應(yīng)變與電場對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的協(xié)同調(diào)控機制研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電子器件的不斷演進中，對高性能磁性材料的需求日益增長。M型六角鐵氧體薄膜作為一類重要的磁性材料，憑借其獨特的物理性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。M型六角鐵氧體薄膜具有較高的磁晶各向異性常數(shù)、適當(dāng)?shù)娘柡痛呕瘡姸纫约皟?yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度。這些特性使其成為超高密度垂直磁記錄介質(zhì)的理想選擇，在硬盤存儲技術(shù)中，隨著對存儲密度要求的不斷提高，M型六角鐵氧體薄膜有望滿足未來更高密度存儲的需求。其還在微波器件、電磁屏蔽以及傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在微波通信中，可用于制造微波隔離器、環(huán)行器等器件，利用其對電磁波的吸收和調(diào)控特性，實現(xiàn)信號的隔離和傳輸；在電磁屏蔽領(lǐng)域，能夠有效衰減和吸收電磁波，保護電子設(shè)備免受電磁干擾；在傳感器應(yīng)用中，可基于其磁電耦合效應(yīng)，實現(xiàn)對磁場、電場等物理量的高靈敏度檢測。鐵磁共振（FMR）是磁性材料中的一種重要物理現(xiàn)象，它描述了在特定條件下，磁性材料中的磁矩與外加交變磁場發(fā)生共振的過程。通過研究鐵磁共振，可以深入了解磁性材料的磁學(xué)性質(zhì)，如磁各向異性、磁導(dǎo)率、阻尼等。這些性質(zhì)對于優(yōu)化磁性材料在各種器件中的性能至關(guān)重要。在微波器件中，鐵磁共振頻率和線寬的控制直接影響著器件的工作頻率和帶寬；在磁記錄領(lǐng)域，磁各向異性和磁導(dǎo)率的優(yōu)化有助于提高存儲密度和讀寫性能。應(yīng)變和電場調(diào)控作為兩種重要的手段，能夠有效地改變M型六角鐵氧體薄膜的鐵磁共振特性。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變作用時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變，進而導(dǎo)致磁晶各向異性、磁彈性能等磁學(xué)參數(shù)的變化，最終影響鐵磁共振特性。通過在薄膜生長過程中引入不同的襯底材料或采用特殊的制備工藝，可以在薄膜中引入可控的應(yīng)變，實現(xiàn)對鐵磁共振的有效調(diào)控。而電場調(diào)控則是利用磁電耦合效應(yīng)，通過外加電場改變薄膜的磁學(xué)性質(zhì)。在多鐵性材料體系中，電場的變化可以引起磁矩的重新取向，從而改變鐵磁共振頻率和線寬。這種調(diào)控方式具有響應(yīng)速度快、易于集成等優(yōu)點，為實現(xiàn)新型磁電器件提供了可能。對M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的應(yīng)變和電場調(diào)控的研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)研究角度來看，深入理解應(yīng)變和電場對鐵磁共振的影響機制，有助于揭示磁性材料中磁相互作用的本質(zhì)，豐富和完善磁學(xué)理論。通過研究不同應(yīng)變和電場條件下鐵磁共振特性的變化規(guī)律，可以為建立更加準(zhǔn)確的磁學(xué)模型提供實驗依據(jù)。在實際應(yīng)用方面，通過優(yōu)化應(yīng)變和電場調(diào)控手段，可以顯著提升M型六角鐵氧體薄膜在各類電子器件中的性能，推動電子器件向小型化、高性能化、多功能化方向發(fā)展。在微波通信領(lǐng)域，實現(xiàn)對鐵磁共振的精確調(diào)控，有助于開發(fā)出更高頻率、更低損耗的微波器件，提高通信系統(tǒng)的性能；在磁存儲領(lǐng)域，通過調(diào)控鐵磁共振特性，可以提高存儲密度和數(shù)據(jù)讀寫速度，滿足大數(shù)據(jù)時代對信息存儲的需求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在M型六角鐵氧體薄膜制備方面，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究并取得了豐富成果。國內(nèi)研究起步較早，1996年華中科技大學(xué)采用射頻磁控濺射法在硅襯底上制備M型鋇鐵氧體（BaM）薄膜，研究發(fā)現(xiàn)薄膜在700℃氧氣中退火可獲得良好c軸擇優(yōu)取向，飽和磁化強度和矯頑力分別為M?=296kA/m，Hc=310kA/m，退火溫度過高或過低都不利于形成c軸擇優(yōu)取向。同年，該團隊又通過射頻磁控濺射在單晶硅基片上低溫沉積BaM薄膜，采用非正分靶并在退火時通入氧氣補償，以防止再濺射效應(yīng)導(dǎo)致膜中鋇與氧含量不足，結(jié)果表明在750℃退火時薄膜具有良好磁特性。近年來，隨著柔性電子技術(shù)的發(fā)展，對柔性M型六角鐵氧體薄膜的研究逐漸興起。國內(nèi)有研究通過工藝探索，利用MgO襯底的可溶性，采用脈沖激光沉積系統(tǒng)（PLD）成功制備了自支撐柔性M型六角鐵氧體薄膜，該方法相比于傳統(tǒng)濕法刻蝕犧牲層法，簡化了制備工藝，縮短了制備周期。國外在M型六角鐵氧體薄膜制備方面也有諸多進展。采用分子束外延（MBE）、脈沖激光沉積（PLD）等先進技術(shù)，能夠精確控制薄膜的生長層數(shù)和原子排列，制備出高質(zhì)量、高均勻性的薄膜。通過優(yōu)化生長條件和襯底選擇，實現(xiàn)了對薄膜晶體結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能的有效調(diào)控。在研究不同襯底對薄膜生長的影響時發(fā)現(xiàn)，某些特定晶格匹配的襯底可以促進薄膜的外延生長，減少晶格缺陷，從而提高薄膜的磁各向異性和飽和磁化強度。在鐵磁共振原理研究方面，早在1935年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道就提出鐵磁性物質(zhì)具有鐵磁共振特性，但直到超高頻技術(shù)發(fā)展起來后，才觀察到鐵磁共振吸收現(xiàn)象。此后，波耳得（Polder）和侯根（Hogan）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，推動了鐵磁共振技術(shù)的發(fā)展。如今，鐵磁共振已成為研究物質(zhì)宏觀性能和分析微觀結(jié)構(gòu)的重要手段，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域。通過鐵磁共振實驗，可以精確測量磁性材料的g因子、共振線寬、弛豫時間等重要參數(shù)，為理解材料的磁學(xué)性質(zhì)提供關(guān)鍵信息。關(guān)于應(yīng)變和電場調(diào)控對M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的影響，國內(nèi)外也開展了一系列研究。在應(yīng)變調(diào)控方面，通過在薄膜生長過程中引入不同的襯底材料，利用襯底與薄膜之間的晶格失配產(chǎn)生可控應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變可以顯著改變薄膜的磁晶各向異性和磁彈性能，進而影響鐵磁共振頻率和線寬。當(dāng)薄膜受到拉伸應(yīng)變時，磁晶各向異性常數(shù)會發(fā)生變化，導(dǎo)致鐵磁共振頻率向高頻或低頻移動，具體取決于材料的特性和應(yīng)變方向。通過理論計算和實驗相結(jié)合的方法，深入探討了應(yīng)變與鐵磁共振特性之間的定量關(guān)系，為應(yīng)變調(diào)控提供了理論依據(jù)。在電場調(diào)控方面，主要利用磁電耦合效應(yīng)來實現(xiàn)對鐵磁共振的調(diào)控。在多鐵性材料體系中，外加電場可以通過改變材料的電極化狀態(tài)，進而影響磁矩的取向和相互作用，從而改變鐵磁共振特性。通過在M型六角鐵氧體薄膜上制備具有磁電耦合特性的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如與壓電材料復(fù)合，實現(xiàn)了電場對鐵磁共振的有效調(diào)控。研究表明，電場調(diào)控具有響應(yīng)速度快、易于集成等優(yōu)點，為開發(fā)新型磁電器件提供了新的途徑。但目前電場調(diào)控的研究還面臨一些挑戰(zhàn)，如磁電耦合效率較低、調(diào)控范圍有限等，需要進一步探索新的材料體系和調(diào)控方法來解決這些問題。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究應(yīng)變和電場對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的調(diào)控規(guī)律及協(xié)同機制，為該薄膜在高性能電子器件中的應(yīng)用提供堅實的理論和實驗基礎(chǔ)。在研究應(yīng)變對鐵磁共振的影響方面，將采用先進的材料制備技術(shù)，在不同襯底上生長具有特定應(yīng)變狀態(tài)的M型六角鐵氧體薄膜。通過高分辨率X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）等表征手段，精確測定薄膜的晶格結(jié)構(gòu)和應(yīng)變分布。利用鐵磁共振測試系統(tǒng)，測量不同應(yīng)變條件下薄膜的鐵磁共振頻率、線寬等參數(shù)，深入分析應(yīng)變與鐵磁共振特性之間的定量關(guān)系，明確應(yīng)變對磁晶各向異性、磁彈性能等磁學(xué)參數(shù)的影響機制，從而揭示應(yīng)變調(diào)控鐵磁共振的內(nèi)在物理規(guī)律。針對電場對鐵磁共振的調(diào)控，將構(gòu)建基于M型六角鐵氧體薄膜的電場調(diào)控體系，如制備與壓電材料復(fù)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，或利用場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對薄膜的電場調(diào)控。通過改變外加電場的大小和方向，利用鐵磁共振測試技術(shù)，實時監(jiān)測鐵磁共振特性的變化。結(jié)合理論計算和模擬，深入研究電場誘導(dǎo)的磁電耦合效應(yīng)，明確電場對磁矩取向、磁相互作用等的影響機制，建立電場調(diào)控鐵磁共振的理論模型，為電場調(diào)控提供理論依據(jù)。為了進一步探索應(yīng)變和電場對鐵磁共振的協(xié)同調(diào)控機制，將設(shè)計并制備同時具備應(yīng)變和電場調(diào)控功能的實驗樣品。通過系統(tǒng)地改變應(yīng)變和電場的大小，研究兩者協(xié)同作用下鐵磁共振特性的變化規(guī)律。運用多物理場耦合理論，深入分析應(yīng)變和電場之間的相互作用對磁學(xué)參數(shù)的影響，揭示協(xié)同調(diào)控的物理本質(zhì)，建立應(yīng)變和電場協(xié)同調(diào)控鐵磁共振的理論框架，為實現(xiàn)高性能磁電器件的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。本研究還將根據(jù)應(yīng)變和電場調(diào)控鐵磁共振的規(guī)律，設(shè)計并制備基于M型六角鐵氧體薄膜的新型磁電器件，如高性能微波隔離器、可調(diào)諧磁傳感器等。對制備的器件進行性能測試和優(yōu)化，評估應(yīng)變和電場調(diào)控對器件性能的提升效果，探索該薄膜在實際應(yīng)用中的潛力和可行性，為推動其在現(xiàn)代電子器件中的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1M型六角鐵氧體薄膜2.1.1晶體結(jié)構(gòu)與特性M型六角鐵氧體薄膜具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)，其化學(xué)通式通常表示為AB_{12}O_{19}，其中A代表二價金屬離子，如Ba^{2+}、Sr^{2+}、Ca^{2+}等；B主要為三價金屬離子Fe^{3+}。在其晶體結(jié)構(gòu)中，氧離子構(gòu)成了密堆積結(jié)構(gòu)，金屬離子則填充在氧離子形成的間隙位置。M型六角鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)可以看作是由含有Ba^{2+}（或其他二價離子）的氧離子層和不含Ba^{2+}的氧離子層交替堆疊而成。含有Ba^{2+}的氧離子層和相鄰的氧離子層構(gòu)成ABAB……六角密堆積結(jié)構(gòu)，記為R塊；不含Ba^{2+}的氧離子層和相鄰氧離子層構(gòu)成ABCABC面心立方密集，記為S塊。六角密集R塊的C軸[0001]方向和S塊的[111]方向重疊堆垛，形成了M型六角鐵氧體特有的晶體結(jié)構(gòu)，其單位晶胞可以表示為RSR^*S^*（其中R^*、S^*為對應(yīng)R、S的反演）。在這種結(jié)構(gòu)中，金屬離子占據(jù)不同的配位位置，包括八面體、四面體和六面體位置，這些不同位置的金屬離子與氧離子之間的相互作用決定了材料的磁學(xué)性質(zhì)。磁晶各向異性是M型六角鐵氧體薄膜的重要特性之一。磁晶各向異性使得磁性材料在不同晶體方向上表現(xiàn)出不同的磁性，對于M型六角鐵氧體薄膜，其磁晶各向異性常數(shù)較大，這使得薄膜在特定方向上的磁化更容易或更難。以BaFe_{12}O_{19}為例，其磁晶各向異性常數(shù)k_1可達3.3\times10^6erg/cm^3，這種高磁晶各向異性使得薄膜在垂直于膜面方向具有較強的磁各向異性，有利于實現(xiàn)垂直磁記錄等應(yīng)用。磁晶各向異性的來源主要與晶體結(jié)構(gòu)中離子的分布和電子云的相互作用有關(guān)。在M型六角鐵氧體中，六面體位置的Fe^{3+}與周圍氧離子形成的特殊化學(xué)鍵，導(dǎo)致在平面內(nèi)Fe^{3+}與3個O^{2-}部分形成共價鍵，使Fe^{3+}獲得角動量，從而產(chǎn)生強各向異性。飽和磁化強度也是M型六角鐵氧體薄膜的關(guān)鍵磁學(xué)參數(shù)。飽和磁化強度是指在足夠強的外磁場作用下，磁性材料的磁化強度達到的最大值。M型六角鐵氧體薄膜的飽和磁化強度與其中所含的磁性離子種類、數(shù)量以及它們之間的相互作用密切相關(guān)。由于其晶體結(jié)構(gòu)中含有較多的Fe^{3+}離子，M型六角鐵氧體薄膜通常具有適當(dāng)?shù)娘柡痛呕瘡姸龋軌驖M足許多實際應(yīng)用的需求。在一些研究中制備的M型鋇鐵氧體薄膜，其飽和磁化強度可達300-400emu/cm^3，這種飽和磁化強度水平使得薄膜在磁記錄、微波器件等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。除了磁晶各向異性和飽和磁化強度外，M型六角鐵氧體薄膜還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度?；瘜W(xué)穩(wěn)定性使其在不同的環(huán)境條件下能夠保持自身的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易受到化學(xué)腐蝕等因素的影響，這對于其在長期使用的電子器件中的應(yīng)用至關(guān)重要。而機械強度則保證了薄膜在制備和器件加工過程中能夠保持完整，不易發(fā)生破裂或損壞，有利于實現(xiàn)薄膜在各種復(fù)雜工藝條件下的應(yīng)用。2.1.2錐形磁結(jié)構(gòu)的形成與特點在M型六角鐵氧體薄膜中，錐形磁結(jié)構(gòu)的形成是一個復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響。從晶體結(jié)構(gòu)和磁相互作用的角度來看，當(dāng)薄膜中存在特定的晶體缺陷、應(yīng)力分布或外部磁場條件時，會導(dǎo)致磁矩的排列發(fā)生變化，從而有可能形成錐形磁結(jié)構(gòu)。在薄膜生長過程中，由于襯底與薄膜之間的晶格失配，會在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力會改變磁晶各向異性的分布，使得磁矩在某些區(qū)域的取向不再沿著簡單的易磁化軸方向，而是呈現(xiàn)出錐形分布。當(dāng)薄膜受到不均勻的拉伸或壓縮應(yīng)變時，磁彈性能的變化會促使磁矩重新排列，為錐形磁結(jié)構(gòu)的形成提供了條件。如果在薄膜制備過程中引入了雜質(zhì)或缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會干擾磁相互作用，導(dǎo)致磁矩的有序性被破壞，進而有可能引發(fā)錐形磁結(jié)構(gòu)的形成。錐形磁結(jié)構(gòu)在M型六角鐵氧體薄膜中具有獨特的磁學(xué)特點。與傳統(tǒng)的均勻磁結(jié)構(gòu)相比，錐形磁結(jié)構(gòu)中的磁矩不再是單一方向排列，而是圍繞著某個軸呈錐形分布。這種磁矩分布方式使得薄膜具有一些特殊的磁學(xué)性質(zhì)。在宏觀磁性方面，錐形磁結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致薄膜的磁化曲線出現(xiàn)特殊的形狀。在低磁場下，由于磁矩的錐形分布，磁化強度的增加較為緩慢；隨著磁場的逐漸增大，磁矩逐漸向磁場方向取向，磁化強度快速增加，但與均勻磁結(jié)構(gòu)相比，其磁化過程更為復(fù)雜。從微觀磁相互作用角度來看，錐形磁結(jié)構(gòu)中的磁矩之間存在著復(fù)雜的交換相互作用和偶極相互作用。由于磁矩的非均勻分布，交換相互作用在不同區(qū)域的強度和方向會有所不同，這進一步影響了磁矩的穩(wěn)定性和動力學(xué)行為。在自旋波傳播方面，錐形磁結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致自旋波的色散關(guān)系發(fā)生變化，使得自旋波的傳播特性與均勻磁結(jié)構(gòu)下有很大差異。自旋波的激發(fā)和傳播對于理解磁性材料的動態(tài)磁性和信息存儲等應(yīng)用具有重要意義，因此錐形磁結(jié)構(gòu)對自旋波的影響也成為研究的熱點之一。在鐵磁共振特性方面，錐形磁結(jié)構(gòu)會顯著改變薄膜的鐵磁共振頻率和線寬。由于磁矩的錐形分布，有效磁場的計算變得更為復(fù)雜，導(dǎo)致鐵磁共振頻率不再僅僅取決于傳統(tǒng)的磁晶各向異性場和外加磁場，還與磁矩的錐角等因素有關(guān)。鐵磁共振線寬也會因為磁矩分布的不均勻性而發(fā)生變化，使得能量的吸收和耗散機制更為復(fù)雜。研究錐形磁結(jié)構(gòu)下的鐵磁共振特性，對于深入理解磁性材料的微觀磁相互作用和開發(fā)新型磁電器件具有重要意義。2.2鐵磁共振原理2.2.1基本原理與方程鐵磁共振是磁性材料中的一種重要的共振現(xiàn)象，它反映了磁性材料中磁矩與外加交變磁場之間的相互作用。從微觀角度來看，磁性材料中的原子具有未成對電子，這些電子的自旋磁矩和軌道磁矩共同構(gòu)成了原子的磁矩。在鐵磁體中，由于交換相互作用，相鄰原子的磁矩傾向于平行排列，形成磁疇。當(dāng)不存在外加磁場時，各個磁疇的磁矩方向隨機分布，宏觀上材料不顯示磁性；而在施加外加磁場后，磁疇磁矩會逐漸轉(zhuǎn)向磁場方向，材料被磁化。當(dāng)鐵磁物質(zhì)受到互相垂直的恒定磁場\vec{H}和高頻磁場\vec{h}作用時，磁化矢量\vec{M}_s的宏觀經(jīng)典運動方程可用朗道-栗弗希茨（Landau-Lifshitz）方程來描述：\frac{d\vec{M}_s}{dt}=-\gamma\vec{M}_s\times\vec{H}_{eff}+\vec{T}_d其中，\gamma為旋磁比，其值與材料的特性相關(guān)，對于自由電子，\gamma=\frac{g\mu_B}{\hbar}，這里g為g因子（對于自由電子，g\approx2），\mu_B為玻爾磁子，\hbar為約化普朗克常數(shù)；\vec{H}_{eff}是作用于鐵磁物質(zhì)的總有效場，它除了高頻磁場外，還可來自五種磁場的貢獻，即\vec{H}_{eff}=\vec{H}+\vec{H}_{ex}+\vec{H}_{k}+\vec{H}_{\sigma}+\vec{H}_yqmumoq，其中\(zhòng)vec{H}為外加穩(wěn)恒磁場，\vec{H}_{ex}為交換場，它起源于相鄰原子磁矩間的量子力學(xué)交換作用，使得磁矩傾向于平行排列；\vec{H}_{k}為磁晶各向異性場，與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，反映了磁性材料在不同晶體方向上磁性的差異；\vec{H}_{\sigma}為應(yīng)力各向異性場，由材料內(nèi)部的應(yīng)力引起；\vec{H}_6eiuega為退磁場，是由于材料的有限尺寸導(dǎo)致的磁矩分布不均勻而產(chǎn)生的等效磁場。\vec{T}_d為阻尼項，它描述了磁化強度在進動過程中的能量損耗機制，常見的阻尼模型有吉爾伯特（Gilbert）阻尼和朗道-栗弗希茨-吉爾伯特（LLG）阻尼等。在吉爾伯特阻尼模型中，\vec{T}_d=-\alpha\frac{\gamma}{M_s}\vec{M}_s\times\frac{d\vec{M}_s}{dt}，其中\(zhòng)alpha為吉爾伯特阻尼系數(shù)，它反映了磁矩進動過程中能量損耗的快慢程度。朗道-栗弗希茨方程描述了磁化強度矢量在有效磁場作用下的運動規(guī)律，它是研究鐵磁共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)。通過對該方程的求解，可以得到磁化強度的動態(tài)變化，進而分析鐵磁共振的特性，如共振頻率、共振線寬等。在實際應(yīng)用中，根據(jù)具體的研究對象和條件，對總有效場中的各項進行合理的簡化和分析，能夠更深入地理解鐵磁共振現(xiàn)象。2.2.2共振條件與影響因素鐵磁共振的共振條件是指在特定的外加磁場和微波頻率下，磁性材料中的磁矩與外加交變磁場發(fā)生強烈相互作用，從而吸收能量達到共振的狀態(tài)。從物理本質(zhì)上講，當(dāng)外加微波磁場的頻率\omega與磁矩在有效磁場作用下的進動頻率相等時，就滿足了共振條件。對于均勻磁化的鐵磁體，不考慮交換場和應(yīng)力各向異性場等復(fù)雜因素，僅考慮外加穩(wěn)恒磁場\vec{H}_0和退磁場\vec{H}_d，假設(shè)樣品為旋轉(zhuǎn)橢球體，其退磁因子在直角坐標(biāo)系三個方向上分別為N_x、N_y、N_z，穩(wěn)恒磁場平行于長軸（設(shè)為z軸方向），則磁矩一致進動的共振頻率可用基特爾（Kittel）公式表示：\omega_0=\gamma\sqrt{[H_0+(N_x-N_z)M_s][H_0+(N_y-N_z)M_s]}其中，H_0是穩(wěn)恒場，M_s為飽和磁化強度。從該公式可以看出，共振頻率\omega_0與外加穩(wěn)恒磁場H_0、退磁因子以及飽和磁化強度M_s密切相關(guān)。當(dāng)外加穩(wěn)恒磁場H_0增加時，共振頻率\omega_0會增大；飽和磁化強度M_s的變化也會對共振頻率產(chǎn)生影響，M_s增大，共振頻率也會相應(yīng)改變，具體變化趨勢取決于退磁因子的相對大小。退磁因子反映了樣品形狀對退磁場的影響，不同形狀的樣品具有不同的退磁因子，從而導(dǎo)致共振頻率的差異。外加磁場是影響鐵磁共振的關(guān)鍵因素之一。隨著外加磁場的變化，鐵磁共振頻率會發(fā)生顯著改變。在實驗中，通過調(diào)節(jié)電磁鐵產(chǎn)生的外加磁場強度，可以觀察到鐵磁共振信號的變化。當(dāng)外加磁場逐漸增大時，磁矩在磁場作用下的進動頻率加快，為了滿足共振條件，微波頻率也需要相應(yīng)提高，否則共振吸收會減弱。在研究某種M型六角鐵氧體薄膜的鐵磁共振特性時，發(fā)現(xiàn)隨著外加磁場從0.1T增加到0.5T，鐵磁共振頻率從5GHz增加到10GHz，這表明外加磁場對鐵磁共振頻率具有直接的調(diào)控作用。微波頻率同樣對鐵磁共振有著重要影響。根據(jù)共振條件，當(dāng)微波頻率與磁矩進動頻率不匹配時，磁矩?zé)o法有效地從微波場中吸收能量，共振吸收較弱；只有當(dāng)微波頻率等于磁矩進動頻率時，才會發(fā)生強烈的共振吸收。在實際應(yīng)用中，常常通過固定微波頻率，改變外加磁場來尋找共振點，或者固定外加磁場，調(diào)節(jié)微波頻率來實現(xiàn)共振。在微波器件的設(shè)計中，需要根據(jù)所需的工作頻率范圍，選擇合適的磁性材料和外加磁場條件，以確保在特定微波頻率下能夠發(fā)生鐵磁共振，實現(xiàn)對微波信號的有效調(diào)控。除了外加磁場和微波頻率外，磁晶各向異性也會對鐵磁共振產(chǎn)生重要影響。磁晶各向異性使得磁性材料在不同晶體方向上的磁性不同，從而影響磁矩的進動和共振特性。對于M型六角鐵氧體薄膜，其具有較高的磁晶各向異性常數(shù)，這會導(dǎo)致共振頻率不僅取決于外加磁場和退磁場，還與磁晶各向異性場有關(guān)。在考慮磁晶各向異性場\vec{H}_k后，共振條件變得更為復(fù)雜，共振頻率的計算公式需要進行修正，以包含磁晶各向異性場的影響。當(dāng)磁晶各向異性場與外加磁場方向不同時，會改變磁矩的有效場，進而影響共振頻率和共振線寬。在某些研究中發(fā)現(xiàn)，通過改變薄膜的晶體取向，即改變磁晶各向異性場與外加磁場的相對方向，可以顯著改變鐵磁共振頻率和線寬，這為調(diào)控鐵磁共振特性提供了一種重要的手段。2.3應(yīng)變與電場對磁性材料的作用機制2.3.1應(yīng)變對磁性能的影響應(yīng)變是指材料在外部力的作用下發(fā)生的形狀或尺寸的改變。當(dāng)M型六角鐵氧體薄膜受到應(yīng)變作用時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變，這種畸變會對磁性能產(chǎn)生多方面的影響，其中最主要的是改變磁晶各向異性和磁疇結(jié)構(gòu)。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，M型六角鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)中，金屬離子占據(jù)著特定的晶格位置，與周圍的氧離子形成特定的化學(xué)鍵。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，這些化學(xué)鍵的長度和鍵角會發(fā)生變化。在拉伸應(yīng)變作用下，某些金屬離子與氧離子之間的距離會增大，鍵角也會改變，這會導(dǎo)致晶體場的變化。由于磁晶各向異性與晶體場密切相關(guān)，晶體場的變化會直接影響磁晶各向異性。磁晶各向異性常數(shù)是描述磁晶各向異性程度的重要參數(shù)，應(yīng)變會導(dǎo)致磁晶各向異性常數(shù)發(fā)生改變。對于M型六角鐵氧體薄膜，當(dāng)受到一定的拉伸應(yīng)變時，磁晶各向異性常數(shù)k_1可能會減小，使得薄膜在不同晶體方向上的磁性差異減小；而在壓縮應(yīng)變下，磁晶各向異性常數(shù)可能會增大，導(dǎo)致薄膜在某些方向上的磁化更容易或更難，具體變化取決于應(yīng)變的方向和大小以及材料的特性。磁疇結(jié)構(gòu)也會受到應(yīng)變的顯著影響。磁疇是磁性材料中磁矩取向一致的區(qū)域，磁疇的大小、形狀和分布對材料的宏觀磁性能有著重要影響。應(yīng)變會改變磁疇的結(jié)構(gòu)和分布。當(dāng)薄膜受到不均勻的應(yīng)變時，內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力梯度，這種應(yīng)力梯度會導(dǎo)致磁彈性能的變化。磁彈性能是由于材料內(nèi)部應(yīng)力與磁矩相互作用產(chǎn)生的能量，它與磁疇結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在應(yīng)力梯度的作用下，磁疇壁的位置和形狀會發(fā)生變化，磁疇的取向也會受到影響。原本取向一致的磁疇可能會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致磁疇的平均取向發(fā)生改變，從而影響薄膜的宏觀磁化強度和磁滯回線形狀。在一些研究中，通過在薄膜中引入可控的應(yīng)變，觀察到磁疇結(jié)構(gòu)從均勻的大磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的多晶磁疇，這種磁疇結(jié)構(gòu)的變化使得薄膜的矯頑力增大，飽和磁化強度減小，這表明應(yīng)變對磁疇結(jié)構(gòu)的調(diào)控可以有效地改變材料的磁性能。應(yīng)變還會對自旋波傳播產(chǎn)生影響。自旋波是磁性材料中磁矩的集體激發(fā)，它在磁性材料的動態(tài)磁性和信息存儲等應(yīng)用中具有重要作用。應(yīng)變引起的晶格畸變會改變磁矩之間的交換相互作用和偶極相互作用，從而影響自旋波的色散關(guān)系和傳播特性。在應(yīng)變作用下，自旋波的傳播速度、頻率和衰減等參數(shù)都會發(fā)生變化。通過理論計算和實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜受到拉伸應(yīng)變時，自旋波的傳播速度會減小，頻率會發(fā)生紅移；而在壓縮應(yīng)變下，自旋波的傳播速度會增大，頻率會發(fā)生藍(lán)移。這種應(yīng)變對自旋波傳播特性的影響為利用自旋波進行信息傳輸和處理提供了新的調(diào)控手段，也進一步說明了應(yīng)變對磁性材料磁性能的重要影響。2.3.2電場對磁性能的影響電場對M型六角鐵氧體薄膜磁性能的影響主要通過磁電耦合效應(yīng)來實現(xiàn)。磁電耦合效應(yīng)是指材料的電極化和磁化強度之間存在相互作用，即電場可以改變材料的磁化狀態(tài)，磁場也可以改變材料的電極化程度。在M型六角鐵氧體薄膜中，當(dāng)施加外加電場時，會引起材料內(nèi)部電荷分布的變化，進而產(chǎn)生電極化。這種電極化會與磁矩發(fā)生相互作用，導(dǎo)致磁矩的取向和分布發(fā)生改變，從而影響磁性能。在多鐵性材料體系中，電場可以通過改變晶體結(jié)構(gòu)中的離子位移，間接影響磁矩的相互作用。當(dāng)施加電場時，某些離子會在電場力的作用下發(fā)生微小的位移，這種位移會改變離子之間的距離和相對位置，從而改變磁相互作用。如果電場導(dǎo)致了晶體結(jié)構(gòu)中磁性離子之間的距離減小，磁交換相互作用可能會增強，進而影響磁矩的取向和穩(wěn)定性。從微觀角度來看，電場對磁各向異性也有著重要影響。磁各向異性是磁性材料在不同方向上磁性差異的體現(xiàn)，電場可以改變磁各向異性的大小和方向。在一些具有磁電耦合特性的M型六角鐵氧體薄膜中，電場可以通過改變磁晶各向異性場和磁彈性能，實現(xiàn)對磁各向異性的調(diào)控。當(dāng)外加電場與薄膜的易磁化軸方向不同時，電場會在薄膜中產(chǎn)生一個等效的磁場，這個等效磁場會與原有的磁晶各向異性場相互作用，從而改變磁各向異性的有效場。通過理論計算和實驗測量發(fā)現(xiàn)，在特定的電場條件下，磁各向異性常數(shù)會發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致薄膜的易磁化方向發(fā)生改變。這種電場對磁各向異性的調(diào)控為實現(xiàn)磁場的電控制提供了可能，在新型磁電器件的設(shè)計中具有重要意義。在實際應(yīng)用中，利用電場對M型六角鐵氧體薄膜磁性能的調(diào)控，可以實現(xiàn)一些新型磁電器件的功能。通過在薄膜上制備電極，施加不同大小和方向的電場，可以實現(xiàn)對鐵磁共振頻率和線寬的精確調(diào)控。在微波器件中，這種電場調(diào)控的鐵磁共振特性可以用于制造可調(diào)諧的微波濾波器、振蕩器等器件，提高微波通信系統(tǒng)的性能。在磁傳感器領(lǐng)域，利用電場對磁性能的影響，可以開發(fā)出高靈敏度、低功耗的磁傳感器，實現(xiàn)對微弱磁場的精確檢測。電場對M型六角鐵氧體薄膜磁性能的影響為磁性材料的應(yīng)用拓展了新的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。三、實驗方法與材料3.1薄膜制備3.1.1制備工藝選擇在制備錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜時，需要綜合考慮多種薄膜制備工藝的特點和適用范圍，以選擇最適合的方法。常見的薄膜制備工藝包括射頻磁控濺射法、脈沖激光沉積法、化學(xué)氣相沉積法等。射頻磁控濺射法是一種較為常用的薄膜制備技術(shù)，它通過在濺射靶材和襯底之間施加射頻電場，使氬氣等濺射氣體電離產(chǎn)生等離子體，等離子體中的離子在電場作用下加速轟擊靶材表面，將靶材原子濺射出來并沉積在襯底上形成薄膜。該方法具有沉積速率較高、可制備大面積薄膜、對靶材適應(yīng)性強等優(yōu)點。在制備M型六角鐵氧體薄膜時，能夠在不同類型的襯底上實現(xiàn)薄膜的生長，且生長過程相對容易控制。射頻磁控濺射法也存在一些局限性，如在濺射過程中可能會引入雜質(zhì)，影響薄膜的純度和性能；對于制備高質(zhì)量的外延薄膜，其晶體取向控制難度較大。脈沖激光沉積法（PLD）是利用高能量的脈沖激光束聚焦在靶材表面，使靶材瞬間蒸發(fā)和電離，形成等離子體羽輝，等離子體中的粒子在襯底表面沉積并反應(yīng)生成薄膜。這種方法具有能夠精確控制薄膜的化學(xué)計量比、可以在較低溫度下生長薄膜、適合制備復(fù)雜化合物薄膜等優(yōu)點。由于激光能量高度集中，能夠使靶材原子或分子以較高的能量到達襯底，有利于薄膜的外延生長，制備出高質(zhì)量的晶體薄膜。PLD也有其不足之處，如設(shè)備成本較高、沉積速率相對較低、薄膜生長面積有限等，這些因素在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）是通過氣態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在襯底上形成薄膜。該方法可以精確控制薄膜的成分和結(jié)構(gòu)，能夠在復(fù)雜形狀的襯底上均勻沉積薄膜，且生長過程易于實現(xiàn)自動化。在制備M型六角鐵氧體薄膜時，可以通過調(diào)整反應(yīng)氣體的種類、流量和沉積溫度等參數(shù)，實現(xiàn)對薄膜晶體結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能的有效調(diào)控。CVD的工藝過程相對復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，否則容易導(dǎo)致薄膜質(zhì)量不穩(wěn)定；反應(yīng)過程中可能會產(chǎn)生一些副產(chǎn)物，需要進行妥善處理，以避免對薄膜性能產(chǎn)生不利影響。綜合考慮本研究對薄膜質(zhì)量、晶體結(jié)構(gòu)控制以及實驗條件等多方面的要求，選擇脈沖激光沉積法來制備錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜。雖然其設(shè)備成本較高且沉積速率較低，但能夠精確控制薄膜的化學(xué)計量比和晶體結(jié)構(gòu)，這對于研究應(yīng)變和電場對鐵磁共振的影響至關(guān)重要。通過精確控制薄膜的生長過程，可以在薄膜中引入特定的晶體缺陷和應(yīng)力分布，從而有利于形成錐形磁結(jié)構(gòu)，并確保薄膜具有良好的一致性和重復(fù)性，為后續(xù)的實驗研究提供可靠的樣品基礎(chǔ)。3.1.2制備過程與參數(shù)控制采用脈沖激光沉積法制備錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜，其制備過程涉及多個關(guān)鍵步驟和參數(shù)控制。首先是靶材的制備。選用純度較高的BaCO_3、Fe_2O_3等原料，按照BaFe_{12}O_{19}的化學(xué)計量比進行精確稱量。將稱量好的原料放入高能球磨機中，加入適量的無水乙醇作為研磨介質(zhì)，在一定的球磨時間和轉(zhuǎn)速下進行充分混合和研磨，使原料顆粒細(xì)化并均勻混合。將研磨后的粉末在高溫爐中進行預(yù)燒，預(yù)燒溫度通?？刂圃?100-1200℃，預(yù)燒時間為10-15小時，以去除原料中的雜質(zhì)和揮發(fā)性物質(zhì)，并促進原料之間的初步反應(yīng)。預(yù)燒后的粉末再次進行研磨，然后采用等靜壓成型的方法，將粉末壓制成所需形狀的靶材胚體，壓制壓力一般在200-300MPa。將靶材胚體放入高溫?zé)Y(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1100-1250℃，燒結(jié)時間為9-15小時，使靶材具有良好的致密度和結(jié)晶性能。在薄膜沉積階段，將制備好的M型六角鐵氧體靶材和經(jīng)過嚴(yán)格清洗和預(yù)處理的襯底放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的真空腔室中。襯底的選擇對于薄膜的生長和性能有著重要影響，本研究選用晶格常數(shù)與M型六角鐵氧體匹配度較高的MgO單晶襯底，以利于薄膜的外延生長和應(yīng)變的引入。在沉積前，對真空腔室進行抽真空處理，使腔室內(nèi)的真空度達到10^{-5}-10^{-6}Pa級別，以減少雜質(zhì)氣體對薄膜生長的影響。沉積過程中，利用高能量的脈沖激光束聚焦在靶材表面。激光能量設(shè)定為250-320mJ，激光頻率為5-10Hz，這些參數(shù)的選擇是為了在保證靶材有效濺射的同時，避免對薄膜生長造成過度的熱沖擊。靶材與襯底之間的距離控制在30-36mm，以確保濺射出來的粒子能夠均勻地沉積在襯底表面。在沉積過程中，通入適量的氧氣作為反應(yīng)氣體，氧壓維持在10-20Pa，以保證薄膜的化學(xué)計量比和晶體結(jié)構(gòu)的完整性。襯底溫度保持在650-720℃，該溫度范圍有利于原子在襯底表面的遷移和結(jié)晶，促進薄膜的高質(zhì)量生長。沉積時間一般為20-30分鐘，以控制薄膜的厚度在合適的范圍內(nèi)。在沉積過程中，靶材與襯底逆向轉(zhuǎn)動，以提高薄膜的均勻性。沉積完成后，對薄膜進行原位退火處理。原位退火溫度為500-650℃，退火時間為1-2小時，以消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力，改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。之后進行二次退火，二次退火溫度為850-1150℃，退火時間為1-2小時，進一步促進薄膜晶體結(jié)構(gòu)的完善和錐形磁結(jié)構(gòu)的形成。通過對制備過程中各個環(huán)節(jié)和參數(shù)的精確控制，成功制備出具有高質(zhì)量和特定錐形磁結(jié)構(gòu)的M型六角鐵氧體薄膜，為后續(xù)研究應(yīng)變和電場對鐵磁共振的調(diào)控提供了可靠的實驗樣品。3.2實驗表征技術(shù)3.2.1結(jié)構(gòu)表征在對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜進行研究時，精確的結(jié)構(gòu)表征是深入理解其物理性質(zhì)和性能的基礎(chǔ)。本研究采用多種先進的表征技術(shù)，對薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌進行全面分析。X射線衍射（XRD）是研究薄膜晶體結(jié)構(gòu)的重要手段之一。利用XRD技術(shù)，可以獲取薄膜的晶體結(jié)構(gòu)信息，包括晶格常數(shù)、晶體取向、晶相組成等。將制備好的薄膜樣品放置在XRD儀器的樣品臺上，采用CuKα輻射源，其波長為0.15406nm。在掃描過程中，X射線以一定的角度照射到薄膜樣品上，樣品中的原子會對X射線產(chǎn)生散射作用。當(dāng)散射波滿足布拉格定律2d\sin\theta=n\lambda（其中d為晶面間距，\theta為衍射角，n為衍射級數(shù)，\lambda為X射線波長）時，會產(chǎn)生衍射峰。通過測量衍射峰的位置和強度，可以確定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和晶相組成。在對M型六角鐵氧體薄膜進行XRD測試時，若在特定的衍射角位置出現(xiàn)尖銳且強度較高的衍射峰，與標(biāo)準(zhǔn)的M型六角鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)的衍射峰位置相匹配，則表明薄膜具有良好的結(jié)晶性，且為M型六角鐵氧體晶相。通過對衍射峰的精修分析，還可以精確測定薄膜的晶格常數(shù)，了解晶格結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，為研究應(yīng)變對薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。掃描電子顯微鏡（SEM）用于觀察薄膜的微觀形貌，包括薄膜的表面形貌、晶粒尺寸和分布等。在進行SEM測試前，對薄膜樣品進行必要的預(yù)處理，確保樣品表面清潔、平整，以獲得清晰的圖像。將樣品固定在SEM的樣品臺上，通過電子槍發(fā)射高能電子束，電子束與樣品表面相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號。二次電子對樣品表面的形貌非常敏感，通過收集二次電子信號，可以得到薄膜表面的微觀形貌圖像。從SEM圖像中，可以直觀地觀察到薄膜的表面是否均勻，晶粒的大小和形狀是否一致。在高質(zhì)量的M型六角鐵氧體薄膜中，SEM圖像可能顯示出晶粒尺寸分布均勻，晶粒之間的邊界清晰，沒有明顯的孔洞和缺陷。通過圖像處理軟件對SEM圖像進行分析，還可以統(tǒng)計晶粒的平均尺寸和尺寸分布范圍，為評估薄膜的質(zhì)量和性能提供依據(jù)。除了XRD和SEM外，還可以結(jié)合其他表征技術(shù)，如透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等，對薄膜的結(jié)構(gòu)進行更深入的研究。TEM可以提供薄膜的原子尺度結(jié)構(gòu)信息，如晶體缺陷、位錯等；AFM則能夠精確測量薄膜的表面粗糙度和三維形貌，為研究薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)提供補充數(shù)據(jù)。通過綜合運用多種表征技術(shù)，可以全面、準(zhǔn)確地了解錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌，為后續(xù)的磁性能研究和應(yīng)用開發(fā)提供堅實的基礎(chǔ)。3.2.2磁性能測試磁性能是M型六角鐵氧體薄膜的關(guān)鍵性能指標(biāo)，對于其在各種磁電器件中的應(yīng)用起著決定性作用。本研究利用多種先進的測試設(shè)備，對薄膜的磁性能和鐵磁共振特性進行精確測量。振動樣品磁強計（VSM）是測量薄膜磁性能的常用設(shè)備之一，它能夠測量薄膜的磁化強度隨外加磁場的變化關(guān)系，從而得到磁滯回線、飽和磁化強度、矯頑力等重要磁學(xué)參數(shù)。在使用VSM進行測試時，將制備好的薄膜樣品固定在振動樣品架上，確保樣品處于均勻的外加磁場中。通過改變外加磁場的大小和方向，利用VSM的檢測系統(tǒng)測量樣品的磁化強度變化。當(dāng)外加磁場逐漸增大時，薄膜中的磁矩逐漸取向一致，磁化強度隨之增加，直至達到飽和磁化強度。當(dāng)外加磁場減小并反向時，磁化強度并不會沿原路返回，而是形成磁滯回線。從磁滯回線中，可以直接讀取飽和磁化強度M_s、剩磁M_r和矯頑力H_c等參數(shù)。在對M型六角鐵氧體薄膜進行VSM測試時，若測得飽和磁化強度較高，說明薄膜中磁性離子的磁矩排列較為有序，有利于在磁存儲等領(lǐng)域的應(yīng)用；而矯頑力的大小則反映了薄膜抵抗磁狀態(tài)變化的能力，對于永磁體應(yīng)用具有重要意義。鐵磁共振測試系統(tǒng)用于測量薄膜的鐵磁共振特性，包括鐵磁共振頻率、線寬等參數(shù)。該測試系統(tǒng)通常由微波源、諧振腔、磁場發(fā)生裝置和檢測系統(tǒng)等部分組成。在測試過程中，將薄膜樣品放置在諧振腔內(nèi)，通過微波源產(chǎn)生特定頻率的微波信號，同時利用磁場發(fā)生裝置施加可變的外加磁場。當(dāng)外加磁場和微波頻率滿足鐵磁共振條件時，薄膜中的磁矩與微波場發(fā)生共振，吸收微波能量，導(dǎo)致諧振腔的微波傳輸特性發(fā)生變化。通過檢測系統(tǒng)測量諧振腔的微波傳輸信號變化，即可確定鐵磁共振頻率和線寬。在測量鐵磁共振頻率時，固定微波頻率，逐漸改變外加磁場，當(dāng)檢測到微波傳輸信號出現(xiàn)明顯的吸收峰時，此時對應(yīng)的外加磁場和微波頻率滿足鐵磁共振條件，該微波頻率即為鐵磁共振頻率。鐵磁共振線寬則反映了共振吸收的寬度，與磁矩的弛豫過程和能量損耗有關(guān)。通過精確測量鐵磁共振頻率和線寬，可以深入了解薄膜的磁各向異性、磁導(dǎo)率等磁學(xué)性質(zhì)，為研究應(yīng)變和電場對鐵磁共振的調(diào)控提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為了研究應(yīng)變和電場對薄膜磁性能和鐵磁共振特性的影響，在進行磁性能測試時，還需要對樣品施加不同的應(yīng)變和電場條件。通過在薄膜制備過程中選擇不同的襯底材料或采用特殊的制備工藝，引入可控的應(yīng)變。在測試過程中，利用特殊設(shè)計的樣品夾具，對薄膜施加不同大小的拉伸或壓縮應(yīng)變，同時使用VSM和鐵磁共振測試系統(tǒng)測量磁性能和鐵磁共振特性的變化。在電場調(diào)控方面，通過在薄膜上制備電極，施加不同大小和方向的電場，研究電場對磁性能和鐵磁共振特性的影響。通過系統(tǒng)地改變應(yīng)變和電場條件，測量相應(yīng)的磁性能和鐵磁共振特性，可以深入揭示應(yīng)變和電場對M型六角鐵氧體薄膜磁性能的調(diào)控機制，為開發(fā)高性能的磁電器件提供理論支持。3.3應(yīng)變與電場施加裝置3.3.1應(yīng)變施加方法與裝置設(shè)計為了研究應(yīng)變對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的影響，需要設(shè)計并構(gòu)建有效的應(yīng)變施加裝置。常見的應(yīng)變施加方法主要包括襯底彎曲法和利用熱膨脹差異法。襯底彎曲法是一種較為直接的施加應(yīng)變的方式。通過對襯底進行機械彎曲，使生長在其上的薄膜受到拉伸或壓縮應(yīng)變。在設(shè)計基于襯底彎曲法的應(yīng)變施加裝置時，采用一種可調(diào)節(jié)的機械夾具結(jié)構(gòu)。該夾具由兩個剛性金屬板和若干個調(diào)節(jié)螺栓組成。將生長有M型六角鐵氧體薄膜的襯底放置在兩個金屬板之間，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，可以精確控制兩個金屬板之間的相對位置，從而實現(xiàn)對襯底的彎曲程度的精確調(diào)節(jié)。為了確保襯底在彎曲過程中受力均勻，在金屬板與襯底接觸的表面，粘貼一層柔軟的橡膠墊，以緩沖應(yīng)力集中。在實驗過程中，通過改變調(diào)節(jié)螺栓的旋轉(zhuǎn)角度，施加不同大小的彎曲應(yīng)變，利用高精度的應(yīng)變片測量襯底表面的應(yīng)變大小，從而實現(xiàn)對薄膜所受應(yīng)變的精確控制和測量。這種方法的優(yōu)點是應(yīng)變施加較為直觀，且可以連續(xù)調(diào)節(jié)應(yīng)變的大小和方向，缺點是可能會在襯底和薄膜中引入額外的應(yīng)力不均勻性。利用熱膨脹差異法施加應(yīng)變是基于不同材料具有不同的熱膨脹系數(shù)這一特性。在薄膜制備過程中，選擇熱膨脹系數(shù)與M型六角鐵氧體薄膜差異較大的襯底材料。在薄膜生長完成后，通過對樣品進行加熱或冷卻，由于襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)不同，會在薄膜中產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致薄膜發(fā)生應(yīng)變。在實際裝置設(shè)計中，采用一個高精度的加熱爐和冷卻系統(tǒng)。將生長有薄膜的襯底放置在加熱爐內(nèi)，通過控制加熱爐的升溫速率和降溫速率，精確控制溫度變化過程。利用紅外測溫儀實時監(jiān)測樣品的溫度，結(jié)合襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)，通過公式計算出薄膜所受的應(yīng)變大小。例如，選擇熱膨脹系數(shù)較大的Si襯底與M型六角鐵氧體薄膜，當(dāng)溫度升高時，Si襯底的膨脹程度大于薄膜，薄膜受到拉伸應(yīng)變；當(dāng)溫度降低時，薄膜受到壓縮應(yīng)變。這種方法的優(yōu)點是可以在薄膜生長后進行應(yīng)變施加，且應(yīng)變分布相對均勻，缺點是需要精確控制溫度變化，且應(yīng)變大小與溫度變化的關(guān)系較為復(fù)雜，需要通過精確的計算和實驗校準(zhǔn)來確定。3.3.2電場施加方法與電極制備為了實現(xiàn)對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的電場調(diào)控，需要構(gòu)建有效的電場施加體系，并制備合適的電極。采用三明治結(jié)構(gòu)來施加電場是一種常用的方法。在這種結(jié)構(gòu)中，將M型六角鐵氧體薄膜夾在兩個電極之間，通過在兩個電極上施加電壓，在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生電場。在制備電極時，選用具有良好導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性的金屬材料，如金（Au）或鉑（Pt）。利用電子束蒸發(fā)或磁控濺射等薄膜沉積技術(shù)，在M型六角鐵氧體薄膜的上下表面分別沉積一層厚度約為50-100nm的金屬電極。為了確保電極與薄膜之間具有良好的歐姆接觸，在沉積電極之前，對薄膜表面進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，如采用等離子體清洗技術(shù)去除表面的雜質(zhì)和氧化物，提高表面的清潔度和活性。通過光刻技術(shù)對沉積后的金屬薄膜進行圖形化處理，制作出所需的電極形狀和尺寸，以滿足不同實驗需求。光刻過程中，首先在金屬薄膜表面旋涂一層光刻膠，然后通過掩模版曝光、顯影等步驟，將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，最后利用刻蝕技術(shù)去除未被光刻膠保護的金屬部分，形成精確的電極圖案。在制備過程中，嚴(yán)格控制光刻和刻蝕的工藝參數(shù)，確保電極圖案的精度和質(zhì)量，避免對薄膜的性能產(chǎn)生不利影響。除了三明治結(jié)構(gòu)外，還可以利用場效應(yīng)晶體管（FET）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對薄膜的電場調(diào)控。在這種結(jié)構(gòu)中，將M型六角鐵氧體薄膜作為溝道材料，在薄膜兩側(cè)制備源極和漏極電極，在薄膜表面制備柵極電極。通過在柵極和源極之間施加電壓，改變柵極下方薄膜中的載流子濃度和分布，從而產(chǎn)生電場對薄膜的磁性能進行調(diào)控。在制備FET結(jié)構(gòu)的電極時，同樣采用電子束蒸發(fā)、磁控濺射和光刻等技術(shù)，精確控制電極的位置、尺寸和形狀。在源極和漏極電極的制備過程中，需要優(yōu)化電極與薄膜之間的接觸電阻，以提高器件的電學(xué)性能；在柵極電極的制備過程中，需要選擇合適的柵極絕緣層材料，如二氧化硅（SiO?）或氮化硅（Si?N?）等，確保柵極電場能夠有效地作用于薄膜。通過合理設(shè)計和制備電極，成功構(gòu)建電場施加體系，為研究電場對M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的調(diào)控提供了必要的實驗條件。四、應(yīng)變對鐵磁共振的調(diào)控4.1應(yīng)變引入與調(diào)控4.1.1不同應(yīng)變引入方式的效果對比在研究應(yīng)變對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的影響時，不同的應(yīng)變引入方式會對薄膜產(chǎn)生不同的效果。常見的應(yīng)變引入方式主要包括襯底彎曲法和利用熱膨脹差異法。襯底彎曲法通過對襯底進行機械彎曲，使生長在其上的薄膜受到拉伸或壓縮應(yīng)變。這種方法的優(yōu)點在于應(yīng)變施加較為直觀，能夠較為方便地調(diào)節(jié)應(yīng)變的大小和方向。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，可以精確控制兩個金屬板之間的相對位置，從而實現(xiàn)對襯底彎曲程度的精確調(diào)節(jié)，進而改變薄膜所受的應(yīng)變大小。其缺點也較為明顯，在襯底彎曲過程中，由于襯底與薄膜的結(jié)合方式以及機械力的分布不均勻性，可能會在襯底和薄膜中引入額外的應(yīng)力集中區(qū)域。這些應(yīng)力集中區(qū)域會導(dǎo)致薄膜內(nèi)部的應(yīng)變分布不均勻，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在某些情況下，應(yīng)力集中還可能導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)微裂紋或脫層等缺陷，從而影響薄膜的磁性能和鐵磁共振特性。利用熱膨脹差異法施加應(yīng)變是基于不同材料具有不同的熱膨脹系數(shù)這一特性。在薄膜生長完成后，通過對樣品進行加熱或冷卻，由于襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)不同，會在薄膜中產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致薄膜發(fā)生應(yīng)變。這種方法的優(yōu)勢在于可以在薄膜生長后進行應(yīng)變施加，且應(yīng)變分布相對均勻。由于熱膨脹是材料整體的特性，在溫度均勻變化的情況下，薄膜內(nèi)部的應(yīng)變分布相對較為一致。通過精確控制溫度變化，可以較為準(zhǔn)確地控制應(yīng)變的大小。利用熱膨脹差異法也存在一些局限性，需要精確控制溫度變化，且應(yīng)變大小與溫度變化的關(guān)系較為復(fù)雜。不同材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化并非完全線性，因此需要通過精確的計算和實驗校準(zhǔn)來確定應(yīng)變與溫度之間的關(guān)系。溫度變化過程中，樣品可能會受到熱沖擊，對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生潛在影響。對比兩種應(yīng)變引入方式，在應(yīng)變大小的控制精度方面，襯底彎曲法通過精確的機械調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)對小范圍應(yīng)變的精細(xì)控制；而熱膨脹差異法雖然可以通過精確控制溫度來控制應(yīng)變，但由于熱膨脹系數(shù)的不確定性和溫度控制的誤差，其應(yīng)變控制精度相對較低。在應(yīng)變均勻性方面，熱膨脹差異法具有明顯優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)相對均勻的應(yīng)變分布；而襯底彎曲法容易出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致應(yīng)變不均勻。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的實驗需求和薄膜特性，選擇合適的應(yīng)變引入方式。若需要研究應(yīng)變大小對鐵磁共振的精確影響，且對薄膜的完整性要求較高，襯底彎曲法可能更為合適；若更關(guān)注應(yīng)變均勻性對鐵磁共振的影響，且能夠精確控制溫度，熱膨脹差異法可能是更好的選擇。4.1.2應(yīng)變大小的精確控制與測量精確控制和測量薄膜所受的應(yīng)變大小是研究應(yīng)變對鐵磁共振調(diào)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和研究結(jié)果的可靠性。在應(yīng)變控制方面，對于襯底彎曲法，采用一種可調(diào)節(jié)的機械夾具結(jié)構(gòu)。該夾具由兩個剛性金屬板和若干個調(diào)節(jié)螺栓組成。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，可以精確控制兩個金屬板之間的相對位置，從而實現(xiàn)對襯底彎曲程度的精確調(diào)節(jié)。為了確保調(diào)節(jié)的精度，使用高精度的千分尺來測量調(diào)節(jié)螺栓的旋轉(zhuǎn)角度，通過預(yù)先校準(zhǔn)的角度與應(yīng)變大小的關(guān)系曲線，實現(xiàn)對應(yīng)變大小的精確控制。在實驗前，對不同的調(diào)節(jié)螺栓旋轉(zhuǎn)角度進行標(biāo)定，測量相應(yīng)的襯底應(yīng)變大小，建立精確的映射關(guān)系。在實際操作中，根據(jù)所需的應(yīng)變大小，通過查詢映射關(guān)系，精確調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺栓的旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變的精確控制。對于利用熱膨脹差異法施加應(yīng)變，通過精確控制溫度變化來實現(xiàn)應(yīng)變控制。采用一個高精度的加熱爐和冷卻系統(tǒng)，能夠以極小的溫度波動進行升溫或降溫。利用紅外測溫儀實時監(jiān)測樣品的溫度，其測量精度可達到±0.1℃。結(jié)合襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)，通過公式計算出薄膜所受的應(yīng)變大小。假設(shè)襯底和薄膜在溫度變化過程中均滿足線性熱膨脹關(guān)系，根據(jù)熱膨脹系數(shù)的定義，薄膜所受的應(yīng)變\epsilon可以表示為\epsilon=(\alpha_{sub}-\alpha_{film})\DeltaT，其中\(zhòng)alpha_{sub}和\alpha_{film}分別為襯底和薄膜的熱膨脹系數(shù)，\DeltaT為溫度變化量。在實驗過程中，根據(jù)所需的應(yīng)變大小，通過公式計算出對應(yīng)的溫度變化量，然后利用加熱爐和冷卻系統(tǒng)精確控制溫度變化，實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變的精確控制。在應(yīng)變測量方面，采用多種方法相結(jié)合，以確保測量的準(zhǔn)確性。利用高精度的應(yīng)變片粘貼在襯底表面，直接測量襯底的應(yīng)變大小。應(yīng)變片的測量精度可達到微應(yīng)變級別，能夠準(zhǔn)確反映襯底在應(yīng)變作用下的形變。通過測量襯底的應(yīng)變，間接得到薄膜所受的應(yīng)變。由于薄膜與襯底緊密結(jié)合，在不考慮界面滑移的情況下，薄膜所受的應(yīng)變與襯底表面的應(yīng)變基本相同。采用高分辨率X射線衍射（XRD）技術(shù)對薄膜的晶格參數(shù)進行測量。根據(jù)XRD衍射峰的位置變化，可以計算出薄膜晶格在不同方向上的應(yīng)變。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，晶格間距會發(fā)生改變，導(dǎo)致XRD衍射峰的位置發(fā)生偏移。通過精確測量衍射峰的偏移量，利用布拉格定律和晶格參數(shù)與應(yīng)變的關(guān)系公式，可以計算出薄膜的晶格應(yīng)變。結(jié)合電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)，對薄膜的晶體取向和應(yīng)變分布進行微觀分析。EBSD能夠提供薄膜微觀區(qū)域的晶體學(xué)信息，包括晶體取向、晶界分布等。通過對不同晶體取向區(qū)域的應(yīng)變分析，可以了解薄膜內(nèi)部應(yīng)變的微觀分布情況，進一步驗證應(yīng)變片和XRD測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過綜合運用多種應(yīng)變控制和測量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜所受應(yīng)變大小的精確控制和測量，為深入研究應(yīng)變對鐵磁共振的調(diào)控提供可靠的數(shù)據(jù)支持。4.2應(yīng)變對鐵磁共振特性的影響4.2.1共振頻率的變化應(yīng)變對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振共振頻率的影響是一個復(fù)雜的物理過程，涉及到薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、磁晶各向異性以及磁彈性能等多個因素的相互作用。從理論角度來看，當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變，這會導(dǎo)致磁晶各向異性場的變化。磁晶各向異性場是影響鐵磁共振共振頻率的重要因素之一。對于M型六角鐵氧體薄膜，其磁晶各向異性主要源于晶體結(jié)構(gòu)中離子的分布和電子云的相互作用。在應(yīng)變作用下，晶體結(jié)構(gòu)中的離子間距和鍵角發(fā)生改變，使得電子云的分布也相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致磁晶各向異性常數(shù)發(fā)生改變。根據(jù)鐵磁共振的基本理論，共振頻率與磁晶各向異性場密切相關(guān)，磁晶各向異性場的變化必然會引起共振頻率的漂移。當(dāng)薄膜受到拉伸應(yīng)變時，磁晶各向異性常數(shù)可能會減小，使得磁晶各向異性場減弱，從而導(dǎo)致共振頻率降低；反之，在壓縮應(yīng)變下，磁晶各向異性常數(shù)可能增大，磁晶各向異性場增強，共振頻率升高。磁彈性能也是應(yīng)變影響共振頻率的關(guān)鍵因素。磁彈性能是由于材料內(nèi)部應(yīng)力與磁矩相互作用產(chǎn)生的能量。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力與磁矩之間的相互作用會改變磁矩的取向和分布，進而影響磁彈性能。在應(yīng)變作用下，磁彈性能的變化會導(dǎo)致有效磁場的改變，從而影響鐵磁共振的共振頻率。當(dāng)薄膜受到均勻的拉伸應(yīng)變時，磁彈性能會使磁矩的取向發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致有效磁場減小，共振頻率降低；而在壓縮應(yīng)變下，磁彈性能可能會使有效磁場增大，共振頻率升高。這種磁彈性能與共振頻率之間的關(guān)系可以通過理論計算進行定量分析，根據(jù)磁彈性能的表達式和鐵磁共振的共振條件，可以建立起應(yīng)變與共振頻率之間的數(shù)學(xué)模型。為了驗證應(yīng)變與共振頻率之間的關(guān)系，進行了相關(guān)的實驗研究。通過在不同襯底上生長M型六角鐵氧體薄膜，利用襯底與薄膜之間的晶格失配引入不同程度的應(yīng)變。采用高分辨率X射線衍射（XRD）技術(shù)精確測量薄膜的應(yīng)變大小，利用鐵磁共振測試系統(tǒng)測量不同應(yīng)變條件下薄膜的鐵磁共振共振頻率。實驗結(jié)果表明，隨著應(yīng)變的增加，共振頻率呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。在拉伸應(yīng)變條件下，共振頻率逐漸降低，且共振頻率的變化量與應(yīng)變大小呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系；在壓縮應(yīng)變條件下，共振頻率逐漸升高，同樣與應(yīng)變大小存在一定的線性關(guān)系。將實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，進一步驗證了理論模型的正確性。通過實驗與理論相結(jié)合的方法，深入揭示了應(yīng)變導(dǎo)致共振頻率漂移的原因，為調(diào)控M型六角鐵氧體薄膜的鐵磁共振共振頻率提供了理論依據(jù)和實驗支持。4.2.2線寬的改變應(yīng)變對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振線寬的影響是一個涉及微觀磁結(jié)構(gòu)和能量損耗機制的復(fù)雜過程，與磁疇結(jié)構(gòu)、磁晶各向異性以及自旋波散射等因素密切相關(guān)。磁疇結(jié)構(gòu)在應(yīng)變影響鐵磁共振線寬的過程中起著重要作用。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，內(nèi)部應(yīng)力分布的改變會導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)的變化。在均勻應(yīng)變作用下，磁疇壁的位置和形狀可能會發(fā)生改變，磁疇的大小和取向也會受到影響。當(dāng)薄膜受到拉伸應(yīng)變時，磁疇壁可能會發(fā)生移動和彎曲，導(dǎo)致磁疇的平均尺寸減小，疇壁數(shù)量增加。這種磁疇結(jié)構(gòu)的變化會影響鐵磁共振過程中的能量損耗機制。由于磁疇壁是磁矩方向發(fā)生急劇變化的區(qū)域，存在著較高的能量密度，更多的磁疇壁意味著更多的能量損耗途徑。在鐵磁共振過程中，磁矩的進動會與磁疇壁發(fā)生相互作用，磁疇壁的運動和變形會消耗能量，從而導(dǎo)致鐵磁共振線寬增加。疇壁數(shù)量的增加也會使得自旋波在傳播過程中更容易受到散射，進一步增加了能量損耗，加寬了鐵磁共振線寬。磁晶各向異性的變化也是應(yīng)變影響鐵磁共振線寬的重要因素。應(yīng)變會導(dǎo)致薄膜的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，進而改變磁晶各向異性。當(dāng)磁晶各向異性發(fā)生變化時，磁矩的取向和穩(wěn)定性也會受到影響。在應(yīng)變作用下，磁晶各向異性的改變會導(dǎo)致磁矩在進動過程中的能量狀態(tài)發(fā)生變化。如果磁晶各向異性減小，磁矩的取向更容易受到外界干擾，在鐵磁共振過程中，磁矩的進動會更加不穩(wěn)定，導(dǎo)致能量損耗增加，鐵磁共振線寬增大；反之，磁晶各向異性增大時，磁矩的取向相對更加穩(wěn)定，能量損耗可能會減小，鐵磁共振線寬變窄。這種磁晶各向異性與鐵磁共振線寬之間的關(guān)系在實驗中得到了驗證，通過改變應(yīng)變大小，測量磁晶各向異性和鐵磁共振線寬的變化，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著明顯的關(guān)聯(lián)。自旋波散射在應(yīng)變對鐵磁共振線寬的影響中也扮演著關(guān)鍵角色。應(yīng)變會改變薄膜的晶格結(jié)構(gòu)和磁相互作用，從而影響自旋波的傳播特性。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，晶格畸變會導(dǎo)致自旋波的色散關(guān)系發(fā)生變化，自旋波在傳播過程中會受到更多的散射。這種散射會使自旋波的能量逐漸耗散，導(dǎo)致鐵磁共振線寬增加。在拉伸應(yīng)變下，晶格的伸長會改變磁矩之間的交換相互作用和偶極相互作用，使得自旋波的傳播速度和頻率發(fā)生變化，同時增加了自旋波與晶格缺陷、雜質(zhì)等的散射幾率。這些散射過程會消耗自旋波的能量，使得鐵磁共振過程中的能量損耗增加，進而導(dǎo)致鐵磁共振線寬增大。通過理論計算和實驗測量，深入研究了應(yīng)變作用下自旋波散射與鐵磁共振線寬之間的定量關(guān)系，為理解應(yīng)變對鐵磁共振線寬的影響機制提供了重要依據(jù)。4.3應(yīng)變調(diào)控的理論模型與模擬4.3.1建立理論模型基于磁彈性理論和鐵磁共振原理，構(gòu)建描述應(yīng)變調(diào)控鐵磁共振的理論模型，對于深入理解應(yīng)變對M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振特性的影響機制至關(guān)重要。從磁彈性理論出發(fā)，考慮到M型六角鐵氧體薄膜在應(yīng)變作用下晶格結(jié)構(gòu)的畸變，引入磁彈性能來描述應(yīng)變與磁性能之間的耦合關(guān)系。當(dāng)薄膜受到應(yīng)變時，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力與磁矩之間的相互作用會導(dǎo)致磁彈性能的變化。假設(shè)薄膜在x、y、z方向上的應(yīng)變分別為\epsilon_{xx}、\epsilon_{yy}、\epsilon_{zz}，根據(jù)磁彈性能的表達式，磁彈性能E_{\sigma}可以表示為：E_{\sigma}=-\frac{3}{2}\lambda_{100}(\sigma_{xx}\epsilon_{xx}+\sigma_{yy}\epsilon_{yy}+\sigma_{zz}\epsilon_{zz})-\frac{3}{2}\lambda_{111}(\sigma_{xy}\epsilon_{xy}+\sigma_{yz}\epsilon_{yz}+\sigma_{zx}\epsilon_{zx})其中，\lambda_{100}和\lambda_{111}分別為磁致伸縮系數(shù)，\sigma_{ij}為應(yīng)力張量分量。該公式描述了應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性耦合關(guān)系，體現(xiàn)了應(yīng)變通過改變磁彈性能對磁性產(chǎn)生影響的機制。將磁彈性能納入鐵磁共振的有效場中，對鐵磁共振的基本方程進行修正。根據(jù)鐵磁共振的朗道-栗弗希茨方程\frac{d\vec{M}_s}{dt}=-\gamma\vec{M}_s\times\vec{H}_{eff}+\vec{T}_d，其中\(zhòng)vec{H}_{eff}為有效場，在考慮應(yīng)變影響后，有效場\vec{H}_{eff}應(yīng)包括外加磁場\vec{H}、磁晶各向異性場\vec{H}_{k}、交換場\vec{H}_{ex}、退磁場\vec{H}_yume6sm以及由應(yīng)變引起的磁彈性能等效場\vec{H}_{\sigma}，即\vec{H}_{eff}=\vec{H}+\vec{H}_{k}+\vec{H}_{ex}+\vec{H}_oc66o6o+\vec{H}_{\sigma}。通過對修正后的朗道-栗弗希茨方程進行求解，可以得到考慮應(yīng)變影響后的鐵磁共振頻率和線寬等特性。在求解過程中，需要考慮磁矩的進動、能量損耗以及各磁場分量之間的相互作用，通過數(shù)值計算方法，如有限差分法、有限元法等，對復(fù)雜的非線性方程進行迭代求解，得到鐵磁共振特性隨應(yīng)變的變化規(guī)律?？紤]到錐形磁結(jié)構(gòu)的特點，對理論模型進行進一步的完善。在錐形磁結(jié)構(gòu)中，磁矩不再是單一方向排列，而是圍繞著某個軸呈錐形分布，這使得有效磁場的計算更為復(fù)雜。引入磁矩的錐角\theta和方位角\varphi來描述磁矩的取向，將磁彈性能和其他磁場分量在錐形坐標(biāo)系下進行分解，得到更為準(zhǔn)確的有效場表達式。通過對磁矩在錐形坐標(biāo)系下的運動方程進行分析，考慮到磁矩之間的交換相互作用和偶極相互作用在錐形結(jié)構(gòu)中的變化，建立起適用于錐形磁結(jié)構(gòu)的鐵磁共振理論模型。該模型能夠更準(zhǔn)確地描述應(yīng)變對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振特性的影響，為深入研究應(yīng)變調(diào)控機制提供了有力的理論工具。4.3.2模擬結(jié)果與實驗對比利用模擬軟件對建立的理論模型進行數(shù)值計算，將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，是驗證理論模型正確性和深入理解應(yīng)變調(diào)控鐵磁共振機制的關(guān)鍵步驟。選用專業(yè)的磁性材料模擬軟件，如OOMMF（Object-OrientedMicromagneticFramework）或Mumax3等。這些軟件基于微觀磁學(xué)理論，能夠精確模擬磁性材料中的磁矩分布、磁相互作用以及外場作用下的動態(tài)響應(yīng)。在模擬過程中，根據(jù)制備的錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜的實際參數(shù)，如晶格常數(shù)、磁晶各向異性常數(shù)、飽和磁化強度、磁致伸縮系數(shù)等，對模擬軟件進行參數(shù)設(shè)置。對于不同的應(yīng)變條件，通過改變模擬中的應(yīng)變參數(shù)，如在x、y、z方向上的應(yīng)變大小，模擬薄膜在應(yīng)變作用下的鐵磁共振特性。在模擬鐵磁共振頻率時，根據(jù)理論模型中有效場的表達式，結(jié)合模擬軟件的計算方法，得到不同應(yīng)變條件下的鐵磁共振頻率。模擬軟件通過迭代計算磁矩在有效場中的運動方程，考慮到磁矩之間的交換相互作用、偶極相互作用以及阻尼作用，精確計算出磁矩的進動頻率，從而得到鐵磁共振頻率。將模擬得到的鐵磁共振頻率與實驗測量結(jié)果進行對比，分析兩者之間的差異和一致性。在對比過程中，繪制模擬頻率與實驗頻率隨應(yīng)變變化的曲線，直觀地展示兩者的變化趨勢。若模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在趨勢上一致，且數(shù)值差異在合理范圍內(nèi)，說明理論模型能夠較好地描述應(yīng)變對鐵磁共振頻率的影響。在模擬鐵磁共振線寬時，考慮到磁疇結(jié)構(gòu)、磁晶各向異性以及自旋波散射等因素對應(yīng)變的響應(yīng)。模擬軟件通過模擬磁疇壁的運動、自旋波的傳播以及能量損耗過程，計算出不同應(yīng)變條件下的鐵磁共振線寬。將模擬得到的線寬與實驗測量值進行對比，分析線寬變化的原因。在分析過程中，考慮到應(yīng)變引起的磁疇結(jié)構(gòu)變化對磁矩進動的影響，以及自旋波散射與應(yīng)變之間的關(guān)系。若模擬線寬與實驗線寬的變化趨勢和數(shù)值能夠較好地吻合，進一步驗證了理論模型在描述應(yīng)變對鐵磁共振線寬影響方面的正確性。通過模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的詳細(xì)對比，深入分析理論模型與實際情況之間的差異和一致性。若存在差異，進一步分析原因，可能是由于理論模型中忽略了某些次要因素，或者實驗過程中存在一些難以精確控制的因素。針對這些問題，對理論模型進行進一步的修正和完善，或者優(yōu)化實驗條件，提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過不斷地對比和改進，使理論模型能夠更加準(zhǔn)確地描述應(yīng)變對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的調(diào)控機制，為該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。五、電場對鐵磁共振的調(diào)控5.1電場施加與調(diào)控5.1.1電場強度與方向的控制在研究電場對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的調(diào)控時，精確控制電場強度和方向是實驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和研究的深入程度。采用高精度的直流電源作為電場施加的能源。該直流電源具有穩(wěn)定的輸出特性，電壓調(diào)節(jié)精度可達0.01V，能夠滿足對電場強度精確控制的需求。通過調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓，實現(xiàn)對電場強度的控制。在實驗中，根據(jù)薄膜的尺寸和電極結(jié)構(gòu)，利用公式E=\frac{V}qmmmgi6（其中E為電場強度，V為施加的電壓，d為電極間距）計算出所需的電壓值，從而精確控制電場強度。在薄膜的上下表面制備的電極間距為1mm，當(dāng)需要施加100V/m的電場強度時，通過直流電源輸出0.1V的電壓即可滿足要求。為了確保電場強度的準(zhǔn)確性，使用高精度的電場強度測試儀對實際施加的電場強度進行測量和校準(zhǔn)。電場強度測試儀采用先進的電容式傳感器，能夠?qū)崟r測量電場強度，并將測量結(jié)果反饋給直流電源控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電場強度的閉環(huán)控制。在電場方向控制方面，通過合理設(shè)計電極結(jié)構(gòu)和連接方式來實現(xiàn)。對于三明治結(jié)構(gòu)的電場施加體系，將上電極和下電極分別連接到直流電源的正負(fù)極。當(dāng)需要改變電場方向時，只需切換直流電源的正負(fù)極連接，即可實現(xiàn)電場方向的反轉(zhuǎn)。在實驗過程中，為了驗證電場方向的改變對鐵磁共振特性的影響，首先將上電極連接到直流電源正極，下電極連接到負(fù)極，施加正向電場，測量鐵磁共振特性；然后切換正負(fù)極連接，施加反向電場，再次測量鐵磁共振特性。通過對比正向和反向電場下的實驗數(shù)據(jù)，深入研究電場方向?qū)﹁F磁共振的影響機制。為了確保電場方向的均勻性，在電極制備過程中，采用光刻和薄膜沉積等高精度工藝，保證電極的平整度和均勻性。在電極表面涂覆一層均勻的導(dǎo)電薄膜，減少電極表面的電荷分布不均勻性，從而保證電場在薄膜平面內(nèi)的均勻性。通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制備工藝，確保電場能夠均勻地作用于薄膜，為研究電場對鐵磁共振的調(diào)控提供可靠的實驗條件。5.1.2電場穩(wěn)定性的保障措施在實驗過程中，保障電場的穩(wěn)定性對于準(zhǔn)確研究電場對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振的調(diào)控至關(guān)重要，任何電場的波動都可能干擾實驗結(jié)果，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和不可靠。采用具有高精度穩(wěn)壓功能的直流電源，其輸出電壓的穩(wěn)定性可達到±0.001V。該直流電源內(nèi)部配備了先進的穩(wěn)壓電路，通過對輸出電壓的實時監(jiān)測和反饋調(diào)節(jié)，確保在實驗過程中輸出電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路采用了精密的電壓基準(zhǔn)源和高性能的運算放大器，能夠快速響應(yīng)電壓的微小變化，并通過調(diào)整電源內(nèi)部的功率器件，保持輸出電壓的恒定。為了進一步提高電源的穩(wěn)定性，對直流電源進行預(yù)熱處理。在實驗開始前，將直流電源開啟并運行一段時間，使其內(nèi)部的電子元件達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過預(yù)熱處理后，直流電源的輸出電壓波動明顯減小，能夠更好地滿足實驗對電場穩(wěn)定性的要求。在實驗系統(tǒng)中，采用屏蔽技術(shù)來減少外界電磁干擾對電場穩(wěn)定性的影響。將整個實驗裝置放置在一個金屬屏蔽箱內(nèi)，屏蔽箱能夠有效地阻擋外界電磁場的侵入。金屬屏蔽箱采用高導(dǎo)磁率的金屬材料制成，如坡莫合金，其對電磁場的屏蔽效能可達60dB以上。在屏蔽箱內(nèi)部，對電場施加裝置和測試儀器進行合理布局，減少內(nèi)部電磁干擾。將直流電源與測試儀器之間的連接線采用屏蔽電纜，屏蔽電纜的屏蔽層接地，進一步降低電磁干擾的影響。通過屏蔽技術(shù)的應(yīng)用，有效地提高了實驗環(huán)境的電磁兼容性，保障了電場的穩(wěn)定性。為了實時監(jiān)測電場的穩(wěn)定性，在實驗裝置中引入電場監(jiān)測傳感器。電場監(jiān)測傳感器采用電容式傳感器，能夠?qū)崟r測量電場強度的變化。將電場監(jiān)測傳感器放置在薄膜附近，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，實時采集電場強度數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析，一旦發(fā)現(xiàn)電場強度出現(xiàn)異常波動，立即采取相應(yīng)的措施進行調(diào)整。當(dāng)監(jiān)測到電場強度出現(xiàn)微小波動時，通過反饋控制系統(tǒng)自動調(diào)整直流電源的輸出電壓，使電場強度恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過實時監(jiān)測和反饋控制，確保電場在整個實驗過程中保持穩(wěn)定，為研究電場對鐵磁共振的調(diào)控提供可靠的數(shù)據(jù)支持。5.2電場對鐵磁共振特性的影響5.2.1共振頻率的電場響應(yīng)電場對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振共振頻率的影響是基于磁電耦合效應(yīng)的復(fù)雜物理過程，涉及薄膜內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和磁相互作用的改變。從磁電耦合效應(yīng)的原理出發(fā)，當(dāng)外加電場作用于薄膜時，會引起材料內(nèi)部電荷分布的變化，進而產(chǎn)生電極化。這種電極化與磁矩發(fā)生相互作用，導(dǎo)致磁矩的取向和分布發(fā)生改變，最終影響鐵磁共振的共振頻率。在多鐵性材料體系中，電場可以通過改變晶體結(jié)構(gòu)中的離子位移，間接影響磁矩的相互作用。當(dāng)施加電場時，某些離子會在電場力的作用下發(fā)生微小的位移，這種位移會改變離子之間的距離和相對位置，從而改變磁交換相互作用。由于磁交換相互作用是決定磁矩穩(wěn)定性和進動頻率的重要因素，其變化必然會導(dǎo)致鐵磁共振共振頻率的漂移。磁各向異性的變化也是電場影響共振頻率的關(guān)鍵因素。電場可以改變磁各向異性的大小和方向，從而影響鐵磁共振的共振頻率。在M型六角鐵氧體薄膜中，磁晶各向異性和磁彈性能是磁各向異性的重要組成部分。當(dāng)外加電場時，會在薄膜中產(chǎn)生一個等效的磁場，這個等效磁場會與原有的磁晶各向異性場和磁彈性能相互作用。如果電場導(dǎo)致等效磁場與磁晶各向異性場方向一致，會增強磁各向異性，使得磁矩在進動過程中受到的有效場增大，共振頻率升高；反之，如果等效磁場與磁晶各向異性場方向相反，會減弱磁各向異性，導(dǎo)致共振頻率降低。通過理論計算和實驗測量發(fā)現(xiàn)，在特定的電場條件下，磁各向異性常數(shù)會發(fā)生顯著變化，進而引起共振頻率的明顯改變。為了深入研究電場與共振頻率之間的關(guān)系，進行了相關(guān)的實驗研究。采用三明治結(jié)構(gòu)的電場施加體系，在M型六角鐵氧體薄膜上施加不同強度和方向的電場。利用鐵磁共振測試系統(tǒng)，測量不同電場條件下薄膜的鐵磁共振共振頻率。實驗結(jié)果表明，隨著電場強度的增加，共振頻率呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。當(dāng)電場強度從0V/m增加到500V/m時，共振頻率可能會發(fā)生幾十兆赫茲的變化。電場方向的改變也會對共振頻率產(chǎn)生影響，正向電場和反向電場下的共振頻率可能存在差異。將實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。通過理論模型計算出電場作用下磁各向異性場和磁交換相互作用的變化，進而得到共振頻率的變化，與實驗測量的共振頻率變化趨勢和數(shù)值基本相符。這進一步驗證了電場導(dǎo)致共振頻率漂移的理論模型，為調(diào)控M型六角鐵氧體薄膜的鐵磁共振共振頻率提供了理論依據(jù)和實驗支持。5.2.2線寬和磁化強度的改變電場對錐形磁結(jié)構(gòu)M型六角鐵氧體薄膜鐵磁共振線寬和磁化強度的影響是一個涉及微觀磁結(jié)構(gòu)和能量損耗機制的復(fù)雜過程，與磁疇結(jié)構(gòu)、磁晶各向異性以及自旋波散射等因素密切相關(guān)。電場會導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而影響鐵磁共振線寬。當(dāng)外加電場作用于薄膜時，由于電場與磁矩的相互作用，會改變磁疇壁的位置和形狀。在電場作用下，磁疇壁可能會發(fā)生移動和彎曲，導(dǎo)致磁疇的平均尺寸減小，疇壁數(shù)量增加。這種磁疇結(jié)構(gòu)的變化會影響鐵磁共振過程中的能量損耗機制。由于磁疇壁是磁矩方向發(fā)生急劇變化的區(qū)域，存在著較高的能量密度，更多的磁疇壁意味著更多的能量損耗途徑。在鐵磁共振過程中，磁矩的進動會與磁疇壁發(fā)生相互作用，磁疇壁的運動和變形會消耗能量，從而導(dǎo)致鐵磁共振線寬增加。疇壁數(shù)量的增加也會使得自旋波在傳播過程中更容易受到散射，進一步增加了能量損耗，加寬了鐵磁共振線寬。通過實驗觀察和微觀磁學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)在電場作用下，磁疇結(jié)構(gòu)從均勻的大磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的多晶磁疇，鐵磁共振線寬明顯增大。電場對磁晶各向異性的改變也會影響鐵磁共振線寬。如前文所述，電場可以改變磁晶各向異性的大小和方向，從而影響磁矩的取向和穩(wěn)定性。當(dāng)磁晶各向異性發(fā)生變化時，磁矩在進動過程中的能量狀態(tài)也會改變。如果電場導(dǎo)致磁晶各向異性減小，磁矩的取向更容易受到外界干擾，在鐵磁共振過程中，磁矩的進動會更加不穩(wěn)定，導(dǎo)致能量損耗增加，鐵磁共振線寬增大；反之，磁晶各向異性增大時，磁矩的取向相對更加穩(wěn)定，能量損耗可能會減小，鐵磁共振線寬變窄。通過測量不同電場條件下的磁晶各向異性和鐵磁共振線寬，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著明顯的關(guān)聯(lián)。在磁化強度方面，電場會對薄膜的磁化強度產(chǎn)生影響。當(dāng)外加電場時，由于磁電耦合效應(yīng)，會改變磁矩的取向和分布，從而影響薄膜的宏觀磁化強度。在電場作用下，磁矩可能會發(fā)生重新排列，使得原本取向不一致的磁矩更加趨向于平行排列，從而導(dǎo)致磁化強度增加；反之，如果電場導(dǎo)致磁矩的取向更加分散，磁化強度則會減小。通過振動樣品磁強計（VSM）測量不同電場條件下薄膜的磁化強度，發(fā)現(xiàn)隨著電場強度的增加，磁化強度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。這是因為在電場強度較小時，電場對磁