全频段石榴石薄膜性能及应用基础研究

论文摘要

当射频、微波、太赫兹（THz）波和光波段集成系统各自逐渐形成后，一个新的科学构想随之诞生，那就是能不能研究一种薄膜可同时应用于微波、THz和光波段，实现全频段大集成系统!本博士论文的整个研究工作正是对这一构想的探索和验证。首先，基于石榴石薄膜在小型微波器件和磁光集成器件应用中的低损耗特性，以及在THz波导中潜在的实用价值，我们设计优化出三个频段具有优异特性的掺杂石榴石薄膜系列；其次，我们提出新型无铅液相外延工艺，结合磁控溅射工艺，研制出几种不同成分的石榴石薄膜材料，分析了其在微波段、THz波段和光波段的性能，从理论和实验上探讨了其在全波段器件中的应用；最后，分别研究了薄膜在微波段、THz波段和光波段器件中的应用，结果表明这些石榴石薄膜在这三个波段内都有可选择的优异性能，这对未来的大集成系统具有重要的研究意义。论文秉承了上述基本思想，在基础理论、材料工艺和器件设计方面上都作了探索性和创新性研究，主要亮点工作与涉及的内容为：（1）“缓冲法”Bi：LuIG单晶体无铅液相外延薄膜研究：研究了大面积液相外延薄膜的微结构、表面形貌及缺陷的控制技术；提出了适用于无铅工艺的“缓冲法”技术，着重研究了GGG基片晶轴取向偏差以及薄膜外延速率对材料缺陷和均匀性的影响，通过工艺优化，获得了晶格失配小于0．08％、具有镜面平整性、兼具大磁光效应和小铁磁共振线宽的优质单晶LuBiIG薄膜。薄膜的饱和磁化强度4πMs=1562 Gs，磁光法拉第效应1．6～2．0度／μm（10倍于目前其他工艺得到的薄膜），最小铁磁共振线宽2ΔH=2．8 Oe。（2）微波烧结旋磁铁氧体工艺研究：探索了微波烧结法在石榴石材料合成工艺中的应用，通过优化烧结曲线和烧结温度得到了性能优良的石榴石铁氧体材料。除了高效和节时外，微波法烧结石榴石铁氧体材料在烧结密度、介电损耗、介电常数和磁电损耗方面都较常规烧结方法具有优势；进一步拓宽微波炉的烧结均匀区可实现大尺寸铁氧体材料的制备，该方法不仅有助于提高小型化微波器件中应用的石榴石铁氧体基片性能，而且在溅射靶材的制备中也具有重要的潜在应用价值。（3）射频溅射多晶石榴石薄膜研究：研究了衬底、溅射工艺及原位晶化工艺对薄膜磁性能的影响；针对不同的衬底，摸索出了最佳制备工艺条件，得到了结构致密、表面平整、可调饱和磁化强度的薄膜，发现在GGG（111）衬底上，控制适当的工艺，可原位外延出单晶石榴石薄膜。（4）快速循环晶化（RRTA）理论及工艺研究：建立快速循环纳米晶化量子动力学模型，分析了石榴石多晶薄膜在晶化过程中的成核、生长的基本规律，理论和实验结果证实该方法可以有效细化薄膜晶粒，大大提高薄膜的磁光效应，使法拉第效应成倍增大。（5）静磁表面波滤波器的理论和实验研究：首先建立了静磁表面波滤波器损耗理论模型，分析了石榴石薄膜的厚度、饱和磁化强度及铁磁共振线宽等参数对滤波器损耗的影响；其次，建立了双磁性层结构对静磁表面波的色散抑制理论；最后，利用液相外延的单层和双层LuBiIG石榴石薄膜，分别实现了性能优良的静磁表面波带通滤波器。器件频域4．0—5．5GHz，带宽180±10MHz，插入损耗（?）8．0dB（应用双层色散抑制结构后，插损可达6．0dB以下），带外抑制（?）35dB。（6）微波铁氧体环行器薄膜化的可行性研究：从环行器的设计理论出发，研究了基片和薄膜厚度对环行器性能的影响。结果表明在较低频段（1．0-3．0GHz），经过进一步完善薄膜的制备工艺，薄膜环行器的实现是可能的；而在高频段存尚存在一定的制约因素。（7）石榴石薄膜的THz波导特性研究：研究了液相外延LuBiIG单晶石榴石薄膜和射频磁控溅射多晶石榴石薄膜在THz波段的透射特性。结果发现：该种石榴石薄膜在THz波段（0．1—3THz）有着很小的吸收损耗系数，最小值为0．01---0．2／cm之间，是一种非常有潜力的THz波导传输材料。（8）石榴石薄膜型平面波导开关基础研究：基于Bi：YIG薄膜材料的巨磁光法拉第效应和无铅液相外延石榴石薄膜的大法拉第效应，建立了波导型磁光开关的理论模型，并利用磁光传输理论，分析了影响磁光开关性能的一系列因素，最终成功实现了波导型磁光开关。其基本性能参数为：插入损耗：0．6-3．0 dB，开关速度：40μs-2ms之间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 石榴石型铁氧体基本结构
• 1.2 石榴石薄膜的应用方向
• 1.3 光波段-石榴石薄膜材料及器件的发展
• 1.3.1 石榴石磁光薄膜的发展
• 1.3.2 Bi:YIG石榴石薄膜
• 1.3.3 磁光器件的发展
• 1.4 微波段-石榴石材料微波段铁氧体器件及应用
• 1.4.1 微波铁氧体单晶器件的特性及应用
• 1.4.2 微波铁氧体多晶器件的特性及应用
• 1.5 太赫兹波段材料及波导器件的发展
• 1.6 全波段石榴石薄膜的制备技术
• 1.7 论文选题依据及主要研究内容
• 第二章 液相外延大面积石榴石薄膜的制备与性能分析
• 2.1 引言
• 2.1.1 微波器件对液相外延石榴石薄膜参数的要求
• 2.1.2 磁光调制器件对液相外延石榴石薄膜的要求
• 2.1.3 THz波导器件对液相外延石榴石薄膜参数的要求
• 2.2 石榴石薄膜液相外延工艺研究
• 2.2.1 石榴石材料的磁性能（4πMs）来源
• 2.2.2 基于无铅工艺的液相外延技术（LPE）
• 2.2.3 无铅工艺的液相外延流程
• 2.2.4 熔体的制备和性能分析
• 2.2.5 熔体组份和结构均匀性控制工艺研究
• 2.3 薄膜微结构和性能分析
• 2.3.1 薄膜微结构与晶格失配度
• 2.3.2 磁性能分析
• 2.3.3 微波性能
• 2.3.4 磁光法拉第效应
• 2.3.5 光吸收性能分析
• 2.4 大面积单晶薄膜缺陷控制技术
• 2.4.1 GGG基片晶轴取向偏差对缺陷和材料性能的影响
• 2.4.2 液相外延速率对薄膜形貌和性能的影响
• 2.5 小结
• 第三章 集成多晶石榴石薄膜材料制备及性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 一种新的制备靶材的微波烧结方法
• 3.2.1 微波烧结原理与优势
• 3.2.2 常规烧结与微波烧结YIG材料工艺比较
• 3.2.3 常规烧结与微波烧结结果比较
• 3.3 衬底对薄膜磁性能的影响研究
• 3.3.1 气相外延单晶石榴石薄膜
• 3.3.2 其他不同单晶衬底的影响
• 3.3.3 缓冲层的影响
• 3.4 退火气氛及溅射气氛对薄膜磁性能的影响
• 3.5 RRTA退火工艺对薄膜磁性能的影响研究
• 3.5.1 快速循环纳米晶化量子动力学模型
• 3.5.2 快速循环退火对薄膜磁性能的影响
• 3.5.3 RRTA工艺制备纳米晶Bi:YIG薄膜的磁光性能及透射特性研究
• 3.6 小结
• 第四章 石榴石材料在微波段集成器件中的研究
• 4.1 引言
• 4.2 静磁表面波的损耗理论
• 4.2.1 静磁表面波基本传输损耗理论
• 4.2.2 换能损耗
• 4.2.3 静磁表面波器件的插入损耗
• 4.3 静磁表面波单磁性层滤波器研究
• 4.3.1 石榴石薄膜性能对单层滤波器性能的影响研究
• 4.3.2 滤波器设计及仿真测试结果
• 4.4 双磁性层抑制色散结构及其在静磁表面滤波器中的应用
• 4.4.1 静磁表面波在YIG/介质/YIG/GGG双层结构中的传输特性
• 4.4.2 基于双层结构的静磁表面波滤波器研究
• 4.5 YIG多晶薄膜在环形器/隔离器中应用基础研究
• 4.5.1 小型化微带铁氧体环行器的设计
• 4.5.2 环行结的仿真结果分析
• 4.5.3 基片厚度对器件小型化的限制
• 4.5.4 低频薄膜化环行器
• 4.6 小结
• 第五章 石榴石薄膜材料在THz波段的应用基础研究
• 5.1 太赫兹波传输中波导材料与器件的基本问题提出
• 5.1.1 问题的提出
• 5.1.2 本章的主要研究内容
• 5.2 有关THz材料及器件的基础理论
• 5.2.1 THz波段的时域、频域、吸收的测试理论及折射率、消光系数的计算公式
• 5.2.2 THz波段的磁光子晶体纤维波导理论
• 5.2.3 我们设计的几种典型集成THz波导材料与器件
• 5.3 LuBiIG单晶石榴石薄膜的THz响应特性
• 5.4 多晶石榴石薄膜中纳米晶粒对THz波吸收性能影响
• 5.4.1 纳米晶石榴Bi:YIG薄膜THz响应特性
• 5.4.2 退火时间对YIG石榴石薄膜THz性能的影响
• 5.5 小结
• 第六章 光波段晶体材料应用基础研究——磁光集成开关
• 6.1 磁光开关发展动态
• 6.1.1 全光网络与光开关
• 6.1.2 光开关分类以及发展概况
• 6.2 纳米晶Bi:YIG材料在光波段的磁光效应增强机理
• 6.3 波导型磁光开关原理分析及模型
• 6.3.1 基本原理
• 6.3.2 结构模型分析
• 6.3.3 磁光薄膜波导计算模型、原理分析及功率转换效率模拟
• 6.4 磁光波导器件的设计与制作
• 6.4.1 器件结构设计
• 6.4.2 棱镜耦合法
• 6.4.3 磁光波导器件光路图
• 6.4.4 波导器件的加工与制作
• 6.4.5 初步调试及测量
• 6.5 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 后期工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果