[00136030]铁磁/介电复合材料的微波磁导率新型电极化调控

1.课题来源与背景 近年来,磁性材料作为能量转换、信息传输以及抗电磁干扰的重要磁性功能材料,在电子电力、信息通讯和国防安全等领域起到了重要作用。尤其是在不断追求提高效率、降低功耗的今天,电子信息技术持续向高频化、集成化的方向变革。本项目的研究了微波频率下电极化强度与磁化强度的耦合如何调控软磁材料磁导率,基于微波下自然共振频率和磁导率决定于磁化强度的动力学方程,理论上探讨了微波下电极化强度与磁化强度耦合的物理机制;材料上基于异质纳米结构中介电和铁磁材料的复合,通过磁控溅射在介电基底上制备了软磁薄膜如Fe基、Co基合金等,研究了微波下电极化强度与磁化强度耦合对磁性材料中磁导率的影响,刻画了他们耦合效应的特征;发展了一种原位可以改变电极化强度的磁谱测量,精确测量电极化强度对不同微波频率下材料本征磁性的影响。 2.研究的目的与意义 本项目解决了电极化强度改变软磁材料微波磁导率这一基本磁性参数,给出了微波场下电极化强度和磁化强度P＆M耦合的物理机制。有助于理解微波下电极化强度与磁化强度耦合的物理机制,同时也为磁性材料器件的多功能化提供了可能,这对电子信息技术的发展有重要意义。 3.主要论点与论据 磁导率是衡量一个材料的磁化强度对外加磁场响应大小的物理量。对于一般铁磁材料的磁导率通常是正的,对于超导材料而言磁导率为零,而在超材料（Metamaterials）中则是负值,因此磁导率决定了材料的属性及其表现出来的物理特性,是所有材料中很重要的一个物理量。特别是在铁磁性材料中,磁导率决定了材料对外场特别是电磁场的响应速度。本项目探索了GHz微波下软磁材料磁导率的新原理解决磁性器件微型化多功能化发展的迫切需要。我们基于自然共振,围绕软磁金属的高频磁性调控展开研究,利用外加磁场、反铁磁钉扎、倾斜溅射、多层膜耦合以及电控制等手段调控双各向异性,构建了高频高磁导率的材料体系,获得了共振频率0.7-10 GHz范围内可调,磁导率在1000-60范围可调的薄膜材料体系。 在铁磁/铁电体系中发现了电场可以完全改变磁导率实部和虚部的传统线型（洛伦兹型）这一新现象;然后我们提出了在铁电/铁磁异质结构中磁子驱动的界面磁电耦合新理论,不仅实现了电场对磁各向异性和高频磁性的调控,而且发现了电场调控磁化强度动力学的新规律。 面对如何提高电场调控铁磁金属磁性的强度和效率,我们扩展了磁化动力学过程的电场作用发现磁子驱动的界面磁电耦合作用长度与自旋扩散关联的新机制。这些结果的发现为未来电场可控、超低能耗的磁性随机存储元件、微型化天线、电光调制器等新型信息功能器件提供可靠的基础储备和支持。 4.创见与创新 1)基于铁磁/铁电中电场效应增强调控高频磁性,在Co/PMN-PT复合材料的磁谱测量,发现了磁导率实部和虚部的完全电场/磁场控制。实现了磁导率实部和虚部线型的相互连续转化,获得了共振区的负磁导率,负磁导率虚部意味着自旋的更为节能和更快地电场调控;而磁导率线型的完全调控则表明我们可以连续地、局域化地控制材料的电磁性质。 2)电场可以降低基础元器件的能耗、实现微纳尺度的精密控制以及提高数据交换率等,我们研究了低能耗方式-电场调控的非易失磁性,在铁磁/铁电异质结构中,提出了磁子驱动的界面磁电耦合,实现了强的电场非易失控制铁磁金属的共振场,在正负剩余极化状态下,共振场达到120 Oe的移动。 3)提高电场调控铁磁金属磁性的强度和效率,已成为电场直接控制磁化强度动力学面临的关键科学问题。我们考虑在铁磁/铁电界面产生极化电荷,根据麦克斯韦方程,考虑磁性材料的自旋散射,可以实现电场长程作用（可达几十纳米）调控磁性。我们通过在铁磁/铁电体系中获得强的电场效应,利用单晶良好的界面,实现电场作用历程达几十纳米,并且具有非易性调控磁性,考虑电荷屏蔽效应以及自旋散射,在不同铁磁层厚度中计算出自旋散射长度。 5.社会经济效益,存在的问题 软磁材料作为信息存储和处理的重要功能材料,已成为现代信息社会建立的基石之一。我们通过铁电/软磁材料异质结构材料的制备,实现了不同调控机制对软磁材料的调控,基于磁子驱动的自旋屏蔽效应,考虑自旋扩散及磁的相互作用,提出了电极化强度和磁化强度耦合,并在实验上得到证实,这些结果的发现为未来电场可控、超低能耗的磁性随机存储元件、微型化天线、电光调制器等新型信息功能器件提供可靠的基础储备和支持。然而,如何在器件上实现电场的集成控制,是磁性器件中的巨大挑战。 6.历年获奖情况 无。