www.docin.com/p-1005650713.html. 2014.

[3] 鄭振中. 微波鐵氧體材料的最新研究[J]. 中國陶瓷，2010，46(9):6-7.

[4] 余聲明. 我國微波YIG鐵氧體技術(shù)的發(fā)展[C]// 中國稀土學(xué)會第十屆全國磁學(xué)和磁性材料會議論文集. 北京，1999：433-434.

[5] 何衛(wèi) 國，全海江，陳勁松. YIG調(diào)諧帶阻濾波器的新應(yīng)用[J]. 磁性材料及器，2007(6):29-33,44.

[6] 張有霆. 釔鐵石榴石單晶薄膜在高功率下鐵磁共振飽和現(xiàn)象和折疊效應(yīng)[J]. 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報, 1989,7(2):95-100.

[7] 王魁香. YIG單晶體磁共振(FMR)[J]. 物理實驗，1987，7(3)：101-104.

[8] Fan W J, Qiu X P, Shi Z, et al. Correlation between isotropic ferromagnetic resonance field shift and rotatable anisotropy in polycrystalline NiFe/FeMn bilayers [J]. Thin Solid Films, 2010,518(8):2175-2178.

[責(zé)任編輯：任德香]

Study on YIG ferrite crystal materials based on microwave ferromagnetic resonance

YANG Dong-xia, LIU An-ping, HAN Zhong, HE Guang-hong,XI Ming， ZHANG Hao-yi， NI Shu-yu

(College of Physics, Chongqing University, Chongqing 401331, China)

The resonance spectra of YIG crystals were measurend in microwave magnetic field with ultra-high frequency, and some parameters were calculated, such as factorgof single crystal and polycrystal, gyromagnetic ratio, resonance line width, and relaxation time. The experimental results showed that a direct ratio relation laid between exciting voltageUand the magnetic field intensityHof YIG crystal. Meanwhile the exciting currentIhad a linear relation with powerP, and the relation betweenHandIcould be deduced by the relation betweenUandI(U∝H∽I∝P).

ferromagnetic resonance; electron spin; YIG single crystal; resonance spectral line

2016-04-20；修改日期：2016-09-19

重慶大學(xué)教改項目(No.2014Y30)

楊東俠(1990-)，男，重慶人，重慶大學(xué)物理學(xué)院2014級碩士研究生，研究方向為凝聚態(tài)物理.

劉安平(1979-)，男，重慶人，重慶大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士，從事近代物理實驗教學(xué).

TN61

A

1005-4642(2016)12-0001-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文