Abstract
本實驗主要是將磁性材料應用在微波頻段。在某些應用上由於磁性材料可以達到較好的規格。所以磁性材料在過去的二十年中已大量的被應用在許多微波電路或元件中，如移相器、延遲線、耦合器、帶通濾波器、帶拒濾波器、訊號對雜訊增強器、電感等[15,20]。實驗中的樣品主要為帶拒濾波器。 本實驗將“鐵磁共振”與“T型共振腔”兩種效應做在同一個樣品上。並將此樣品做成微帶線的形式在微波頻段和外加磁場之下做測量。而為了分析樣品的行為，我們也建立了此樣品的等效電路模型。此電路模型和樣品的量測結果有兩個一致性的現象，顯示出等效電路模型的正確性。在材料方面可分為四層，銅(訊號層)、鈷(訊號層)、氧化鋁(基板)和銅(接地面)等。 根據電路模型我們可以求出磁性材料的飽合磁化強度、異向性磁場、鐵磁共振頻率、鐵磁共振Q值和Landau-Lifshitz方程式中鐵磁共振的進動損耗量。另外還有銅-鈷薄膜的損耗。 在實驗中我們量測和觀察到鈷的飽合磁化強度等於1371 Oe、鈷的異向性磁場等於795 Oe、銅-鈷薄膜的損耗最大可達196.5 dB/m、藉由改變外加磁場可造成銅-鈷薄膜的損耗變化量達115.2%。在本實驗中，由於量測上的困難所以我們將T形共振腔和鐵磁共振這兩種效應做在同一個樣品上。並設計出此樣品的等效電路模型，再藉由電腦擬合的方式求出鈷薄膜的飽合磁化強度和異向性磁場，所得到的結果都是合理的。但是在分析時，我們做了一些假設和近似，如樣品在外加磁場為14500高斯時所得到的頻率響應是無鐵磁共振效應的。 關於圖5-3的結果其原因如下：由於某些頻率在T型支線形成駐波，例如21.55 GHz。所以微波訊號從Port 1到Port 2的能量穿透率就會最少，例如S21等於-15 dB。當FMR的頻率也等於21.55 GHz，形成駐波的微波其一部份的能量將被FMR所吸收。這對微波而言是一種損耗，所以微波訊號就會減少進入T型支線的能量轉而增加進入T型主線到Port 2的能量，即S21會上升。再來，我們用圖5-2的等效電路模型來解釋。在共振電路共振時，串聯LC的等效阻抗為零而並聯LC的等效阻抗為無窮大。所以當駐波的頻率等於FMR的頻率時子電路B(T型結構共振)跟C(T型支線的FMR)各只剩下一個電阻，所以總電阻值上升，再根據分壓或分流定理可知Port 2所得到的能量上升，所以S21上升。另外，在不同的外加磁場之下，T型共振頻率會偏移的現象也利用了等效電路模型而得到了很好的詮釋。 Landau-Lifshitz的運動方程式中，鐵磁共振的進動損耗在此求出了量的大小，其數量級大約在10-6 dB/nm。且其隨著外加磁場的趨勢為外加磁場較弱時損耗由大到小，在外加磁場大約等於飽合磁化強度時達到最小損耗，隨著外加磁場增強而漸漸增加。目前由於並未有相關的文獻可查，因此尚無從比較。 鈷的飽合磁化強度實驗值方面和塊材的值還滿接近，但是異向性磁場卻和塊材有十倍的差距。這是由於在實驗中的外加磁場並未平行於鈷的c軸，而是平行某一個晶格方向。不過可藉由X-ray量測來找出晶格方向再用14頁的計算方式得到異向性磁場的理論值。另一方面本實驗中的另一個樣品鎳，其飽合磁化強度也很接近塊材的值。但相同的問題也是在異向性磁場的值上面。 磁性材料鐵、鈷、鎳三種材料中，若要做外加磁場平行於易軸的FMR實驗則鈷是不太適合用在本實驗中的。因為鈷的異向性磁場在易軸方向有6470 Oe。將其值代入公式(2.26)可發現FMR頻率最少有35GHz，距離所使用的網路分析儀頻寬上限40.05GHz只差5GHz而已。所得到的FMR資訊將會太少而不足以進行分析。 在確定了如何得到正確的鐵磁共振的頻率響應之後。未來可以實驗溫度效應的影響，但是必須考慮感應磁氣異向性和其它溫度效應。即公式(2.26)需做修正。