楊東俠，劉安平，韓 忠，何光宏，席 明，張昊一，倪曙煜

(重慶大學 物理學院,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 物理學院,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. 實驗結果表明：YIG樣品的磁場強度H與勵磁電壓U成正比關系，勵磁電流I與功率P之間成線性關系,并通過電壓U與電流I的關系得到H與I的關系，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微觀結構的有效手段[1]. 早在1935年栗弗席茲等就提出鐵磁性物質具有鐵磁共振特性，10年后由于超高頻技術發(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上，發(fā)明了鐵氧體的微波線性器件，從而引起了微波技術的重大變革[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用各個方面[3]，我國已生產出膜厚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濾波器，不僅拓展了YIG調諧濾波器的功能，而且改善了YIG器件掃速等固有的缺陷，為YIG調諧帶阻濾波器更為廣泛的應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，組織學生自主選題，設計并開展實驗. 通過實驗闡述YIG單晶鐵氧體材料的性質，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 實驗設備與材料

實驗裝置包括微波源、隔離器、直波導、頻率計、環(huán)行器、隔離器、檢波器、雙T匹配器、扭波導、諧振腔、短路活塞，通過調節(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，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如圖1所示，管壁為理想導體，管內充以電容率為ε、磁導率為μ的介質，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，在此基礎上調節(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)晶面內與[001]軸夾角為θ(見圖3),則有

(6)

(7)

圖2 YIG單晶結構及(110)晶面

圖3 (110)晶面內各晶軸及H的取向

1)H∥[001]軸時

(8)

2)H∥[111]軸

(9)

取ω=ω0(相應的共振磁場表示為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系

實驗中不需要使用YIG樣品. 以霍爾效應為理論基礎，將高斯探頭垂直插入諧振腔中心，旋轉，同時調節(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，需調節(jié)好固定的微波頻率，實驗所使用的器材已設置好此頻率，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中，靠近短路壁波導斷面正中心(微波磁場最大位置)[7]，當其發(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 實驗結果與分析

圖4 磁場強度與角度的關系

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成線性關系.

圖5 磁場強度與激勵電源電壓的關系

圖6 YIG多晶共振曲線

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

3 結論與討論

學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的關系得到H與I的關系，即U∝H∽I∝P. 通過探究式實驗教學，加深了學生運用微波鐵磁共振實驗研究微觀物質結構及其潛在應用價值的理解，鍛煉了學生實驗研究與創(chuàng)新能力.

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

[2] 重慶大學物理實驗教學中心. 近代物理實驗結課論文[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鐵氧體技術的發(fā)展[C]// 中國稀土學會第十屆全國磁學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調諧帶阻濾波器的新應用[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[J]. 應用科學學報, 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

重慶大學教改項目(No.2014Y30)

楊東俠(1990-)，男，重慶人，重慶大學物理學院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，重慶大學物理學院副教授，博士，從事近代物理實驗教學.

TN61

A

1005-4642(2016)12-0001-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文