Исследование нелинейной динамики намагниченности частиц и пленок в СВЧ поле

Голов, Антон Владимирович

Исследование нелинейной динамики намагниченности частиц и пленок в СВЧ поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Голов, Антон Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Сыктывкар МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование нелинейной динамики намагниченности частиц и пленок в СВЧ поле»

Автореферат диссертации на тему "Исследование нелинейной динамики намагниченности частиц и пленок в СВЧ поле"

На правах рукописи

У -

ГОЛОВ АНТОН ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ЧАСТИЦ И ПЛЁНОК В СВЧ ПОЛЕ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ 2013

Челябинск-2013

005059702

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО «Сыктывкарского государственного университета».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Котов Леонид Нафанаилович

Официальные оппоненты:

Бычков Игорь Валерьевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный университет».

Белим Сергей Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой информационной безопасности ФГБОУ ВПО "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского".

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический)

федеральный университет имени М. В. Ломоносова»

Защита состоится «З?» и&і 2013 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.296.03 в Челябинском государственном университете по адресу: 454001, г. Челябинск, ул. Бр. Кашириных, 129, ауд. А-17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Челябинского государственного университета.

Автореферат разослан «?£>» вп^ля 2013.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

■ґ Е. А. Беленков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние годы проявляется большой интерес к исследованию электродинамических свойств искусственных сред, свойства которых могут значительно отличаться от естественных веществ [1]. Это может быть твердотельная магнитная среда малых размеров - сверхмалые магнитные частицы и улътратонкие магнитные пленки. Поверхностные и объемные свойства с учетом их малых размеров этих сред приводят в определенных случаях к появлению аномальных магнитных эффектов, таких как, отличие значений магнитных моментов на поверхности от их объемных значений, осциллирующее обменное взаимодействие между соседними магнитными слоями и большой биквадратный обмен в многослойных структурах [2-3]. Необычные свойства магнитных структур этих сред вызывают интерес у инженеров при разработке и конструировании современных устройств магнитной записи, магнитных сенсоров и устройств, работающих в нелинейных режимах.

В современных магнитных накопителях информации с энергонезависимой памятью, достигнут предел увеличения скорости записи информации, поскольку в них используются механические системы. Альтернативным накопителем с гораздо меньшим временем записи и доступа к сохраненной информации могут стать устройства на основе записи СВЧ полем [4]. Улучшение характеристик, необходимых для внедрения таких носителей информации, невозможно достичь без изучения нелинейной динамики вектора намагниченности ансамбля частиц или магнитных областей пленок и пластан при действии на них СВЧ поля. В данной работе исследована нелинейная динамика вектора намагниченности магнитных частиц при воздействии на них СВЧ поля на основе уравнений, решение которых стало возможным благодаря развитию компьютерных технологий [5].

Тематика исследований диссертации входит в перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований, утверждённых Президиумом РАН: «Физика конденсированного состояния вещества», «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия». Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВГ10 Сыктывкарского государственного университета при финансовой поддержке РФФИ (номера грантов: 06-02-17302а, 09-02-9800-р_север_а, 10-02-01327а, 12-02-01035а), а также министерства образования и науки Российской Федерации (Темплан).

Цели и задачи настоящего исследования.

Данная работа посвящена исследованию поведения вектора намагниченности в ферромагнитных, антиферромагшгиых пластинах, композитных (металлический сплав с диэлектриком) плёнках и многослойных плёнках (слои: композит-композит, композит-полупроводник) в СВЧ полях. Цель данной работы - выявление новых нелинейных и релаксационных свойств ансамблей ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и тонких композитных и многослойных плёнок при действии на них СВЧ поля. Для этого поставлен ряд задач:

1. изучение влияния внутренних свойств частиц, плёнок и внешних факторов на динамику вектора намагниченности;

2. определение степе™ влияния внешних магнитных полей на ориентацию вектора намагниченности в ансамбле частиц и в магнитных частицах плёнок;

3. выбор моделей расчета эффективных и усреднённых внутренних магнитных полей в ансамблях частиц, плёнках и методов исследования нелинейной магнитной динамики;

4. моделирование магнитной динамики ансамблей однодоменных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и нахождение диапазонов частот и амплитуд СВЧ полей, при которых происходит изменение магнитной структуры ансамбля частиц;

5. определение разброса внутренних полей в ансамблях магнитных частиц с учётом обменного взаимодействия при изменении размеров и расстояния между частицами в композитных (металл-диэлектрических) и многослойных плёнках: композит-композит/полупроводник. Объект и предмет исследования.

Объект исследования - ансамбли ферромагнитных и антиферромагнитных частиц в пластинах, плёнках и слоистых структурах. Предметом исследования является выявление магнитных материалов и определение значений амплитуд и частот СВЧ магнитных полей, при которых наблюдается переориентация векторов намагниченности в ансамблях ферромагнитных и

антиферромагнитных частиц или в отдельных магнитных областях пластин, композитных и многослойных плёнок.

Научная новизна работы. Выявлены особенности нелинейной динамики вектора намагниченности в ансамблях ферромагнитных и антиферромагнитных частиц с использованием численного решения уравнения динамики намагниченности при учете внутренних эффективных магнитных полей в Фурье-пространстве. Определены зависимости пороговой амплитуды СВЧ поля, при которой возникает магнитная переориентация в ансамблях антиферромагнитных частиц, при действии на них СВЧ магнитного поля, от частоты, параметра затухания, угла между переменным полем и направлением намагниченностей подрешёток. Определены средние внутренние магнитные поля в композишых (металл - диэлектрических) плёнках в отсутствии внешнего постоянного магнитного поля. Положения, выносимые па защиту:

1. Зависимости разброса внутренних магнитных и обменных полей от концентрации магнитных металлического сплава в композитных и в многослойных (композит-композит, композит-полупроводник) плёнках.

2. Зависимости усреднённого значения внутреннего магнитного поля композитного материала от параметра диссипации и значения отношения

полей анизотропии и размагничивания при нулевом внешнем постоянном поле.

3. Методика расчета уравнений нелинейной магнитной динамики для композитных пленок с применением преобразований Фурье.

4. Зависимости компонентов вектора намагниченности и прецессионные портреты для ансамблей однодоменных эллипсоидальных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц от частоты и амплитуды СВЧ магнитного поля, параметра диссипации.

5. Спектры пороговой амплитуды переориентации вектора намагниченности для ансамблей ферромагнитных и антиферромагнитных частиц при различных значениях параметра диссипации и величине внутренних полей. Научная и практическая значимость работы.

Полученные результаты являются качественно новыми и вносят существенный вклад в формирование современных представлений о нелинейной динамике вектора намагниченности в частицах, имеющих нано- и микро- размеры. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем изучении СВЧ свойств магнетиков.

Предложенная модель расчета магнитной динамики наноструктур является универсальной и может быть распространена на другие магнитные объекты. Выявлены критические явления в магнитной динамике в ансамблях частиц, происходящих при изменении параметров СВЧ мапштного поля, которые могут представлять интерес при создании новых устройств магнитной СВЧ записи, перестраиваемых СВЧ магнитных фильтров, сенсоров и других устройств нано- и микроэлектроники. Апробация работы.

Основные результаты работы представлялись и докладывались на следующих российских и международных конференциях и семинарах:

• на XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Москва, 2009)

• на XXXII Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка-2008» (Екатеринбург 2008)

• на Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2009)

• на VII международном семинаре «Магнитные фазовые переходы» (Махачкала, 2007)

» на I Всероссийской молодёжной конференции «Молодёжь и наука на севере» (Сыктывкар, 2008)

• на X и XI Всероссийских научных конференция студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007)

• на XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006)

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 17 работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых журналах, 2 из них из перечня ВАК РФ, и 1 свидетельство об отраслевой регистрации разработки (программы). Список публикаций по материалам диссертации приведён в конце автореферата до списка цитируемой литературы.

Личный вклад автора в приведенных результатах исследования динамики намагниченности ансамблей магнитных частиц и слоистых структур заключается в выборе физических и математических моделей, разработке методики численного решения уравнений, анализе полученных результатов моделировании воздействия СВЧ поля на магнитные ансамбли частиц и слоистые структуры. Расчёт внутренних полей частиц композитных и многослойных плёнок в зависимости от концентрации магнитных частиц и толщины слоёв из полученных спектров ФМР. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, авторского списка публикаций и списка цитированной литературы. Диссертация изложена на 123 страницах. Список литературы содержит 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность диссертации, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, основные положения выносимые на защиту, приведены новые результаты исследований нелинейной динамики в магнетиках, раскрыта научная и практическая значимос ть работы.

Первая глава посвящена обзору литературы, в которой освещаются имеющиеся результаты исследований поведения вектора намагниченности в однодоменных малых частицах и слоистых структурах в магнитных полях. Эллипсоидальные малые магнитные частицы в отсутствии внешних магнитных поля могут иметь только два возможных устойчивых направления вектора намагниченнос ти вдоль оси легкого намагничивания для одноосного кристалла, вверх и вниз, соответственно. Возможны несколько способов переориентации вектора намагниченности в однодоменных малых частицах: во-первых, это однородное когерентное вращение, где намагниченность остается однородной по всему объему частицы, сильно увеличивая размагничивающие поля, так как в определенный момент времени магнитные моменты ионов будут перпендикулярны оси легкого намагничивания (рис. 1.а). Во-вторых, веерообразное перемагничивание, которое позволяет избежать появления размагничивающих полей благодаря созданию вихрей векторов намагниченности в плоскостях, перпендикулярных оси легкого намагничивания. При такой конфигурации намагниченности уменьшается обменная энергия магнитных моментов частицы (рис. 1.6). В-третьих, перемагничивание с прохождением через неоднородные состояния, которое

Динамика намагниченности магнитных ансамблей частиц и магнитных структур представлена уравнением, полученным Ландау и Лифшицем из термодинамического принципа необратимости, в котором учтено, что вектор намагниченности нелинейно зависит от эффективного магнитного поле действующего на вектор намагниченности, и от параметра затухания а. Компоненты эффективного поля определяются как вариация плотности свободной энергии по компонентам вектора намагничешюсти частицы. Плотность свободной энергии — V состоит из плотности обменной энергии IIех, плотности энергии анизотропии [/„„, плотности зеемановской энергии вектора намагничешюсти М в магнитостатическом (размагничивающем) поле Нр и внешнем поле Н [6].

Во второй главе приведена методика численного моделирования динамики вектора памагаичешюсти магнитных структур. Рассмотрены методы вычисления основных слагаемых эффективного поля (обменного поля,

поля анизотропии и размагничивающего поля) и методы численного решения уравнения Ландау-Лифпшца. Для удобства моделирования использованы приведённые времена г* и частоты со*: /* Гол,, со"= соки,,, где соа=2К1-у/М1 — частота собственных колебаний намагниченности в отсутствие затухания, — первая константа анизотропии, у — гиромагнитное отношение, М, — намагниченность насыщения. В этом случае эффективное магнитное поле Н^ также будет перенормировано: Н ед= Нсг/И0, где Н0 =шУу — постоянная составляющая эффективного поля, определяющая частоту естественного ФМР т0. Для перехода от сплошной композитной среды к ансамблю однодоменных магнитных частиц применялся метод аппроксимации частиц сплошной средой с усредненной намагниченностью:

где М^) — намагниченность /'-ой частицы. При аппроксимации ансамбля частиц сплошной средой вычисление эффективных полей может быть ускорено путем использования алгоритма быстрого преобразования Фурье.

(1)

Mvk( r

i(k,t)=[ Mv(r,t)-e~2mkrdv, Jv

Mv(r,t)=£j Mvk{k,t) ■ e2*ikrdVk,

где Му(г, О - поле намагниченности; МУк {к, - поле намагниченности в к— пространстве; V - объем. Показаны Фурье образы размапшчивагощих полей объемных магнитных зарядов и поверхностных магнитных зарядов

т. , ->11 12 /Г

Нк,хск = -47г'1,;1Л -П-< (4>

demag

Hs2Zag> обмеШШГО ПОЛЯ Нexch\

„ samp (к ^ _ _,пМ k-(k-mvk(k,t))

Нк Vdemag С*. О - -4irM,-¡^р - Р )

mvk(k, t) Ms

где Л4- - намагниченность насыщения, mvk(k, t) - Фурье образ единичного

, ^ .V(r,t) ,«

вектора намагниченности, определяемого как т\г, t) = pj^j« • • _ ооменкая

постояхшая. Для образца в форме прямоугольного параллелепипеда для поверхностей перпендикулярных оси z, с координатами z = zt и г = z2, причем z2 > Z-L.

тг = 1,2,

где т^ - двумерное Фурье-разложение проекции m(r(z = z„), t) на ось z по кх и ку. Аналогично учитываются поверхности, перпендикулярные осям хну [А7]. Преобразование компонент внутрешшх полей в Фурье пространство позволяет применять алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ). Применение БПФ при вычислении внутрешшх полей ансамблей одиодоменных частиц и других магнитных наноструктур позволяет в разы повысить скорость компьютерного моделирования, что имеет существенное значение при изучении систем, состоящих из большого количества частиц.

В третьей главе рассмотрено явление магнитной переориентации однодоменных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц в форме шара [А2, А4, А6, А15~|. При моделировании явления магнитной переориентации ферромагнитных частиц использовались параметры и константы железо-иттриевого граната при температуре Т 300К: намагниченность насьпцения -4жМ$ - 1700 Гс, первая константы анизотропии - K¡ = 5.5-103 эрг'см' и вторая константа анизотропии К2 = -2-J03 эрг/см , обменная постоянная А* = 1 4-10"' эрг см [7]. С использованием численного моделирования динамики вектора намагниченности, изучено поведение усредненной намагниченности ансамбля частиц mz — MZ/\M\. где М - суммарная намагниченность, Мг - проекция М на ось OZ Обнаружено, что СВЧ поле возбуждает колебания вектора намагниченности с большей амплитудой на частотах кратных ю0 (рис. 2). Это явление носит пороговый характер, поэтому определены зависимости пороговой амплитуды переменного поля hj, при которой происходит магнитная переориентация, от частоты поля (рис. 2) [А4-17]. Как видно из рис.2, наблюдаются три ярко выраженных области: роста компоненты т, при ю'-1.5, 3,0, 4.5. Резонансы при частотах, кратных 1.5. обусловлены начальными параметрами структуры.

Рис. 2. Зависимость пороговой амплитуды Щ, от со' при а — 0.01.

Рис. 3. Зависимость компоненты т, усредненной намагниченности антиферромагнитной пластины от со* и С при приведенной амплитуде переменного поля h* = 0.005 . а = 0.01.

В четвертой главе приведены результаты исследований зависимостей разброса внутренних полей и полей обменного взаимодействия, от концентрации магнитного металлического сплава х в композитных и многослойных плёнках при комнатной и азотной температурах. Были обработаны спектры ФМР композитных плёнок составов МехВ1у и многослойных плёнок: {(МехБ1у)-(МехВ1у)}50 - композит-композит; {(МехГ)1у)-} 120 - композит-полупроводник; {(Мех01у)-(8гН)}кю - композит-полупроводник с компенсированными связями в 57; где металлический сплав Ме = Со45-Г'е,15-/гш, диэлектрик Б1=А12Оз. Цифры 50, 100 и 120 означают количество композитных и полупроводниковых слоев. Толщины композитного и полупроводникового слоев составляют 1-^4 нм и зависят от х вследствие использованной методики напыления плёнок [А1]. На рис. 4 приведены зависимости величины обменного поля композитной пленки от концентрации магнитного металлического сплава х, построенные на основе использования

теоретических аппроксимаций формул для внутренних полей и экспериментальных значений ширин линий ФМР для композитных и многослойных плёнок при температуре 300К и 77К.

да ¡н О ;

О «

X ф

X :

'"Г*"»»**

Рис. 4. Зависимость обмегаюго поля НЕХ от концентрации х для композитных пленок (-е-) и для многослойных плёнок: -о- - композит-композит;

-».....- композит-полупроводник; —о— - композит-полупроводник с

компенсированными связями в при Т~300К (а) и Т~-11К (б).

Далее приведены результаты расчета усреднённого значения внутреннего магнитного поля (Н) композитного материала, которое находилось по методу нахождения среднего значения физической величины. При вычислении (Н) использовалась функция распределения резонансных частот ¡р(/0) в магнитном композите, где /0 - частота ферромагнитного резонанса в отдельном магнитном зерне композита, Частоты /0 изменялись в пределах: от ^ -- уНА до ^ = у{ИА + 4пМ3) значений, где у - гиромагнитное отношение, М„ - спонтанная намагниченность при данной температуре. Для определения вкладов размагничивающих полей НР и полей анизотропии НА в поле (Я) композитного материала введен параметр И=НА!М§. На рис. 5. показан численный расчет зависимостей усреднённого вну треннего поля от параметра диссипации а и концентрации металла* для разных значений к [АЗ].

Рис. 5. Зависимость нормированного усреднённого внутреннего поля <Н)/Нр композитных сред от параметра к, концентрации металлического сплава х при а = 0.2 (а); параметра диссипации а при х = 0.4 (6).

В заключении приводятся основные выводы гю диссертационной работе.

1. Определены разброс внутренних полей и получены зависимости значения обменных полей от концентрации металлического сплава х в композитных и многослойных плёнках: композит-композит, композит- полупроводник, композит-полупроводник с компенсированными связями в при комнатной и азотной температурах.

2. Предложен метод вычисления усреднённых внутренних полей композитных плёнках в зависимости от параметра диссипации а и концентрации магнитного металлах при отсутствии внешнего постоянного магнитного поля.

3. Предложен метод расчета компонент намагниченности композитных слоев от параметров СВЧ поля и характеристик слоев для трехмерного случая с преобразованием компонент внутренних полей в Фурье пространство.

4. Смоделировано явление переориентации векторов намагниченности ансамблей эллипсоидальных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц в форме шара с кубической анизотропией при действии на них СВЧ поля. Получены спектры пороговой амплитуды переориентации вектора намагниченности для ансамблей магнитных частиц при различных значениях а и величине внутренних полей. Построены прецессионные портреты и зависимости компонент намагниченност и от времени действия СВЧ ноля.

Список публикаций по материалам диссертации

[Al] Котов, Л. Н. Магнитные и релаксационные свойства наноструктурированных пленок композит-композит/пелупроводник /' Л. Н. Котов, В. К. Турков, В. С. Власов, А. В. Голов, Ю. Е. Калинин, А. В. Ситников // Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. №4. - 2011. - С. 27-34.

[А2] Котов, Л. II О магнитной переориентации СВЧ-полем в антиферромагнитных наночастицах / Л. Н. Котов, Л. С. Носов, А. В. Голов, В. А. Усиогов // Вестник Челябинского государственного университета. Физика. Вып. 12. - 2011. - Т. 39 (254). - С. 15-18.

[A3] Асадултт, Ф. Ф. Расчет среднего поля поликристаллических ферритов / Ф. Ф. Асадуллин, JI. Н. Котов, Л. С. Носов, А. В. Голов // Вестник Челябинского университета. Физика. Челябинск: РИО ЧелГУ. Вып. 3. -2008.-Т. 25 (126).-С. 5-11.

[A4] Голов, А. В. Моделирование динамики намагниченности структуры ферромагнитных пластин / А. В. Голов, Л. С. Носов // ГОУ ВПО «Сыктывкарский государственный университет». Программа для ЭВМ. М.:ВНИТЦ, 2007. -№ 50200702575.

[А5] Голов, А. В. Исследование динамики намагниченности ферро-магнитных пластан / Л. С. Носов, JI. Н. Котов, А. В. Голов // Сборник трудов VIII

международного семинара «Магнитные фазовые переходы». Махачкала: Институт физики Дагестанского научного центра РАН. - 2007. - С. 129131.

[А6] Голов, А. В. Исследование динамики намагниченности ансамбля магнитных частиц / А. В. Голов, JI. Н. Котов, Л. С. Носов // Сборник трудов XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах». Москва: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова. - 2009. - С. 165-167.

[А7] Голов, А. В. Расчет изменения магнитной структуры системы магнитных диполей под действием радиоимпульсов магнитного ноля / А. В. Голов, В. С. Власов, Л. Н. Котов, Ф. Ф. Асадуллин // Сборник трудов XXII Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах». Астрахань: Астраханский государственный университет. -2012.-С. 383-386.

[A8J Котов, Л. Н. Об изменении магнитной структуры в композитных плёнках ВЧ и СВЧ полями / Л. Н. Котов, Л. С. Носов, А. В. Голов // Сборник трудов международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» .Махачкала: Институт физики Дагестанского научного центра (ИФ ДНЦ) РАН. - 2009. - С. 39-41.

[А9] Голов, А. В. О динамике магнитной структуры ферромагнитных пластин / А. В. Голов // X Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков (ВНКСР-10): тез. докл. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. -2006.-С. 18-19.

[А 10] Голов, А. В. Исследование перемапшчивания ферромагнитных пластин при воздействии перемешюго поля / А. В. Голов // XI Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков (ВНКСР-11): тез. докл. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. -2007. - С. 27-29.

[All] Голов, А. В. О изменении магнитной структуры частиц переменным полем / А. В. Голов // Тринадцатая Всероссийская научная конференция

студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-13). Материалы конференции, тезисы докладов / Екатеринбург - Ростов-на-Дону -Таганрог: АСФ России. - 2007. - С. 353.

[А12] Голов, А. В. Об изменении магнитной структуры ферромагнитных пластин высокочастотным полем. / Голов А.В., Котов JI.II., Носов JT.C. // XXXII Международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка-2008»: тез. докл. Екатеринбург: ИФМ УрОРАН. - 2008. - С. 175.

[А13] Golov, A.V. Change of the ferromagnetic thin films by high-frequency external field / A. V. Golov, L. N. Kotov, L. S. Nosov // Moskow International Sumposium of Magnetism (M1SM): book of abstracts. -Moscow: MGU. - 2008. - P. 176.

[A14] Голов, A R. Изменение магнитной структуры ферромагнитных неоднородных пластин высокочастотным полем / А. В. Голов // I Всероссийская молодёжная конференция «Молодёжь и наука на севере»: материалы конф. (Сыктывкар, 15 апреля 2008 г.). - Т. I. - Сыктывкар, 2008. - С.35-36.

[А15] Асадултш, Ф.Ф. Моделирование магнитной динамики ансамбля однодоменных взаимодействующих частиц / Ф. Ф. Асадуллин, В. С. Власов, С. М. Полещиков, JI. Н. Котов, А. В. Голов // Февральские чтения. Научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава Сыктывкарского лесного института по итогам научно-исследовательского работы в 2010 году: сборник трудов. Сыктывкар, 2011. С.327-331.

[А 16] Kotov, L. Changing the magnetic structure of metal-dielectric films and information recording / L. Kotov, V. Vlasov, L. Nosov, A. Golov // International Conference on Electronic Materials 2010 presented by International Union of Materials Research Societies, Korea International Exhibition Center, GyeongGi-Do, Korea. 22nd-27th August. - 2010. - P. 191.

[A 17] Котов, JI. H. Изменение магнитной структуры в композитных плёнках и их спектров при действии высокочастотных полей / Л. Н. Котов, Л. С.

Носов, В. С. Власов, А. В. Голов // Сборник трудов X международного семинара «Магнитные фазовые переходы». Махачкала: Институт физики Дагестанского научного центра (ИФ ДНЦ) РАН. - 2010. — С. 204-207.

Литература

[ 1] Lno, С All-angle negative refraction without negative effective index / Chiyan Luo, Steven G. Johnson, J. D. Joannopoulos, J. B. Pendry // Phys. Rev. B. -2002. - Vol. 65. - P. 201104 (R).

[2] Griinberg, P. Layered Magnetic Structures: Evidence for Antiferroinagnetic Coupling of Fe Layers across Cr Interlayers / P. Griinberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, H. Sowers // Phys. Rev. Lett. - 1986. - Vol. 57. - Pp. 2442-2445.

[3] Slonciawskt, J. C. Origin of biquadratic exchange in magnetic multilayers (invited) / J. C. Slonczewski // J. Appl. Phys. - 1993. - Vol. 73. - Pp. 59575962.

[4] Thompson, D. A. The future of magnetic data storage technology / D. A. Thompson, J. S. Best // IBM J. Res. and Dev.. - 2000. - V. 44., № 3. - Pp. 311-322.

[5] Fidler, J. Micromagnetic modelling - the current state of the art / J. Fidler, T. Schrefl // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2000. - V. 33. - Pp. 135-156.

[6] Coey, J. Magnetism and magnetic materials / J. Coey // Cambridge University Press. - 2009. - Pp.633.

[7] Гопдин, Б. А. Спин-фононные взаимодействия в кристаллах (ферритах) / Б. А. Голдин, Л. Н. Котов, Л. К. Зарембо, С. Н. Карпачев // Л.: Наука. -1991.-149 с.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Голов, Антон Владимирович, Сыктывкар

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

042013584^3

Голов Антон Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕИНОИ ДИНАМИКИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ЧАСТИЦ И ПЛЁНОК В СВЧ ПОЛЕ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Л. Н. Котов

Сыктывкар 2013

Оглавление

Введение..................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы...............................................................................10

1.1. Монодоменные малые ферромагнитные частицы и их ансамбли.... 10

1.2. Суперпарамагнетизм малых ферромагнитных частиц......................14

1.3. Уравнение движения и эффективные магнитные поля в группах монодоменных частиц..................................................................................20

1.3.1. Обменное поле................................................................................21

1.3.2. Магнитоупругое поле и поле анизотропии..................................23

1.3.3. Размагничивающее поле................................................................25

1.3.4. Диполь-дипольное взаимодействие между магнитными частицами...................................................................................................27

1.4. Межслойное взаимодействие в многослойных магнитных структурах......................................................................................................28

1.5. Линейный магнитный резонанс в ферромагнетиках..........................30

1.6. Магнитная релаксация и переориентация вектора намагниченности .........................................................................................................................34

1.7. Постановка задачи.................................................................................37

Глава 2. Моделирование динамики намагниченности в композитных структурах............................................................................................................39

2.1. Уравнение движения намагниченности пленки.................................39

2.2. Расчет эффективных полей композитной пленки..............................40

2.2.1. Обменное поле................................................................................40

2.2.2. Поле анизотропии...........................................................................41

2.2.3. Стохастическое тепловое поле......................................................45

2.2.4. Размагничивающие поля................................................................45

2.3. Применение быстрого преобразования Фурье в микромагнитном моделировании..............................................................................................47

2.4. Выводы по второй главе........................................................................51

Глава 3. Магнитная переориентация в группах монодоменных частиц

под действием СВЧ поля...................................................................................52

3.1. Магнитная переориентация в антиферромагнитных телах малых размеров под действием СВЧ поля.............................................................52

3.2. Магнитная переориентация под действием СВЧ поля в группах эллипсоидальных монодоменных частиц в отсутствии полей анизотропии...................................................................................................60

3.3. Магнитная переориентация под действием СВЧ поля в группах монодоменных ферромагнитных частиц кубической формы..................65

3.4. Выводы по третьей главе......................................................................74

Глава 4. ФМР и магнитные свойства композитных и многослойных пленок....................................................................................................................75

4.1. Состав и характеристики и композитных и многослойных пленок 76

4.2. Теоретическое объяснение ширины линии ФМР композитных и многослойных пленок...................................................................................82

4.2.1. Диполь-дипольное уширение........................................................87

4.2.2. Обменное сужение..........................................................................88

4.2.3. Поведение внутренних обменных полей в композитных и

многослойных пленках.............................................................................91

4.3. Расчет усреднённых полей композитных материалов.......................95

4.4. Выводы по четвертой главе................................................................103

Заключение.........................................................................................................106

Список литературы..........................................................................................107

Авторский список.............................................................................................121

Введение

Актуальность темы.

В последние десятилетия проявляется большой интерес к исследованию электродинамических свойств искусственных сред, которые могут значительно отличаться от естественных веществ [1-2]. Это может быть твердотельная магнитная среда малых размеров из малых магнитных частиц и тонкие магнитные пленки. Поверхностные и объемные свойства с учетом малых размеров этих сред приводят в определенных случаях к появлению аномальных магнитных эффектов, таких как, отличие значений магнитных моментов на поверхности от их объемных значений, осциллирующее обменное взаимодействие между соседними магнитными слоями и большой биквадратный обмен в многослойных структурах [3-8]. Необычные свойства магнитных структур этих сред вызывают интерес у инженеров при разработке и конструировании современных устройств магнитной записи, магнитных сенсоров и устройств, работающих в нелинейных режимах.

В современных магнитных накопителях информации, достигнут предел увеличения скорости записи информации, поскольку в них используются механика. Хорошим альтернативным накопителем с гораздо меньшим временем записи и доступа к информации могут стать устройства на основе записи с помощью СВЧ поля [9]. Улучшение характеристик таких носителей информации необходимых для внедрения, требует изучения нелинейной динамики намагниченности систем частиц или магнитных областей пленок и пластин при действии на них СВЧ магнитного поля. В данной работе исследована динамика вектора намагниченности магнитных частиц при сильной нелинейности и воздействии СВЧ поля. В основе исследований лежат нелинейные дифференциальные уравнения, решение которых становится возможным благодаря численным методам и новым компьютерным технологиям [10].

Направление исследований диссертации соответствует перечню, утверждённому Президиумом РАН и включающему приоритетные фундаментальные исследования. В работе затрагиваются такие направления как: «Физика конденсированного состояния вещества», «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия». Данная диссертационная работа является теоретических и экспериментальных разработок, проводимых кафедрой радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета. Работа проводилась при финансовой поддержке РФФИ (номера грантов: 06-02-17302а, 09-02-9800-р_север_а, 10-02-01327а, 12-02-01035а), а также министерства образования и науки Российской Федерации (Темплан НИР).

Цели и задачи исследований. Данная работа посвящена исследованию поведения вектора намагниченности в ферромагнитных, антиферромагнитных пластинах, композитных (металлический сплав с диэлектриком) плёнках и многослойных плёнках (слои: композит-композит, композит-полупроводник) в СВЧ полях. Цель данной работы — выявление новых нелинейных и релаксационных свойств ансамблей ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и тонких композитных и многослойных плёнок при действии на них СВЧ поля. Для этого поставлен ряд задач:

2. определение степени влияния внешних магнитных полей на ориентацию вектора намагниченности в ансамбле частиц и в магнитных частицах плёнок;

4. моделирование магнитной динамики ансамблей однодоменных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и нахождение диапазонов

частот и амплитуд СВЧ полей, при которых происходит изменение магнитной структуры ансамбля частиц; 5. определение разброса внутренних полей в ансамблях магнитных частиц с учётом обменного взаимодействия при изменении размеров и расстояния между частицами в композитных (металл-диэлектрических) и многослойных плёнках: композит-композит/полупроводник. Объект и предмет исследования.

Объект исследования — группы ферромагнитных и антиферромагнитных частиц в пластинах, плёнках и слоистых структурах. Предметом исследования является выявление магнитных материалов и определение значений амплитуд и частот СВЧ магнитных полей, при которых наблюдается переориентация векторов намагниченности в ансамблях ферромагнитных и

антиферромагнитных частиц или в отдельных магнитных областях пластин, композитных и многослойных плёнок.

Научная новизна работы. Выявлены особенности нелинейной динамики вектора намагниченности в ансамблях ферромагнитных и антиферромагнитных частиц с использованием численного решения уравнения динамики намагниченности при учете внутренних эффективных магнитных полей в Фурье-пространстве. Определены зависимости критической величины СВЧ поля, при превышении которой происходит переориентация вектора намагниченности в антиферромагнитной частице и ансамблях ферромагнитных частиц, от частоты действующего СВЧ поля и коэффициента затухания. Определены средние внутренние магнитные поля в композитных (металл -диэлектрических) плёнках в отсутствии внешнего постоянного магнитного поля.

Положения, выносимые на защиту: 1. Зависимости разброса внутренних магнитных и значений обменных полей от концентрации магнитного металлического сплава в композитных и в многослойных плёнках (чередующиеся слои: композит-композит, композит-полупроводник).

2. Зависимости усреднённого значения внутреннего магнитного поля композитного материала от параметра диссипации и значения отношения полей анизотропии и размагничивания.

3. Методика расчета уравнений нелинейной магнитной динамики для магнитных пленок с применением преобразований Фурье.

4. Зависимости компонентов вектора намагниченности и прецессионные портреты для ансамблей однодоменных эллипсоидальных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц от частоты, амплитуды СВЧ поля, параметра диссипации.

5. Спектры критической амплитуды переориентации вектора намагниченности для ансамблей ферромагнитных и антиферромагнитных частиц при различных значениях параметра диссипации и величине внутренних полей.

Научная и практическая значимость работы.

Результаты диссертационной работы вносят значительный вклад в развитие современных представлений о нелинейной динамике вектора намагниченности в частицах имеющих нано- и микро- размеры и в наноструктурированных плёнках. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем изучении СВЧ свойств магнетиков.

Предложенная модель расчета нелинейной магнитной динамики наноструктурированных материалов является универсальной и может быть распространена на другие магнитные объекты. Выявлены критические явления и эффекты в магнитной динамике в ансамблях частиц, происходящих при изменении параметров СВЧ магнитного поля, которые могут представлять интерес при создании новых устройств магнитной СВЧ записи, перестраиваемых СВЧ фильтров, сенсоров и других устройств нано- и микроэлектроники.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях и семинарах:

• на XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (Москва, 2009)

• на XXXII Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка-2008» (Екатеринбург 2008)

• на VII международном семинаре «Магнитные фазовые переходы» (Махачкала, 2007)

• на I Всероссийской молодёжной конференции «Молодёжь и наука на севере» (Сыктывкар, 2008)

• на X и XI Всероссийских научных конференция студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007)

• на XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006)

Публикации.

Личный вклад автора в приведенных результатах исследования динамики намагниченности большой группы магнитных частиц и слоистых структур заключается в выборе физических и математических моделей, разработке методики численного решения уравнений нелинейной магнитной динамики, анализе полученных результатов моделировании воздействия СВЧ поля на магнитные объединения частиц и слоистые структуры. Расчёт внутренних полей наноструктурированных однослойных и многослойных магнитных плёнок в зависимости от концентрации магнитных частиц и толщины слоев. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списков публикаций автора и цитированной литературы. Диссертация изложена на 123 страницах. Список литературы содержит 125 наименований.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации и исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, обозначены полученные в диссертации новые результаты, раскрыта научная и практическая значимость работы, описана структура диссертации.

В первой главе представлен обзор современной литературы по исследованию поведения монодоменных малых частиц и слоистых структур в магнитных полях. Рассмотрены основные динамические свойства магнитных структур.

Во второй главе рассмотрена методика численного моделирования динамики намагниченности магнитных структур. Рассмотрены методы вычисления основных слагаемых эффективного поля (обменного поля, поля анизотропии и размагничивающего поля) и методы численного решения уравнения Ландау-Лифшица.

В третьей главе изучено влияние воздействия внешнего переменного магнитного поля на поведение намагниченности системы магнитных монодоменных частиц.

В четвертой главе приведены результаты исследований зависимости характеристик ФМР от концентрации металлической фазы я: в композитных и многослойных композитных пленках, и расчеты средних значений напряженности магнитного поля композитного материала от параметра диссипации а и концентрации металлической фазы х.

В заключении приводятся основные выводы по диссертационной работе и положения, выносимые автором на защиту.

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО «Сыктывкарский государственный университет».

Глава 1. Обзор литературы

Исследование различных композитных и мелкодисперсных магнитных материалов в настоящее время представляет большой интерес среди учёных, который вызван во всё возрастающей необходимости современного общества в создании устройств на базе магнитных материалов с максимальной плотностью записи информации, а так же с разработкой новых устройств микроэлектроники и СВЧ [11-13]. Одним из интенсивно развивающихся направлений в материаловедении является создание композитных наноструктурированных материалов, которые состоят из групп монодоменных магнитных частиц малых размеров [14]. Наиболее перспективным применением этих материалов является СВЧ запись информации, так как размеры таких частиц значительно меньше размеров соответствующих элементов памяти в магнитных дисках, которые используются в настоящее время для записи информации. Современные технологии записи информации на жестких магнитных дисках обеспечивают плотность записи до 1 Тбит на квадратный дюйм, или единичная запись на кластер с линейными размерами 200-250 А, для обычных же ферромагнетиков с высокой точкой Кюри размер монодоменных частиц может составлять всего десятки ангстрем [14, 15]. То есть плотность магнитной записи можно увеличить ещё в сотни раз при уменьшении размеров элементов записи.

1.1. Монодоменные малые ферромагнитные частицы и их ансамбли

Одними из наиболее удобных объектов для получения и исследования групп монодоменных магнитных частиц малых размеров являются композитные наноструктурированные магнитные аморфно-кристаллические материалы. Особый научный интерес вызывают тонкие одно- и многослойные наноструктурированные пленки, в которые входят магнитные металлы, полупроводники и диэлектрики. Их характеризует простота получения методом

напыления и уникальная композитная структура: в сплошной среде сосуществуют две различные фазы: ферромагнитный металл - диэлектрик. Если атомная доля магнитного металла составляет меньше 40-50%, то металл в диэлектрике представлен в виде отдельных гранул нанометрового размера, разбросанных в диэлектрической матрице. Такое распределение ферромагнитных гранул и их наноразмер обуславливает появление в металл-диэлектрических �