基于微波鐵磁共振的YIG鐵氧體晶體材料探究實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)

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(chǎng)中測(cè)量了YIG晶體的共振譜線，并計(jì)算多晶樣品的g因子、旋磁比、共振線寬、弛豫時(shí)間以及單晶樣品的g因子. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：YIG樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與勵(lì)磁電壓U成正比關(guān)系，勵(lì)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(dá)、通信、電視、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)及高能粒子加速器等民用和軍事應(yīng)用各個(gè)方面[3]，我國(guó)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(shí)驗(yàn)中心在近代物理實(shí)驗(yàn)室開展探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，組織學(xué)生自主選題，設(shè)計(jì)并開展實(shí)驗(yàn). 通過實(shí)驗(yàn)闡述YIG單晶鐵氧體材料的性質(zhì)，測(cè)量g因子、旋磁比γ、共振線寬ΔH以及弛豫時(shí)間τ[6].

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)裝置包括微波源、隔離器、直波導(dǎo)、頻率計(jì)、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(jì)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)分別選取單晶以及多晶釔鐵石榴石(YIG)作為實(shí)驗(yàn)樣品，此次實(shí)驗(yàn)中將YIG置于樣品管內(nèi)，測(cè)試使用時(shí)將樣品管插入諧振腔中.

1.2 實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)量方法

1.2.1 測(cè)量微波波導(dǎo)波長(zhǎng)λg以及諧振頻率f0

截面為a×b、均勻且無限長(zhǎng)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)

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λg稱為波導(dǎo)波長(zhǎng)，λc=2a為截止或臨界波長(zhǎng)(對(duì)微波電子自旋共振實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度，可獲得均勻的共振信號(hào)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)短路活塞發(fā)現(xiàn)共振信號(hào)的變化，記錄其中共振信號(hào)最大的3個(gè)點(diǎn)讀數(shù)，依據(jù)原理公式計(jì)算得出波導(dǎo)波長(zhǎng)和諧振頻率.

1.2.2 YIG單晶各向異性k1和g因子測(cè)量

鐵磁性及亞鐵磁性的單晶體是各向異性的，即共振時(shí)外加直流磁場(chǎng)H的大小隨晶體的取向而改變，實(shí)驗(yàn)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(shí)

(8)

2)H∥[111]軸

(9)

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

(10)

(11)

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

1.2.3 測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電源電壓的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)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(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，可以得到最大讀數(shù)，通過記錄最大讀數(shù)和對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電源電壓的正比關(guān)系.

1.2.4 描點(diǎn)法直接測(cè)量YIG多晶樣品的共振曲線，并計(jì)算g因子和旋磁比γ

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(lì)磁電壓，記錄微電流計(jì)突然變小的最小數(shù)值以及此時(shí)的電壓值，計(jì)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(cè)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(chǎng)最大位置)[7]，當(dāng)其發(fā)生鐵磁共振時(shí)，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(diǎn)得到的YIG共振曲線，在其中尋找所需的半功率點(diǎn)，在此前提下得出ΔH值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4 磁場(chǎng)強(qiáng)度與角度的關(guān)系

對(duì)于實(shí)驗(yàn)1.2.3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)度與激勵(lì)電源電壓的關(guān)系

圖6 YIG多晶共振曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)1.2.3可以得到I與H的關(guān)系曲線，有突變性質(zhì),又因?yàn)闄z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(chǎng)強(qiáng)度H與勵(lì)磁電壓U成正比關(guān)系，勵(lì)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(shí)驗(yàn)測(cè)得在超高頻微波場(chǎng)中磁損耗比其他任何品種的多晶、單晶鐵氧體低1到幾個(gè)數(shù)量級(jí)的YIG單晶、多晶的共振譜線，并計(jì)算多晶樣品的g因子、旋磁比γ、共振線寬ΔH以及弛豫時(shí)間τ以及單晶樣品的g因子. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：YIG晶體樣品的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與勵(lì)磁電壓U成正比，勵(lì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深了學(xué)生運(yùn)用微波鐵磁共振實(shí)驗(yàn)研究微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其潛在應(yīng)用價(jià)值的理解，鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究與創(chuàng)新能力.

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

[2] 重慶大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心. 近代物理實(shí)驗(yàn)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(guó)陶瓷，2010，46(9):6-7.

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

[5] 何衛(wèi) 國(guó)，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.

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[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(xiàng)目(No.2014Y30)

楊東俠(1990-)，男，重慶人，重慶大學(xué)物理學(xué)院2014級(jí)碩士研究生，研究方向?yàn)槟蹜B(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(shí)驗(yàn)教學(xué).

TN61

A

1005-4642(2016)12-0001-04

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文