Содержание к диссертации
Введение
1. СВЧ устройства на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик 13
1.1. Электронно-управляемые диэлектрические материалы 13
1.1.1. Сегнетоэлектрические пленки и устройства на их основе 14
1.1.2. Ферриты и устройства на их основе
1.2. Устройства на основе магнитоэлектрического эффекта 29
1.3. Устройства на основе гибридных электромагнитно-спиновых волн 35
2. Волновые процессы в щелевых линиях передачи сигнала на основе тонкопленочных структур феррит-сегнетоэлектрик 43
2.1. Метод приближенных двусторонних граничных условий 43
2.2. Электродинамическая модель волновых процессов в тонкопленочной структуре феррит-сегнетоэлектрик 54
2.3. Анализ волновых процессов в щелевой линии, содержащей тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика .. 66
3. Исследование резонансных свойств активного кольцевого резонатора (АКР) 78
3.1. Теоретическая модель АКР 78
3.2. Исследование резонансных свойств АКР на основе пленки феррита 82
3.3. Теоретическое исследование резонансных свойств АКР на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик 89
4. Экспериментальные исследования фазовых характеристик волн в волноведущих феррит-сегнетоэлектрических структурах 102
4.1. Феррит-сегнетоэлектрический фазовращатель с совместным электрическим и магнитным управлением 102
4.2. Экспериментальное исследование феррит-сегнетоэлектрических планарных фазовращателей 109
Заключение 117
Список литературы
- Ферриты и устройства на их основе
- Устройства на основе гибридных электромагнитно-спиновых волн
- Анализ волновых процессов в щелевой линии, содержащей тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика
- Теоретическое исследование резонансных свойств АКР на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик
Введение к работе
Актуальность темы. Одна из основных тенденций развития радиофизики и радиоэлектроники связана с разработкой высокодобротных управляемых СВЧ приборов. В последнее время наблюдается рост практического интереса к сегне-томагнетикам и мультиферроикам, а также к исследованию возможности применения их в управляемых СВЧ приборах и устройствах. Одними из наиболее перспективных являются исследования композитных структур, включающие пленки сегнетоэлектриков и ферритов. Первые работы на эту тему появились еще в 1986 году [1].
В последние годы как физический, так и прикладной интерес к данному направлению исследований обусловлен возможностью создания нового типа управляемых СВЧ приборов и устройств. Такие устройства сочетают в себе достоинства высокодобротных миниатюрных спин-волновых устройств с возможностью двойного управления их СВЧ характеристиками за счет изменения внешних электрических и магнитных полей смещения.
Устройства, созданные на основе волноведущих структур феррит-сегнетоэлектрик, можно условно разделить на два класса. Первый класс - это устройства на основе пленок ферритов и относительно толстых сегнетоэлектри-ческих слоев. Свойства подобных волноведущих структур достаточно подробно изучены [1-3]. В настоящее время проводятся исследования, направленные на их применение в СВЧ приборах, таких как фазовращатели [3] и резонаторы [4]. Тем не менее к моменту начала работы над диссертацией ряд важных вопросов оставался не изученным. Особый интерес вызывают как теоретические задачи описания резонансных свойств резонаторов, так и практические задачи, посвященные исследованию передаточных характеристик фазовращателей. Второй класс устройств, использующий волноведущие структуры феррит-сегнетоэлектрик, появился сравнительно недавно. К нему относятся устройства на основе тонкопленочных феррит-сегнетоэлектрических структур. СВЧ свойства таких структур изучены явно недостаточно.
Целью диссертационной работы является исследование сверхвысокочастотных свойств слоистых структур на основе сегнетоэлектрических и ферромагнитных пленок.
В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования являются:
исследование волновых процессов в щелевых линиях передачи СВЧ сигнала на основе слоистых тонкопленочных структур феррит-сегнетоэлектрик;
анализ влияния геометрических и электродинамических параметров щелевых линий, содержащих тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика, на дисперсионные характеристики электромагнитных волн в таких структурах;
разработка теоретической модели, описывающей резонансные свойства активных кольцевых резонаторов;
анализ влияния геометрических и электродинамических параметров волнове-дущей слоистой структуры феррит-сегнетоэлектрик на передаточные характеристики активных кольцевых резонаторов;
исследование возможности использования феррит-сегнетоэлектрих структур для построения управляемых СВЧ фазовращателей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложено приближение для решения электродинамических задач. В данном приближении электрическое и магнитное поля, существующие внутри слоя феррита, заменяются усредненными значениями полей на границах раздела соседних слоев, а их производные по нормали - приращениями соответствующих полей на толщине слоя феррита. Обоснованы границы применения данного приближения для описания волновых процессов в пленках феррита и в феррит-сегнетоэлектрических структурах;
Предложена электродинамическая модель для теоретического описания волновых процессов в щелевой линии передачи, содержащей тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика в дорезонансных и зарезонансных магнитных полях. С использованием данной модели получено и проанализировано дисперсионное уравнение;
Разработана теоретическая модель, описывающая СВЧ параметры активных кольцевых резонаторов, управляемых за счет электрического и магнитного полей смещения;
Проведены теоретические и экспериментальные исследования активных кольцевых резонаторов, построенных как на пленках феррита, так и на слоистых структурах феррит-сегнетоэлектрик;
Проведены экспериментальные исследования управляемых фазовращателей, на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик.
Научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
Дисперсионные зависимости электромагнитных волн в слоях феррита толщиной порядка 10 мкм и в слоистых феррит-диэлектрических структурах, содержащих такие слои, находятся с высокой точностью до волновых чисел порядка 100 см" при использовании приближения, в котором сверхвысокочастотные электрическое и магнитное поля, существующие внутри этого слоя, заменяются усредненными значениями полей на границах раздела соседних слоев, а их производные по нормали - приращениями соответствующих полей на толщине слоя феррита.
Перестройка дисперсионных характеристик электромагнитной волны в волноведущих планарных тонкопленочных структурах феррит-сегнетоэлектрик в постоянном дорезонансном магнитном поле обеспечивается в широком интервале значений волнового числа за счет гибридизации сверхвысокочастотных электромагнитных и спиновых волн.
Диапазон электрической перестройки волноведущей структуры на основе щелевой линии передачи СВЧ сигнала, содержащей тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика, увеличивается в дорезонасных магнитных полях за счет более сильного замедления электромагнитной волны, реализуемого уменьшением ширины щели и увеличением толщины сегнетоэлектрической пленки в сантиметровом диапазоне длин волн.
Перестройка СВЧ активных кольцевых резонаторов на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик, добротность которого составляет нескольких десятков тысяч, осуществляется в широком диапазоне за счет магнитного поля и в узком диапазоне за счет электрического поля.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
Предложена электродинамическая модель, описывающая распространение электромагнитных волн в щелевой линии передачи, содержащей тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика.
Разработана теоретическая модель, описывающая резонансные свойства активных кольцевых резонаторов.
Предложен и обоснован приближенный метод решения электродинамических задач, основанный на использовании граничных условий, который облегчает решение граничных задач, направленных на описание волновых процессов в волноведущих структурах, содержащих пленки феррита.
Предложены макеты и конструкции фазовращателей и активных кольцевых резонаторов на слоистых тонкопленочных структурах феррит-сегнетоэлектрик.
Результаты работы реализованы в следующих проектах и грантах:
Грант Президента Российской Федерации для молодых кандидатов наук: "Исследование сверхвысокочастотных колебательных и волновых процессов в ферромагнитных пленках и слоистых структурах на их основе с целью разработки новых микроэлектронных приборов для информационно-телекоммуникационных систем" (2008-2009 годы).
Проект в рамках АВЦП "Развитие потенциала высшей школы": "Исследование сверхвысокочастотных волновых процессов в микроэлектронных гетероструктурах на основе ферромагнитных и сегнетоэлектриче-скик пленок" (2009 - 2011 годы).
Грант Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2010 год).
Грант Российского фонда фундаментальных исследований: "Разработка физических принципов построения новых микроэлектронных устройств обработки сверхвысокочастотных сигналов на основе мультиферроидных материалов и структур" (2011 год).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:
VI Международной научно-технической конференции, 20-27 октября
2007, Москва, Россия;
15th Anniversary International Student Seminar on Microwave and Optical Ap
plications of Novel Physical Phenomena, 19-21 May 2008, Saint-Petersburg, Russia;
Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС-XVIII), 9 - 14 июня, 2008, Санкт-Петербург, Россия;
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета (ЛЭТИ), 28-29 января 2010, Санкт-Петербург, Россия;
XLIV annual conference of the Finnish physical society, March 11-13, 2010, Jyvaskyla, Finland;
European Microwave Week, 26.09-01.10.2010, Paris, France;
XLV annual conference of the Finnish physical society and the second Nordic physics meeting, March 29-31, 2011, Helsinki, Finland;
Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (ВКС - XIX), 20 - 23 июня 2011 года, Москва, Россия;
Metamaterials '2011: The Fifth International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, 10-15 October 2011, Barcelona, Spain.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе - 4 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК, и 11 работ в материалах международных и российских научно-технических конференций. Список печатных работ автора по теме диссертации приведен в конце работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 58 наименований. Основная часть работы изложена на 115 страницах машинописного текста. Работа содержит 56 рисунков.
Ферриты и устройства на их основе
Магнитоэлектрический эффект - это возникновение (или изменение) в кристалле или в слоистой структуре постоянной намагниченности при приложении электрического поля. Как показано выше МЭ позволяет реализовать управление магнитными свойствами кристалла при изменении внешнего электрического поля. Данный эффект ярко проявляется в так называемых сегнетомагнетиках или мультиферроиках (МФ).
Мультиферроики - это материалы, которые объединяют в себе сегнетоэлек-трические и ферромагнитные свойства. В настоящее время исследование мульти-ферроидных материалов и структур идет по двум основным направлениям: получение и исследование материалов, одновременно обладающих ферромагнитными и сегнето-/пьезоэлектрическими свойствами (так называемые естественные однофазные мультиферроики (ТЬМпОз, TbMn205, BiFe03, Сг203 и BiMn03)) [3], и, второе, исследование слоистых (составных или монолитных) гетероструктур, обладающих мультиферроидными свойствами, с разнесенными в разные слои, но взаимодействующими между собой сегнетоэлектрической /пьезоэлектрической и ферри-/ферромагнитной фазами [3,31].
Исследования естественных мультиферроиков начались еще в 1960-х годах, когда исследования кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков с поливалентными ионами, находящимися в одинаковых кристаллографических положениях в решетке, привели к открытию нового класса веществ с одновременно электрическим и магнитным упорядочением, названных сегнетомагнетиками (мультифер-роиками) [32, 33]. МФ представляют собой группу веществ, относящихся к неупорядоченным и неравновесным системам. В МФ был обнаружен ряд новых эффектов, в частности, зависимость поляризации от магнитного поля и намагниченности от электрического поля. В однофазных МФ магнитоэлектрический эффект, обусловленный взаимным влиянием параметров порядка магнитной и сегнетоэлектрической фазы (магнитного и сегнетоэлектрического упорядочения), оказывается очень малым, поскольку эти два эффекта являются взаимоисключающими [З, 33]. Кроме того, естественные однофазные мультиферроики достаточно редки, а их магнитоэлектрический эффект проявляется при температурах слишком низких для практического применения. В настоящее время поисками и исследованием новых высокотемпературных мультиферроиков с сильным магнитоэлектрическим эффектом продолжают заниматься в России, США, Корее, Голландии, Франции и во многих других странах [35-37].
Интерес к исследованию второго рода МФ (составных или монолитных структур феррит-сегнетоэлектрик) обусловлен возможностью эффективного (по сравнению с первыми) электрического управления их СВЧ характеристиками. МЭ проявляется за счет механического контакта пьезоэлектрического (или электро-стрикционного) и пьезомагнитного (или магнитострикционного) материалов. Такие двухфазные системы могут быть созданы на основе композитных и слоистых структур. Схематически гетероструктуры феррит-сегнетоэлектрик представлены на рисунке 1.8.
Наибольшие значения МЭ достигает в гетероструктурах, созданных на основе материалов, обладающих большими значениями магнитострикционного и пьезоэлектрического коэффициентов. С точки зрения применения ФС структур для создания СВЧ устройств в качестве феррита наиболее перспективны монокристаллы ЖИГ, так как магнитные потери на СВЧ в них минимальны. Большинство исследований сосредоточено на изучении сочетания кристалла ЖИГ с различными типами СЭ. Магнитоэлектрический эффект в таких структурах обусловлен взаимодействием кристаллических решеток феррита и сегнетоэлектрика. Электрическое поле, приложенное к сегнетоэлектрическому слою, вызывает его деформацию благодаря пьезоэлектрическому эффекту. При наличии механического контакта это напряжение передается слою феррита, в котором в результате магнитострикцион-ного эффекта изменяется намагниченность. В результате изменяются характеристики рабочих спиновых волн. Большинство исследований, направленных на создание электрически управляемых СВЧ устройств, проводится именно в этом направлении [38, 39], что обусловлено относительной легкостью создания на основе составных структур феррит-сегнетоэлектрик (пьезоэлектрик) электрически перестраиваемых приборов обработки СВЧ сигналов, таких как резонаторы [40], линии задержки [41], фазовращатели [14], фильтры [42, 43] и пр. В сравнении с аналогичными управляемыми магнитным полем устройствами данные электрически перестраиваемые аналоги потребляют меньше энергии, обладают низкими шумовыми характеристиками, легки и компактны. Кроме того, быстродействие электрически перестраиваемых приборов порядка 5 мкс, что превышает аналогичные показатели для устройств с магнитной перестройкой ( 50 мкс). Таким образом, гибридные мультиферроидные структуры дают возможность разрабатывать быстродействующие дешевые энергосберегающие широкополосные и планарные устройства для различных сверхвысокочастотных приложений. Рассмотрим подробнее приборы и устройства, в основу которых может быть положен МЭ в ФС структурах. Согласно обзору литературы наиболее изученными устройствами являются СВЧ резонаторы.
Схема двухслойного резонатора ЖИГ-PZT представлена на рисунке 1.9. Пленка ЖИГ толщиной 15 мкм была выращена на подложке гадолиний-галлиевого граната (ГГТ). Размеры резонатора - 1 на 2,2 мм. ЖИГ резонатор находился в контакте с керамической пластиной PZT (4 мм; 9,4 мм; 0,5 мм), которая с обеих сторон покрыта серебряными электродами толщиной 5 мкм. Толщина электродов выбрана много больше толщины скин-слоя на данной частоте для того, чтобы уменьшить потери в пьезоэлектрическом слое. Намагниченность насы щения пленки ЖИГ составляла 1750 Э. Исследуемая структура была установлена на микрополосковые линии (50 мкм шириной и 3 мм длиной), нанесенные на подложку сапфира. Напряженность электрического поля в результате приложения напряжения ко всей пластине PZT составляла ±10 кВ/см. Частота ферромагнитного резонанса при приложении напряжения сдвигалась на 18 и 25 МГц в случае, если магнитное поле параллельно или перпендикулярно исследуемой ФС структуре соответственно (рисунок 1.10,а). Перестройка частоты может быть увеличена за счет уменьшения толщины подложки ГГГ и/или с использованием сегнето-электрика, обладающего более сильным пьезоэлектрическим эффектом, например, монокристалла PMN-PT. Перестройка резонансной характеристики резонатора ЖИГ/PMN-PT представлена на рисунке 1.10,6. В случае, если магнитное поле перпендикулярно пленке ЖИГ, перестройка частоты составила 50 МГц при приложении напряжения, которому соответствовало электрическое поле напряженностью 10 кВ/см [40].
Устройства на основе гибридных электромагнитно-спиновых волн
Для нахождения всех неизвестных констант используется шесть электродинамических граничных условий, а именно условия равенства тангенциальных компонент полей на границах раздела сред. Наложение этих условий приводит к однородной системе из шести уравнений. Из условия равенства нулю определителя данной системы получаем дисперсионное уравнение. Трансцендентное уравнение имеет довольно сложную структуру, что не позволяет в явном виде представить зависимость со от к. Полная запись дисперсионного уравнения в виде определителя полученной системы уравнений приведена в приложении 1.
Данное дисперсионное уравнение также может быть получено с использованием приближенного метода двусторонних граничных условий. Алгоритм поиска дисперсионного уравнения был изложен ранее. Граничные условия для слоев, не граничащих с пленкой феррита, выполняются стандартным образом. Для слоев ми I используем уравнения (2.14)—(2.17). В результате получаем систему из четырех уравнений. Из условия равенства нулю определителя данной системы получаем дисперсионное уравнение, которое ввиду громоздкости также представлено в приложении 1.
На рисунке 2.5,я, б представлены результаты численного расчета дисперсионных характеристик основной моды гибридной ЭМСВ, распространяющихся в слоистой структуре диэлектрик-феррит-диэлектрик при разных диэлектрических проницаемостях верхнего диэлектрического слоя. Толщины пленки феррита в данных расчетах составляли 20 мкм для рисунка 2.5,а и 5 мкм для рисунка 2.5,6. Расхождения результатов расчетов при фиксированном волновом числе не превышают 1,4 МГц [HI2]. На рисунке 2.5,в, г представлена относительная погрешность решения точного и приближенного дисперсионных уравнений при фиксированной постоянной распространения, выраженная в процентах. Как видно из данных рисунков, максимальная погрешность в расчетах приходится на диапазон волновых чисел, в котором распространяются электромагнитные волны (до гибридизации
Аналогично с рисунком 2.2 ошибка уменьшается с уменьшением толщины пленки феррита. С увеличением диэлектрической проницаемости погрешность расчета уменьшается, что объясняется уменьшением включения тонкого слоя феррита в распределение поля электромагнитной волны. 2.2. Электродинамическая модель волновых процессов в тонкопленочной структуре феррит-сегнетоэлектрик
Построение электродинамической модели распространения электромагнитных волн в тонкопленочных волноведущих структурах на основе щелевых линий передачи сигнала, содержащих пленки сегнетоэлектрика и феррита представляет собой довольно сложную задачу. Как показано выше, дисперсионные зависимости электромагнитных волн в тонких слоях феррита и слоистых структурах на их основе могут быть найдены с использованием приближения, в котором электрическое и магнитное поля внутри этого слоя заменяются усредненными значениями полей на границах соседних слоев, а их производные - приращениями соответствующих полей на толщине слоя феррита. Используем данное приближение для нахождения дисперсии электромагнитных волн в тонкопленочных волноведущих структурах.
Дисперсионные соотношения для таких волн описывают распространение электромагнитных волн в дорезонансных и зарезонансных магнитных полях, то есть выше и ниже спектра спиновых волн. Это ограничение связано с тем фактом, что щелевая линия передачи СВЧ сигнала при определенных условиях выполняет роль "антенны" и возбуждает бегущие спиновые волны, распространяющиеся перпендикулярно оси щелевой линии.
Найдем дисперсионное уравнение электромагнитных волн, распространяющихся в щелевой линии передачи сигнала, содержащей тонкие пленки сегнетоэлектрика и феррита (рисунок 2.6). На данном рисунке представлено поперечное сечение исследуемой щелевой линии.
В щелевой линии электрическое и магнитное поля локализованы около узкой щели. Поэтому линия может быть окружена идеальными электрическими стенками, расстояние между которыми много больше ширины щели. В этом случае приходим к прямоугольному волноводу, поперечное сечение которого представляет собой щелевую линию в окружении металлических стенок. Влияние стенок очень мало и уменьшается при их удалении от щели. Фактически любой или несколько диэлектрических слоев могут выполнять роль сегнетоэлектрической пленки. Данная электродинамическая модель позволяет получить дисперсионные характеристики как составной структуры, когда феррит и сегнетоэлектрик лежат по разные стороны от щелевой линии, так и интегральной, когда сегнетоэлектри-ческая пленка создана непосредственно на поверхности пленки феррита [Н9].
В структуре модели щелевой линии можно выделить частичные области поперечного сечения (см. рисунок 2.6), являющиеся слоями различных диэлектриков в слоистой структуре. Стоит отметить, что первоначально электродинамическая модель создается для электромагнитных волн в щелевых линиях на основе многослойной диэлектрической структур. Намагниченная до насыщения пленка феррита вводится на заключающем этапе.
Слои нумеруются в направлении от щели и обозначаются j. Выше щели лежат слои с номерами It/, 2U, 3U, ниже щели - слои с номерами \L, 2L , 3L. Слои с номерами 3/и ЪЬ граничат с верхней и нижней металлической границей волноводов соответвенно. Толщинау -го слоя равна d: = у Уі.\, где у. — ордината дальней от щели границы /-того слоя диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость у-го слоя обозначается как е,, за исключением слоя феррита, толщина которого 8, а диэлектрическая проницаемость 8у. Важно, что любое электромагнитное поле в регулярном волноводе в области, свободной от внешних зарядов и токов, может быть представлено в виде суперпозиции продольно-электрических (LSE) и продольно магнитных (LSM) в сечении волн [54].
Анализ волновых процессов в щелевой линии, содержащей тонкие пленки феррита и сегнетоэлектрика
Согласно обзору литературы в качестве слоистых тонкопленочных структур феррит-сегнетоэлектрик наиболее перспективны пленки БСТ и ЖИГ, поэтому в качестве параметров слоев были выбраны параметры, характерные для структур на основе выше указанных пленок (намагниченность насыщения 47сМ = 1750 Э, диэлектрическая проницаемость є у =16). Подложка для пленки БСТ - сапфир
толщиной d2L= 500 мкм и с диэлектрической проницаемостью Z2L — 12, и подложка для ЖИГ - гадолиний галлиевый гранат толщиной с?2и= 500 мкм и с диэлектрической проницаемостью z2u 14 [Н2].
На рисунке 2.8 показано, как изменяется дисперсионная характеристика электромагнитной волны в щелевой линии передачи СВЧ сигнала на сегнетоэлек-трической пленке толщиной dn = 1 мкм при введении намагниченной до насыщения пленки феррита толщиной 6 мкм при различных диэлектрических проницае-мостях пленки сегнетоэлектрика. Стоит отметить, что данная и все последующие дисперсионные характеристики построены для дорезонансных магнитных полей. Частота ферромагнитного резонанса в случае, изображенном на рисунке 2.6, численно равна / , следовательно, все приведенные ниже характеристики рассчитаны для частот меньших /±. //=1000 Э, dn = 1 мкм, w = 25 мкм, 5 = 6 мкм Рисунок 2.8 - Дисперсионные характеристики электромагнитных волн в щелевой линии на основе: сегнетоэлектрической пленки (а); тонкопленочной структуры феррит-сегнетоэлектрик (б)
Таким образом, на рисунке 2.8 сопоставлены дисперсионные характеристики электромагнитных волн в щелевых линиях на пленке сегнетоэлектрика (ветви а) и электромагнитных волн в щелевых линиях на слоистой тонкопленочной ФС структуре (ветви б) при различной диэлектрической проницаемости пленки сегнетоэлектрика. Дисперсионные ветви в диапазоне частот, лежащем много ниже частоты ферромагнитного резонанса (ФМР), идут параллельно. По мере приближения к частоте ФМР они начинают расходиться. Дисперсионные ветви электромагнитных волн в щелевой линии на ФС структуре (ветви б) смещаются в область больших волновых чисел. Это объясняется гибридизацией электромагнитных волн в волноведущей структуре, образованной щелевой линией на сегнетоэлектрической пленке, и поверхностных спиновых волн в пленке феррита [Н2, НЮ].
Стоит особо отметить, что в результате гибридизации в тонкопленочной структуре ФС в дорезонансных магнитных полях распространяется электромагнитная волна, обладающая свойствами как собственно электромагнитных, так и спиновых волн. (Ниже волны такого типа будем назвать гибридизированными электромагнитными волнами.) При увеличении диэлектрической проницаемости увеличивается наклон дисперсионных характеристик электромагнитных волн. В результате увеличивается диапазон волновых чисел, в котором фазовые скорости электромагнитной и спиновой волн близки. Это приводит к увеличению гибридизации; в результате значительно увеличивается диапазон электрической перестройки дисперсионной характеристики гибридизированной электромагнитной волны в щелевой линии на основе ФС структуры [Н9].
Это продемонстрировано на рисунке 2.9, где представлены зависимости перестройки волнового числа Ак электромагнитной (кривая а) и гибридизированной электромагнитной волн (кривая б) от частоты при изменении диэлектрической проницаемости пленки сегнетоэлектрика с 900 до 1500. Из данного рисунка видно, что диапазон электрической перестройки электромагнитной волны в щелевой линии на пленке сегнетоэлектрика может быть значительно увеличен за счет внесения намагниченной пленки феррита.
Зависимости перестройки волнового числа Ак (а) электромагнитной и (б) гибридизированной электромагнитной волн от частоты при изменении диэлектрической проницаемости пленки сегнетоэлектрика с 900 до 1500 Как следует из рисунка 2.9, диапазон, в котором электрическая перестройка щелевой линии на основе тонкопленочной структуры ФС превышает перестройку щелевой линии на сегнетоэлектрической пленке, составляет 0,5 ГГц. Сверху по частоте данный диапазон ограничен частотой ферромагнитного резонанса, однако, нижняя граница определяется степенью гибридизации, следовательно, данный диапазон может быть расширен за счет увеличения гибридизации. Рассмотрим более подробно влияние на дисперсионные характеристики различных геометрических и электродинамических параметров волноведущих тонкопленочных ФС структур [Н9].
Сначала рассмотрим возможность управления дисперсионными характеристиками гибридизированных электромагнитных волн за счет изменения напряженности внешнего магнитного поля (рисунок 2.10). Дисперсионная характеристика гибридизированной электромагнитной волны в щелевой линии на основе ФС структуры смещается вверх по частоте при увеличении напряженности внешнего магнитного поля вследствие изменения закона дисперсии спиновых волн (рисунок 2.10,а). Из данного рисунка видно, что дисперсионные характеристики перестраиваются в широком интервале частот при изменении внешнего магнитного поля. На рисунке 2.10,6 представлены дисперсионные характеристики гибридизированных электромагнитных волн в щелевой линии на ФС структуре во внешнем поле напряженностью 2000 Э при различной диэлектрической проницаемости пленки сегнетоэлектрика. Как видно из данного рисунка, для устройств на основе тонкопленочных слоистых ФС структур также как и для спин-волновых устройств характерна перестройка в широком интервале частот и волновых чисел за счет изменения внешнего магнитного поля.
Увеличение интервала электрической перестройки достигается за счет увеличения интервала, в котором фазовые скорости электромагнитных и спиновых волн в тонкопленочной ФС структуре, содержащей щелевую линию, близки. Увеличение такого интервала осуществляется несколькими способами.
Теоретическое исследование резонансных свойств АКР на основе слоистых структур феррит-сегнетоэлектрик
В предыдущих главах показано, что другой возможностью создания управляемых СВЧ устройств является использование гибридизации между спиновой волной в феррите и электромагнитной волной в волноведущих структурах, построенных с применением сегнетоэлектриков [Н8]. Данный параграф посвящен экспериментальному исследованию фазовращателей, созданных на основе щелевых линий передачи сигнала, содержащих тонкие пленки феррита и сегнетоэлек-трика. Макет фазовращателя, представленный на рисунке 4.6, похож на макет, описанный в предыдущем параграфе (рисунок 4.1). Отличие заключается в том, что в контакте с пленкой ЖИГ находится щелевая линия передачи СВЧ сигнала на сегнетоэлектрической пленке.
Пленка ЖИГ толщиной 13,6 мкм была эпитаксиально выращена на подложке ГГТ толщиной 500 мкм. Ширина пленки составляла 2 мм, длина - 50 мм, намагниченность насыщения - 1750 Э. Пленка ЖИГ имела ширину кривой ферромагнитного резонанса (АН) 0,5 Э на частоте 5,5 ГГц. Сегнетоэлектрическая пленка Bao.5Sr0.5Ti03 была выращена методом ВЧ ионно-плазменного распыления на подложке сапфира. Толщина пленки БСТ составляла 2 мкм, а толщина подложки сапфира - 500 мкм. На поверхности пленки БСТ с помощью термического испарения создавалась пленка меди толщиной 2 мкм. После чего проводилось химическое травление с помощью фотошаблона, в результате получался набор щелевых линий с разной шириной щели (w), выполненных на одной пленке БСТ. После резки щелевые линии приводились в контакт с пленкой феррита. Щелевая линия была установлена симметрично относительно границ волновода ЖИГ. Медные электроды щелевой линии одновременно являлись волноведущеи структурой, и электродами для подачи постоянного управляющего напряжения (рисунок 4.6). Размеры щелевых линий в плоскости пленок были 14x7 мм.
Возбуждение и прием ЭМСВ в фазовращателе осуществлялись способом, аналогичным описанным в предыдущем параграфе. Подвод СВЧ мощности к антеннам осуществлялся при помощи микрополосковых линий с волновым сопротивлением 50 Ом, расстояние между которыми было 20 мм. Пленка ЖИГ помещалась на микрополосковые антенны и фиксировалась. Длина зоны контакта пленки ЖИГ и щелевой линии на пленке БСТ составляла 14 мм. Макет фазовращателя помещался в постоянное магнитное поле, направленное по касательной к плоскости пленки параллельно антеннам. Такая взаимная ориентация поля и пленки обеспечивала возбуждение ПСВ в области свободной пленки ЖИГ. Измерения рабочих характеристик изготовленных фазовращателей проводилось во внешнем магнитном поле напряженностью 1350 Э.
На управляющие электроды щелевой линии подавалось напряжение величиной до 150 В. При проведении исследований измерялись амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики фазовращателей при фиксированном значении магнитного поля и различных значениях прикладываемого электрического напряжения.
Входная микрополосковая антенна возбуждает поверхностную спиновую волну, которая распространяется в пленке ЖИГ. В области, где пленка ЖИГ граничит с щелевой линией на пленке БСТ, поверхностная спиновая волна преобразуется в гибридную электромагнитно-спиновую волну. Гибридная волна, достигнув другой границы щелевой линии, преобразуется обратно в поверхностную спиновую волну, которая затем принимается выходной микрополосковой антенной.
АЧХ тонкопленочного феррит-сегнетоэлектрического фазовращателя, содержащего щелевые линии с различной шириной щели, в сравнении с АЧХ свободной пленки феррита показаны на рисунке 4.7. Внесение щелевой линии увеличивает потери и уменьшает полосу пропускания по сравнению со свободной пленкой феррита.
Фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики были измерены при фиксированной величине напряженности магнитного поля Н= 1350 Э и при различных значениях напряжения, приложенного к управляющим электродам щелевой линии. На рисунке 4.8 показаны АЧХ фазовращателей, созданных на щелевых линиях различной толщины (w = 50 мкм и w = 250 мкм) для двух случаев. Первый - это когда напряжение на электродах щелевой линии равно нулю (кривая 1), второй - когда к электродам щелевой линии приложено напряжения U= 150 В (кривая 2). Из приведенных характеристик видно, что при приложении напряжения характеристика сдвигается в сторону меньших частот, этот сдвиг уменьшается с увеличением частоты. Сдвиг АЧХ в случае щелевой линии с шириной щели 250 мкм меньше, чем в случае ширины щели w = 50 мкм, так как в последнем случае напряженность электрического поля в несколько раз выше. Пульсации АЧХ объясняются переотражениями СВ и ЭМСВ от границ, на которых пленка феррита находится в контакте с щелевой линией на пленке сегнетоэлектрика.
На рисунке 4.9 приведены зависимости дифференциального фазового сдвига Аф фазовращателей. Максимальное значение изменения фазы Афтах составляло 50 градусов в щели шириной 50 мкм при приложении напряжения 150 В. Как видно из рисунков 4.9,а, б, максимальный набег фазы сохраняется в полосе частот 20 МГц. Затем набег фазы уменьшается с увеличением частоты. Для устранения возможного ухода передаточных характеристик, связанного с изменением температуры, измерения были проведены в прямом и обратном направлениях, т. е. измерения набега фазы проводились при подаче максимального напряжения, которое затем уменьшалось до нуля, и наоборот - от нуля до максимального [Н4]. Полученные в результате фазовые сдвиги были равными по абсолютной величине данным, приведенным на рисунке 4.9. На рисунке 4.10 приведены зависимости дифференциального фазового сдвига от частоты. Скачки на приведенных характеристиках объясняются наличием пульсаций на АЧХ. Как видно из данных рисунков, управляемость в случае более широкой щелевой линии выше, однако, в узкой щелевой линии более высокое электрическое поле создается меньшим напряжением.
