CN114267516B - 一种使自然磁性材料具有显著太赫兹磁导率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使自然磁性材料具有显著太赫兹磁导率的方法，属于太赫兹技术领域。本发明方法通过控制具有极高的磁晶各向异性能Hk和形状各向异性能Hs、以及合适的饱和磁化强度Ms的自然磁性材料，在特定方向上的剩余磁化状态在[0.3～1.0]之间，使其具有显著的太赫兹磁导率(μ'>2，μ”>0.5)。同时能够通过控制自然磁性材料的结构，实现对太赫兹(THz)磁谱的调控。本发明方法提供的自然磁性材料能够替代现有的人工材料，在太赫兹频段下有较强磁响应，具有广泛应用场景，填补了自然材料在太赫兹频段无明显磁响应的空白。

Description

一种使自然磁性材料具有显著太赫兹磁导率的方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种基于磁性材料获得显著太赫兹磁导率的方法。

背景技术

磁性材料的磁导率表征的是磁性材料对外部磁场作用的响应。在使用磁性材料的电磁应用环境中，磁性材料的复数磁导率的实部和虚部随频率的变化(以下简称“磁谱”)规律，对于工程电磁应用具有关键性的影响。磁性材料在不同频段下的共振频率大小决定了电磁器件的工作范围。对于希望磁性材料在工作频段内具有尽量小磁损耗的应用场景，我们应该选择磁共振频率远离工作频段，如电感中使用的磁粉芯、微波磁性环形器中磁性介质。而对于希望磁性材料在工作频段内具有尽量大磁损耗的应用场景，我们则希望磁性材料的共振频率处于工作频段内，如抗电磁干扰的材料、电磁波吸收材料(如隐身技术)等。目前，电磁器件中使用磁性材料的工作频率不会超过100GHz(V.G.Harris,"ModernMicrowave Ferrites",IEEE Trans.Magn.,vol.48,no.3,pp.1075-1104,(2012).)。据报道，最高的使用频率是使用Al或Ga离子取代Fe离子的M型六角铁氧体(Koichi Haneda andHiroshi Kojima,”Intrinsic Coercivity of Substituted BaFe12O19,Jpn.J.Appl.Phys.12,355(1973).)。

太赫兹(Terahertz,THz)技术是目前一门方兴未艾的高技术，太赫兹频段一般是指处于0.1THz～10THz的电磁波(1THz＝1000GHz)。随着太赫兹技术的兴起，今后必将有大量应用场景要求太赫兹器件中的电磁介质能有显著的磁响应(磁导率)。人们普遍认为自然磁性材料(指通过物理方法制备或化学方法合成的材料)的工作频率由于自然共振频率的限制，在太赫兹频段是没有磁响应的(即相对磁导率的实部为1，虚部为0)。所以，目前人们常用超材料(或人工材料，指人们设计的某种周期结构的非磁性材料)来使这种人工设计的结构具备一定的磁导率。如非磁性的STO(SrTiO₃)微米棒状阵列(H.Němec,P.

F.Kadlec,C.Kadlec,R.Yahiaoui,and P.Mounaix,“Tunable terahertz metamaterialswith negative permeability”,Phys.Rev.B.79,241108(R)(2009).)，或采用金(Au)制备的手性结构(Shuang Zhang,Yong-Shik Park,Jensen Li,Xinchao Lu,Weili Zhang,andXiang Zhang,“Negative Refractive Index in Chiral Metamaterials”,Phys.Rev.Lett.102,023901(2009).)，或由Au/Ti制成谐振环的超材料结构等(XiaoyuZhang,Yajie Chen,Lei Zhao,Yang Tan,Qiang Zhang,Chunlan Ma,and VincentG.Harris,"Giant low-field tunability of THz transmission in patternedmagnetic split-ring metastructures,"Opt.Express 28,34035-34044(2020).)。

发明内容

为了获得具有显著太赫兹磁导率的自然磁性材料，本发明提供了一种使自然磁性材料具有显著太赫兹磁导率的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种使自然磁性材料具有显著太赫兹磁导率的方法，其特征在于，控制自然磁性材料在特定方向上处于合适的剩余磁化状态，能够使其具有显著的太赫兹(THz)磁导率。

所述自然磁性材料须同时满足以下要求：极高的磁晶各向异性能Hk和形状各向异性能Hs，以及合适的饱和磁化强度Ms。

优选地，所述磁晶各向异性能Hk的取值范围为：1.15×10⁵～1.65×10⁵，单位为Oe；所述形状各向异性能Hs的取值范围为：2.51×10³～5.12×10³，单位为Oe；所述饱和磁化强度Ms的取值范围为：0.80×10⁶～1.14×10⁶，单位为A/m。

优选地，当自然磁性材料的剩余磁化状态在[0.3～1.0]之间时，具有显著的太赫兹(THz)磁导率。

优选地，所述显著的太赫兹(THz)磁导率为磁导率实部μ'>2，磁导率虚部μ”>0.5。

优选地，所述自然磁性材料的结构为纳米阵列、薄膜、或者制备有阵列图案的薄膜，通过改变结构的几何尺度或周期结构，实现对太赫兹(THz)磁谱的调控。

优选地，所述自然磁性材料为L1₀型四方晶体结构的FePt，材料成份为：Fe_xPt_100-x，x＝40～60，表示原子百分比。

经过长期的研究发现，要将自然磁性材料的工作频率(f_r)提高到太赫兹(THz，1THz＝1000GHz)范围，必须兼具极高磁晶各向异性能(H_k)和形状各向异性能。此外，该材料还应具有合适的饱和磁化强度(Ms)，过高Ms的材料将降低f_r，过低的Ms将难以获得显著的THz磁导率磁谱。例如具备L1₀型四方晶体结构的FePt(材料成份为：Fe_xPt_100-x，x＝40～60原子百分比)具备极高的H_k值和形状各向异性能，当不控制它的剩余磁化状态，它在THz下的磁谱是很微弱的，磁导率的实部很小(μ'≈1.0)，虚部(μ”)接近于0；当控制它的剩余磁化状态在[0.3～1.0]之间时，具有显著的THz磁谱(μ'>2，μ”>0.5)。同时，能够通过控制自然磁性材料的结构(几何尺度或周期结构等)，实现了对太赫兹(THz)磁谱的调控(如控制f_r的大小，磁导率μ'和μ”大小)。本发明方法提供的自然磁性材料能够替代现有的人工材料，不需要制作特定的结构，仅利用当下已经成熟的纳米线或薄膜等制备技术，就能够得到在太赫兹频段下有较强磁响应的材料，具有广泛应用场景，填补了自然材料在太赫兹频段无明显磁响应的空白。

附图说明

图1为在剩余磁化状态为Mr/Ms为1.0状态下,长径比分别为10和3.33的(3×3)FePt纳米线阵列THz磁谱：图1(a)长度(L)为100nm，直径(d)为10nm，(长度/直径)的比值为10；图1(b)长度(L)为100nm，直径(d)为30nm，(长度/直径)的比值为3.33。

图2为在剩余磁化状态为Mr/Ms为1.0状态下，长径比分别为3.33和20的(3×3)FePt纳米线阵列THz磁谱：图2(a)长度(L)为100nm，直径(d)为30nm，(长度/直径)的比值为3.33；图2(b)长度(L)为200nm，直径(d)为10nm，(长度/直径)的比值为20。

图3为不同剩余磁化状态下的FePt纳米线或(3×3)FePt纳米线阵列的磁矩取向示意图以及THz磁谱：图3(a)，(b)分别为直径为20nm，长度为30nm的FePt纳米线在初始磁化状态(Mr/Ms＝0)下磁矩取向示意图和对应的磁谱；图3(c)、图3(d)、图3(e)分别是(3×3)FePt纳米线阵列(直径＝30nm，长度＝100nm，纳米线间距＝3nm)在剩余磁化强度Mr/Ms为0.33下的磁矩取向示意图、磁化曲线图以及THz磁谱；图3(f)、图3(g)分别为(3×3)FePt纳米线阵列(直径＝30nm，长度＝100nm，纳米线间距＝3nm)，在剩余磁化强度Mr/Ms为0.65下的磁矩取向示意图和THz磁谱。

图4为FePt薄膜(长＝300nm，宽＝100nm，厚度＝10nm)在剩余磁化强度(Mr/Ms)为1.0状态下的磁矩取向示意图和相应的THz磁谱：图4(a)为FePt薄膜的磁矩取向示意图，图4(b)为相应THz磁谱。

具体实施方式

以具备L1₀型四方晶体结构的FePt(材料成份为：Fe₅₀Pt₅₀)合金为例，结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

FePt的磁晶各向异性能为1.15×10⁵Oe,形状各向异性能随材料几何形状变化，示例中该值的范围为：2.51×10³～5.12×10³，单位为Oe，饱和磁化强度为1.14×10⁶A/m。

将FePt制备为(3×3)的纳米线阵列，获得其不同磁化状态的方法为：沿着纳米线的长度方向，并选择合适的最大磁场大小，从初始磁化状态开始逐步增大外加磁场大小至磁化饱和磁场，然后逐步降低磁场大小至外场为0的状态，得到一个剩余磁化状态。可以通过测定磁化曲线(或者完整的磁滞回线)来确定Mr/Ms或Br/Bs的数值大小，Mr/Ms(或者Br/Bs)为表征剩余磁化状态的参数，Mr为剩余磁化强度(Br为剩余磁感应强度)，Ms为饱和磁化强度(Bs为饱和磁感应强度)。

1.如图1所示，在剩余磁化状态为Mr/Ms为1.0的情形下，通过调节纳米线阵列中纳米线直径的方式调节THz磁谱。

图1(a)中单根纳米线的长度(L)为100nm，直径(d)为10nm，长度/直径的比值为10；图1(b)中单根纳米线的长度(L)为100nm，直径(d)为30nm，长度/直径的比值为3.33。可以看到，在图1(a)中，THz磁谱有明显的共振峰，其共振频率为345.25GHz(约为0.345THz)，磁导率的实部大于2.5、虚部值为1.6165。将纳米线直径从10nm提高到30nm，如图(b)所示，发现FePt纳米线(3×3)阵列的THz磁谱的共振频率为336.5GHz(约为0.337THz)，磁谱的实部大于2.5、虚部值为1.6423。二者磁谱的实部和虚部大小均具备本发明所提及的“显著”的特征。

2.如图2所示，在剩余磁化状态为Mr/Ms为1.0的情形下，通过调节纳米线阵列中纳米线长径比的方式调节THz磁谱。

图2(a)中单根纳米线的长度(L)为100nm，直径(d)为30nm，长度/直径的比值为3.33；图2(b)中单根纳米线的长度(L)为200nm，直径(d)10nm，长度/直径的比值为20。可以看到，在图2(a)中，THz磁谱的共振频率为336.5GHz(约为0.337THz)。图2(b)中，THz磁谱的共振频率为346.5GHz(约为0.347THz)。通过调节长径比来调控THz磁谱的效果是显著的。二者的磁谱实部均大于1.5和虚部均大于1.5，具备本“显著”的特征。

3.如图3所示，通过控制FePt纳米线的剩余磁化状态，实现对FePt纳米线阵列的THz磁谱的调节。

首先，单根FePt纳米线(直径为20nm，长度为30nm)在初始磁化状态(Mr/Ms＝0)下磁矩的取向示意图如图3(a)所示，可见它的磁矩方向的排列存在一定混乱度。相应地，它的磁谱如图3(b)所示，在[0.3-0.4]THz频段内是微弱的，其实部小于1.5、虚部小于0.5接近0，而且存在多个不明显的峰型。远低于本发明所提及的THz范围(如10-30GHz)存在微波磁谱。

图3(c)、图3(d)、图3(e)分别是(3×3)FePt纳米线阵列(直径＝30nm，长度＝100nm，纳米线间距＝3nm)在剩余磁化强度Mr/Ms为0.33下的磁矩取向示意图、磁化曲线图以及它的THz磁谱。发现只需将剩余磁化状态提高到0.33以上，就能在345.25GHz(即约为0.345THz)下获得一个明显的太赫兹磁谱，实部大于1.5、虚部大于0.5，而且极大地抑制了非THz频段内磁谱峰型。

图3(f)、图3(g)分别展示了相同的(3×3)FePt纳米线阵列，在剩余磁化强度Mr/Ms为0.65下的磁矩取向示意图和THz磁谱。结果显示，仅仅通过改变相同纳米线阵列的剩余磁化状态(提高Mr/Ms数值)，就可以调控它的THz磁谱，在0.34THz下获得一个比图3(e)更加显著的THz磁谱，共振峰处的实部大于2、虚部大于1，峰值所在的频率也略不同于其它的剩余磁化状态。

4.以FePt薄膜为例(长＝300nm，宽＝100nm，厚度＝10nm)，显示在薄膜中也可获得显著的THz磁导率。图4(a)示意的是该薄膜在剩余磁化强度(Mr/Ms)为1.0状态下的磁矩取向。图4(b)为该薄膜的THz磁导率磁谱，共振频率为347.0GHz(0.347THz)，共振峰的实部大于2.5，虚部值为1.602。

综上所述，在初始磁化状态下，FePt材料中的磁矩方向是不一致的，存在多个磁畴，它在THz频段下具有多个微弱的共振峰形，磁导率的实部和虚部数值均不大，磁导率的实部很小(μ'≈1.0)，虚部(μ”)接近于0。而在剩余磁化状态下，譬如在Mr/Ms为1.0的情形，FePt纳米线阵列或FePt薄膜均能表现出单一的、显著的THz磁导率磁谱。本发明通过控制FePt纳米结构(纳米线阵列、纳米薄膜)的几何尺度，并通过控制它们的剩余磁化状态，成功在THz频段内获得了显著的太赫兹磁谱，并且能够通过控制FePt纳米单元的周期结构，实现了对太赫兹磁谱的调控。

Claims (1)

1.一种使自然磁性材料具有显著太赫兹磁导率的方法，其特征在于，控制自然磁性材料在特定方向上的剩余磁化状态在[0.3～1.0]之间，能够使其具有显著的太赫兹磁导率；所述显著的太赫兹磁导率为：磁导率实部μ'>2，磁导率虚部μ”>0.5；

所述自然磁性材料为L1₀型四方晶体结构的FePt，材料成份为：Fe_xPt_100-x，x＝40～60，表示原子百分比；

所述自然磁性材料的结构为纳米阵列、薄膜、或者制备有阵列图案的薄膜；通过改变自然磁性材料的结构的几何尺度或周期结构，实现对太赫兹磁谱的调控。

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