Ферромагнитный резонанс в монокристаллах гексаферритов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДНИЕ.

ГЛАВА 1. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС В МОНОКРИСТАЛЛАХ

ГЕКСАФЕРРИТОВ (обзор).

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНОГО

РЕЗОНАНСА В МОНОКРИСТАЛЛАХ ГЕКСАФЕРРИТОВ.

2 Л. Ферромагнитный резонанс в монокристаллах гексаферритов с анизотропным

§-фактором.

2.2. Ферромагнитный резонанс в присутствии доменной структуры.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.1. Постановка эксперимента.

3.2. Методика проведения эксперимента.

3.3. Описание экспериментальной установки.

3.3.1. СВЧ тракт.

3.2.2. Электромагнит с блоком питания.

3.2.3. Регистрирующая часть.

3.4. Погрешность вычисления магнитных параметров материалов и метрологические характеристики установки.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФМР В

МОНОКРИСТАЛЛАХ ГЕКСАФЕРРИТОВ.

4.1 Изготовление образцов и тестирование установки.

4.2. Исследование ФМР в гексаферрите Ва-М.

4.3. Исследование ФМР в гексаферрите Ва-8С{дМ.

4.4. Исследование ФМР в гексаферритах Вао^бНао^В^-М и Ваоз^-ОаМ.

4.5. Исследование ФМР в гексаферрите 2п2У.

4.6. Исследование ФМР в гексаферрите Сог/По^.

Актуальность проблемы. Изучение взаимодействия электромагнитного поля с веществом, в частности с магнитными материалами, является одной из актуальных проблем современной радиофизики. Для решения этой проблемы необходимо, прежде всего, исследовать физические закономерности и процессы, протекающие в веществе при воздействии на него электромагнитного излучения и установить их связь с основными физическими константами материала. Установление такой связи позволит, в свою очередь, целенаправленно создавать новые материалы с заданными свойствами.

Одним из мощных инструментов исследования физических закономерностей в магнитных материалах является ферромагнитный резонанс (ФМР). Изучение ферромагнитного резонанса в магнитоупорядоченных средах представляет интерес по крайней мере с трех точек зрения. Во-первых, эта задача является частью общей проблемы магнитного резонанса и еще более фундаментальной проблемы взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Во-вторых, путем исследования ФМР могут быть получены сведения о магнитной структуре ферро- и ферримагнетиков, о природе взаимодействий в них, могут быть измерены их основные параметры: g-фaктopы, константы анизотропии и пр. В-третьих, ФМР в неметаллических ферримагнетиках -ферритах лежит в основе многочисленных применений ферритов в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Этот диапазон (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны) используется в радиолокации, космической связи и экспериментальной физике (радиотелескопы, ускорители элементарных частиц, диагностика плазмы). В настоящее время, в связи с получением высококачественных монокристаллов ферритов открываются новые возможности как для исследования их физических свойств, так и создания различных устройств СВЧ диапазона.

В качестве объектов исследования нами выбраны монокристаллические ферриты с гексагональной структурой (гекеаферригы). Этот выбор обусловлен следующими причинами. В гексаферритах возможна реализация различных типов магнитного упорядочения - от коллинеарной структуры не-елевского типа до сложных геликоидальных структур; в них существуют различные магнитные фазовые состояния - ось, конус, плоскость легкого намагничивания и между этими состояниями при изменении химического состава или внешних условий могут реализовываться спин - переориенпгацион-ные фазовые переходы. Эти особенности магнитных свойств гексагональных ферримагнетиков обусловлены наличием в них большого числа неэквивалентных магнитных подрешеток, в которых могут размещаться магнитоак-тивные ионы. Ферриты с гексагональной структурой являются одними из перспективных магнитных материалов для применения их в устройствах СВЧ и функциональной электроники. Они обладают большими величинами полей магнитокристаллической анизотропии (МКА) и поэтому при сравнительно высоких величинах намагниченности насыщения требуют существенно меньших значений лодмагничивающих полей по сравнению с ферритами со структурой шпинели и граната. Кроме этого, многообразие структур и составов гексаферритов позволяет создавать на их основе магнитные материалы с широким спектром магнитных свойств для самых различных аспектов практических применений.

Несмотря на большое число работ, посвященных исследованию магнитных свойств гексагональных ферримагнетиков, вопрос об адекватном описании природы магнитной анизотропии этих соединений до сих пор не решен. Используемые в большинстве работ подходы, основанные на использовании моделей дипольной и (или) одноионной анизотропии, не всегда в состоянии объяснить некоторые экспериментально наблюдаемые факты, для трактовки которых необходимо привлечение понятий анизотропного и антисимметричного обменных взаимодействий. Известно, что при исследовании явления ФМР в некоторых гексагональных кристаллах необходимо учитывать анизотропию g - фактора. Таким образом, вопрос о влиянии анизотропных взаимодействий на ферромагнитный резонанс в гексаферритах не решен до такой степени, чтобы можно было объяснить все наблюдаемые на опыте явления. Недостаточно изученным является также вопрос о ферромагнитном резонансе в гексаферритах в присутствии доменной структуры (ДС) при произвольном направлении намагничивания относительно осей кристалла.

В связи с этим целью данной работы является изучение явления ФМР в монокристаллах ферритов с гексагональной структурой как намагниченных до насыщения, так и в ненасыщенном состоянии. Основные задачи работы состоят в том, чтобы теоретически и экспериментально исследовать зависимости резонансных частот (полей) линий ферромагнитного поглощения от величины и направления внешнего магнитного поля. На основе полученных результатов разработать методику количественного измерения физических констант исследуемого материала из экспериментальных данных.

Методы проведения исследования При решении поставленных в работе задач использовались: Основные уравнения электродинамики, основные положения теории магнитного резонанса в магнитоупорядоченных веществах, основные принципы теории распространения электромагнитных волн в волноводах и резонаторах с гиротропными средами, сведения из теории магнетизма.

Теория систем линейных алгебраических уравнений, теория обыкновенных линейных однородных дифференциальных уравнений, теория векторного и тензорного анализа. Численные методы решения задач интерполяции и решения систем линейных алгебраических уравнений.

Волноводный и резонаторный методы измерения магнитных параметров материалов. Метод измерения напряженности магнитного поля, основанный на эффекте Холла. Методы регистрации и обработки экспериментальных данных на ЭВМ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Величины поля анизотропии и намагниченности насыщения гексагональных ферритов с осью легкого намагничивания определяются из частотных зависимостей параметров ФМР на одном микрообразце при совместной обработке экспериментальных данных на образцах намагниченных до насыщения и в присутствии доменной структуры.

2. Адекватное описание анизотропии СВЧ свойств гексаферрита относящегося к тригоналыюй группе симметрии, требует учета, наряду с магнитной кристаллографической анизотропией, еще и анизотропии g-фактора.

3. В гекеаферрите Ва-М замещение ионов Ре ионами

8с приводит не только к уменьшению первой константы анизотропии, но и к появлению констант анизотропии более высокого порядка.

4. Наличие на угловых зависимостях резонансного поля дополнительных особенностей типа конуса легкого или трудного намагничивания позволяет оценить величины высших констант анизотропии.

5. Резонансные поля мод ФМР в ненасыщенном состоянии практически не зависят от ориентации магнитного поля вблизи направления трудного намагничивания, по сравнению с частотами ФМР в насыщенном состоянии. Добротность высокочастотной моды ФМР в присутствии доменной структуры сравнима с добротностью моды однородного ФМР.

Достоверность научных положений обеспечивается:

1. Измерением магнитных параметров на образцах ферримагнетиков с известными свойствами.

2. Соответствием экспериментальных и теоретических результатов в широком диапазоне частот.

3. Сопоставлением измеренных параметров гексаферритов с результатами, полученными другими авторами, использовавшими иные методы исследования.

Научная новизна: 1. Впервые разработана методика измерения факторов, полей анизотропии и намагниченности насыщения методом ФМР на одном микрообразце магнитных материалов, обладающих осью легкого намагничивания (ОЛН).

2. Впервые экспериментально исследованы зависимости резонансных мод ФМР от угла между намагничивающим полем и осями кристалла гекса-феррита в присутствии плоскопараллельной доменной структуры (ПДС).

3. Впервые экспериментально обнаружена анизотропия g-фaктopa в гексаферрите 7пгУ.

4. Впервые методами ФМР определены поля анизотропии, намагниченности насыщения и g - факторы гексаферритов с ОЛН: ВаозЗгозОаРецО^ (ВаВгОа-М), Ва^На^В^е^О^ (ВаНаВьМ), Ва8с1ЛРею,9019 (Ва8с-М) и гексаферрита с плоскостью легкого намагничивания (ГОШ) Ва3Со2 Дк4ре2зд041 (СогДы-Е) ■

Научная ценность. 1. Измерения на одном микрообразце §-факторов, полей анизотропии и намагниченности насыщения в материалах с осью легкого намагничивания открывает широкие возможности для исследования магнитных свойств материалов. Применение этой методики позволяет получать величины вышеуказанных параметров материалов в одном эксперименте, что невозможно было сделать с помощью других существующих методов.

2. Учет анизотропии g-фaктopa позволяет более точно описать экспериментальные данные по ФМР в широком диапазоне частот. Кроме того, присутствие анизотропии §-фактора позволяет сделать вывод о наличии анизотропного и антисимметричного обменных взаимодействий в исследуемом материале.

3. Исследование влияния замещения ионов железа и бария ионами других типов на магнитные свойства гексаферритов позволяет создавать новые материалы с заданными свойствами.

4. Предложенная методика определения высших констант магнитной кристаллографической анизотропии в гекеаферритах позволяет исследовать поведение указанных констант в областях переориентационных фазовых переходов.

Практическая значимость. Показана возможность применения в устройствах СВЧ диапазона высокочастотной моды ФМР в ненасыщенном состоянии вместо моды однородного ФМР, поскольку их добротности сравнимы, но для нее требуется существенно меньшее подмагничивающее поле и отсутствует необходимость в точной ориентации образца.

Замещение ионов железа ионами скандия в различных концентрациях в гексаферрите Ва-М позволяет варьировать величины полей анизотропии в пределах 10 кЭ, что перекрывает частотный диапазон 28 ГГц и открывает широкие возможности для создания СВЧ устройств, основанных на явлении ФМР.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на: VI Российской научной студенческой конференции «Физика твердого тела» (Томск, 1998), The Third international Symposium "Application of the conversion research results for international cooperation, SIBCONVERS' 99" (Tomsk, 1999), XXXVII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск,

1999), VI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск,

2000), П школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии» (Томск, 2001).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 2 в рецензируемых центральных научно-технических журналах. Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы по изучению ферромагнитного резонанса в монокристаллах гексагональных ферритов получены следующие основные результаты:

1. В рамках феноменологического подхода к теории ферромагнитного резонанса проведен расчет резонансных полей (частот) для монокристаллических образцов гексагональных ферритов, намагниченных до насыщения, в форме эллипсоида вращения с учетом анизотропии §-фактора. Показана возможность определения из экспериментальных данных компонент тензора машитомеханического отношения ^-фактора) и полей магнитной кристаллографической анизотропии #а 1 и Я9. При наличии на угловой зависимости резонансного поля дополнительных особенностей типа конус легкого или трудного намагничивания возможно оценить величины высших полей анизотропии #а2 И #аЗ.

2. Проведен расчет резонансных полей (частот) ФМР в присутствии доменной структуры для монокристаллических образцов гексагональных ферритов с ОЛН в форме эллипсоида вращения. Показана возможность определения на одном образце, кроме величин магнитомеханических отношений и полей анизотропии, величины намагниченности насыщения 4жМн при совместной обработке экспериментальных данных по ФМР в образцах намагниченных до насыщения и ФМР в присутствии доменной структуры.

3. Теоретически и экспериментально исследованы угловые зависимостей резонансного поля ФМР в присутствии доменной структуры гесаферри-тов с ОЛН. Показано, что ширина линии одного из «доменных» типов колебаний близка к ширине линии однородного ФМР. Также показано, что для этого типа колебания резонансное поле слабо изменяется при отклонении намагничивающего поля от направления трудного намагничивания, по сравнению с однородным ФМР.

4. Отработана методика измерения методом ФМР магнитных параметров материалов. Из экспериментальных данных получены значения магнито-механических отношений и полей анизотропии исследуемых материалов. Для гесаферригов с ОЛН получены значения намагниченности 4жМ$ и полей анизотропии. На образце легкоплоекоетного гексаферрита Zп2Y обнаружена анизотропия §-фактора.

В заключение выражаю глубокую признательность и благодарность научному руководителю Журавлеву В.А. за предложенную тему, поддержку и помощь в работе. За любезно предоставленные монокристаллы гесаферри-тов хочу выразить благодарность Безматерных Л.Н., а также Найдену Е.П. за полезные дискуссии и внимание к работе.

1. Завойский Е.К. Аномальное высокочастотное сопротивление в никеле и железо-кремнистом сплаве // Физика.1946. Т.10. С.137-142.

2. Griffiths J. Abnormal microwave resistance of ferromagnetic metals // Nature. 1946. Vol. 158. P.670-676.

3. Kittel C. The explanation of anomaly of Larmor frequencies in experience on a ferromagnetic resonance // Phys, Rev. 1947. Vol. 71. P.270-277.

4. Kittel C. Phys. For theory of a ferromagnetic resonance absorption. // Phys. Rev. 1948. Vol. 73. P. 155-139.

5. Luttinger I.M., Kittel C. The note for quantum theory of a ferromagnetic resonance // Helv. Phys. Acta. 1948. 21. P.480-485.

6. Polder D. For theory of a ferromagnetic resonance // Phil. Mag. 1949. Vol. 40. P.99-103.

7. Van Vleck J IT. For theory of a ferromagnetic resonance absorption // Phys. Rev. 1950. Vol. 78. P.266-271.

8. Ландау JI.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред.-М: изд. физ.-мат. лиг-ры. 1959. 532с.

9. Macdonald J.K. Ferromagnetic resonance and internal field in ferromagnetic materials//Proc. Phys. Soc. 1951. Vol. 64. P.968-974.

10. Власов К.Б., Ишмухаметов Б.Х. Уравнение движения для намагниченности в магнитных средах // ФММ. 1961. Т. 11. Вып. 1. С.3-11.

11. Gurevich A.G., Sanina V.A., Golovenchic Е.Е., Starobinets S.S. Resonance in magnetically ordered crystals with anisotropic g factors // J. Appl. Phys. 1969. Vol. 40. №3. P. 1512-1520.

12. Туров E.A. Физические свойства мапштоупорядоченных кристаллов. -M.: Изд. АН СССР. 1963. 224С.

13. Журавлев В.А. Ферромагнитный резонанс в поликристаллических гек-саферритах Co2.xZnxW//ФТТ. 1999. Т. 41. В. 6. С. 1050-1055.

14. Smit J., Beljers H.G. Ferromagnetic resonance condition for the uniform precession mode//Philips Res. Rep. 1955. Vol. 10. №2. P. 113-120.

15. Shul H. Ferromagnetic resonance // Phys. Rev. 1955. Vol. 97. №2. P.555-561.

16. Абрагам А., Б лини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. -М: МИР. 1972. Т. 1. 651С.

17. Ballhausen C.J. Introduction to ligand field theory. -New-York: McGragt-HilL-1962 -548p.

18. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. -М: МИР. 1976. Т. 1. 353С.

19. Yosida К. The status of the theories of magnetic anisotropy // J. Appl. Phys. 1968. Vol. 39. №2. P.511-518.

20. Acquarone M. Two-sublattice magnetic system with fourth-order uniaxial anisotropy and strong antisymmetric exchange in a transverse magnetic field // J. Phys. C: Solid State Phys. Vol.12. №1.1979. P. 1373-1390.

21. Rosenberg M., Tanasoiu C, Florescu V. Domain structure of hexagonal fer-rimagnetic oxides with high anisotropy field // J. Appl. Phys. 1966. Vol. 37. №10. P.3826-3834.

22. Walker L. R. Magnetostatic modes in ferromagnetic resonance // Phys. Rev. 1957. Vol. 105. P.390-399.

23. Rosenberg M., Tanasoiu C., Florescu V. The influence of the magnetic field on the domain structure of ferrimagnetic oxides with high anisotropy field // Phys. Stat. Sol. 1967. Vol. 21. №1. P. 197-204.

24. Власов К.Б., Оноприенко JI.Г. Резонансные явления в магнитноодноос-ных монокристаллах ферродиэлектриков, обладающих доменной структурой //ФММ. 1963. Т. 15. Вып. 1. С.45-54.

25. Sigal M.A. Ferromagnetic resonance in BaFei2Oi9 with cylindrical domain structure at arbitrary magnetization // Phys. Stat. Sol. 1977. Vol. 42. №2. P.775-784.

26. Rachford F.J., Lubitz P., Vittoria C. Microwave resonance and propagation in nonsaturated ferromagnetic media. I. Magnetic resonance in single crystal ferrite platelets // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53. №12. P.8940-8951.

27. Vittoria C., Rachford F.J. Microwave resonance and propagation in nonsaturated ferromagnetic media. II. Electromagnetic wave propagation in uniaxially anisotropic insulators and metals // J. Appl. Phys. 1982. Vol. 53. №12. P.8952-8960.

28. Mita M. Ferromagnetic resonance in a spherically shaped single crystal BaFe12019 // J. Phys. Soc. Japan. 1963. Vol. 18. №1. P.155-156.

29. De Bitetto D.J. Anisotropy fields in hexagonal ferrimagnetic oxides by ferri-magnetic resonance // J. Appl. Phys. 1964. Vol. 35. №12. P.3482-3487.

30. Kurtin S., Foner S., Lax B. Ferromagnetic resonance in single-crystal BaO*6Fe2G3 it J. Appl. Phys. 1969. Vol. 40. №2. P.818-82I.

31. Weiss M.T., Anderson P.W. it Phys. Rev. 1955. Vol. 98. P.925-926.

32. Dixon S., Au Coin T.R., Savage R.O. Microwave resonance linewidths in substituted single-crystal barium ferrite // J. Appl. Phys. 1971. Vol. 42. №4. P. 1732-1733.

33. Labeyria M., Mage J.C., Simonet W., Devignes J. M. and Le Call H. FMR linewidth or barium hexaferrite at millimeter wavelengths // IEEE Trans. Mag.-1984. Vol. 20. №5. P.1224-1226.

34. Roschman P., Lemke M., Tolksdorf W. and Welz F. Anisotropy fields and FMR linewidth in single-crystal Al, Ga and Sc substituted hexagonal ferrites with M structure // Mater. Res. Bull. 1984. Vol. 19. №3. P.385-392.

35. Silber L. M., Tsantes E. and Wilber W.D. Temperature dependence of ferromagnetic resonance linewidth in pure and substituted barium ferrite // J. Mag. Mat. 1986. 54-57. Pt.3. P. 1141-1142.

36. Labeyria M., Mage J.C., Robinson T.M. Characterisation of strontium hexaferrite for millimeter waves applications // IEEE Trans. Mag. 1986. Vol. 22. №5. P.976-980.

37. Kasuya Т., LeGraw R.C. Relaxetion mechanism in ferromagnetic resonance // Phys. Rev. Lett. 1961. №6. P.223-225.

38. El Raysel M., Sokoloff J.B. and Vittoria C. Frequency dependence of the ferromagnetic resonance linewidth of barium ferrite // J. Appl. Phys. 1990. Vol. 67. №9. P.5527-5529.

39. Dorsey P., Sun K. and Vittoria C. Ferrimagnetic resonance linewidth in single-crystal Mn-doped Ba2Zn2Fei2022 // J- Appl. Phys. 1990. Vol. 67. №9. P.5524-5526.

40. Buffler C.R. Resonance properties of single-crystal hexagonal ferrites // J. Appl. Phys. 1962. Vol. 33. №3. P. 1360-1362.

41. Dixon S. High-power characteristics of single-crystal ferrites with planar ani-sotropy // J. Appl. Phys. 1962. Vol. 33. №3. P. 1368-1369.

42. Rodrigue G.P., Pippin J.R. and Wallace M.E. Hexagonal ferrites for use at X-to V-band frequencies// J. Appl Phys. 1962. Vol. 33. №3. P. 1366-1368.

43. Корогодов B.C., Журавлев В.А., Голещихин В.И. Ферромагнитный резонанс в гексаферритах. // Гиромагнитные приборы и антенны (сборник научных трудов).-М: изд. МЭИ. №99. 1986. С.57-65.

44. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах.- М: изд. физ.-мат. лит-ры. 1963. 404С.

45. Георгиев Г.М., Китаева Г.Х., Михайловский А.Г. Универсальный терморегулятор с широким диапазоном регулировки // ПТЭ. №6. С. 154-155.

46. Сусляев В.И. Приготовление образцов для измерения электромагнитных параметров материалов,- Томск: изд. ТГУ. 1996. 23С.

47. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках.-М: Наука. 1973. 591С.

48. Patton C.E. Effective linewidth due to porosity and anisotropy in polycrystal-line yittrium iron garnet and Ga-V-substituted YIG at 10 GHz // Phys. Rev. 1969. Vol. 179. P.352-358.

49. Манулова A.A., Гуревич А.Г. Частотная зависимость ширины резонансной кривой поликристаллического иттриевого феррита // ФТТ. 1964. Т.6. С.3475-3477.

50. Гуревич А.Г., Гублер И.Е., Сафантьевский А.П. Сверхвысокочастотные свойства ферритов иттрия и лютерция со структурой типа граната // ФТТ. 1959. Т.1. С. 1962-1964.

51. Artman I.O. Effects of size on the microwave properties of ferrite rods, disks, and spheres//J. Appl. Phys. 1957. Vol.28. №1. P.92-98.

52. Смит Я., Вейн X. Ферриты. -М: ИЛ, 1962. 504С.

53. Перекалина Т.М., Чепарин В.П. Ферримагнетизм гексагональных ферритов//ФТТ. 1967. Т.9. №11. С.3205-3302.

54. Найден Е.П., Креслин В.Ю., Политов М.В., Чесноков А.Г. Влияние катионного замещения на магнитную анизотропию гексаферритов М-типа // Изв. вузов., физика. 2000. №9. С.81-95.

55. Найден Е.П., Рябцев Г.И. Спин-переориентационный переход первого рода в гексаферрите Н Изв. вузов., физика. 1987. №7. С. 109-111.

56. Ошлаков А.А., Журавлев В.А. Спектры ферромагнитного резонанса в монокристаллахгексаферритов //Изв. ВУЗов, Физика. 2000. №9. С.96-100.

57. Журавлев В.А., Найден Е.П., Ошлаков А.А. Исследование магнитной кристаллографической анизотропии замещенных гексаферритов методом ФМР // Изв. ВУЗов, Физика. 2001. №9. С.21-23.

58. Журавлев В.А., Ошлаков А.А. Влияние доменной структуры на ферромагнитный резонанс в материалах с осью легкого намагничивания // ФТТ. 2001. Т.43. Вып. П.11. С.2025-2029.