Линейные и квадратичные магнитооптические эффекты отражения в ферритах-гранатах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЩИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕН^ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 537.632

КУЗНЕЦОВА ИРИНА МИХАЙЛОВНА

ЛИНЕЙНЫЕ И КВАДРАТИЧНЫЕ МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЭШКТЫ ОТРАЖЕНИЯ В ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ИОСКВА - 1989

Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Г.С.Кринчик, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Е.Е.Шалыгина.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник Р.З.Левитин,

кандидат физико-математических наук А.А.Костюрин.

Ведущая организация: Симферопольский государственный университет им. М.В.Фрунзе,

Защита диссертации состоится " (О " сСС&Л- 1990 года в 4С часов В^О минут на заседании специализированного совета »3 ОФГТ ( К.053.05.77 ) в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горьг, МГУ, физический факультет, аудитория _

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ" им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан " " СШ^О-С^Лл^- 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета №3 ОИТ

в МГУ им. М.В.Ломоносова, кандидат физико-математических

I. СБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми

Магнитооптический метод исследования в последние годы завоевывает все больную популярность, как способ изучения электронной структуры твердых тел. Большая чувствительность и высокая разрешающая способность метода позволяет выяснить энергетический спектр кристалла а области фундаментального поглощения, где другие методы неприменимы.

Особый интерес представляет изучение оптически изотропных кристаллов, где отсутствует собственная анизотропия (эффекты двойного лучепреломления) и магнитооптические эффекты могут наблюдаться в чистом виде. Такими материалами являются ферриты-гранаты, достаточно хорошо изученные с точки зрения их магнитных, структурных и оптических свойств. Они могут считаться модельными объектами физики магнетизма.

Появившаяся в последние годы почти совершенная технология роста монокристаллов ферритов-гранатов, в том числе ферркт-грана-товых пленок и широкое использование их в практических приложениях, например, в качестве дефлекторов, управляемых транспорантов, оперативных запомикащих устройств и т.д., способствовали развитию исследований магнитооптических свойств указанных материалов.

Экспериментальные работы, посвященные этому вопросу, выполнялись, в основной, на образцах с легкой осью намагничивания, перпендикулярной его поверхности. Магнитооптические свойства феррит-гранатовых пленок с ориентацией легкой оси в плоскости образца изучены недостаточно. Вшсте с тем указанные пленки весьма перспективны в качестве невзаимных элементов лазерных гироскопов, а также 9лементоэ интегральной оптики и оптической связи.

1-12/у

Наряду с линейнъми по намагниченности магнитооптическими эффектами большое внимание привлекают к себе и квадратичные эффекты, обусловленные магнитным линейным двулучепреломлением (МЛДП). МДДП очень чувствительно к микроскопическим свойствам магнитных кристаллов. В связи с этим оно обеспечивает эффективный способ изучения фазовых переходов и критических явлений в твердом теле, позволяет получать детальную информации о структуре энергетических уровней в магнитных кристаллах и их взаимодействии со светом, дает возможность выяснить связь материальных тензоров, характеризуюцих кристалл, с электронной структурой и энергетическим спектром магнитных ионов. Кроме того, величина МЛДП в ферритах-гранатах оказалась сопоставимой с линейными магнитооптическими эффектами, что позволило использовать этот вффект в практических приложениях.

Ранее исследования МЛДП в ферритах-гранатах проводились на проходящем через образец свете, что накладывало ограничения на допустимый спектральный диапазон. По»тому представляет интерес исследовать МЛДП на отраженном свете.

Целью работы было проведение комплексных исследований дисперсионных, угловых и ориентациокных зависимостей линейных и квадратичных по намагниченности магнитооптических эффектов отражения в перспективных для практических приложений висцутсодержащих феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания в плоскости образца и пластинках, вырезанных из монокристалла иттриевого феррита-граната параллельно кристаллографическим плоскостям (001) и (110). •

Научная новизна и практическая ценность работы

I. Проведены исследования спектров ЭЭК (экваториального эффекта Керра) и МИЭ (меридионального интенсивностного эффекта) в

висмутсодержащих феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания в плоскости образца в области энергий квантов светового излучения 1.5-3.5 эВ. Обнаружено увеличение эффектов с ростом кон. центрации висмута и незначительное уменьшение их при наличии галлия и скандия в исследованных образцах.

2. Исследованы дисперсионные, угловые и ориентационные зависимости квадратичного магнитооптического эффекта отражения - ори-ентационного магнитооптического эффекта (ОМЭ) для иттриевого феррита-граната и висмутсодержащих феррит-гранатовых пленок.

3. Доказано, что феноменологический закон анизотропии Акулова выполняется и для ОМЭ в изучаемых ферритах-гранатах.

4. Впервые для иттриевого феррита-граната в области энергий нвантов светового излучения 2-3.85 эВ определены спектральные зависимости квадратичных по намагниченности компонент тензора диэлектрической проницаемости.

5. В области прозрачности изучаемых пленок зарегистрированы линейные и квадратичные по намагниченности эффекты, обусловленные магнитооптической интерференцией. Получены формулы, описывающие эти эффекты.

Экспериментальные результаты диссертационной работы (анизотропия спектров ОМЭ, дисперсионные зависимости ЭЖ и МИЭ, а также квадратичных по намагниченности компонент тензора диэлектрической проницаемости в ферритах-гранатах) углубляют представления о природе магнитного линейного двупреломлвния и могут быть использованы при построении микроскопической теории квадратичных магнитооптических эффектов в ферродиэлектриках.

Большие магнитооптические эффекты в висмутсодержащих феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания в плоскости образца могут найти практическое применение в магнитооптических уст-

ройствах, основанных на эффектах отражения.

Результаты работы докладывались на X и XI Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (г.Рига, 1986г., г.Ташкент, 1988г.), на ХУIII Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (г.Калинин, 1988г.). Публикации

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ. Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Общий объем составляет /¿>7 страниц машинописного текста, в том числе 30 рисунков и I таблица. Библиография содержит /ЛЗ наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержаще диссертации по главам.

Первая глава имеет обзорный характер. В ней рассмотрена феноменологическая теория линейных и квадратичных магнитооптических эффектов. Обсуждаются результаты экспериментальных работ по изучению этих эффектов в ферритах-гранатах. Приведены общие положения микроскопической .теории магнитного линейного двупреломления. Дается обзор работ, в которых для объяснения природы ШЩП и его большой величины в различных ферродиэлектриках используются те или иные микроскопические механизмы: обменный, спин-орбитальный, магнитострикционный. Обосновываются задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена методике эксперимента и включает в сзбя описание усовершенствованной магнитооптической установки для ■измерения магнитооптических спектров отражения, сконструированной на базе двойного призменного монохроматора ДМР-4.

В работе применялся динамический метод. В этом случае интенсивность отраженного от образца света модулировалась с частотой, совпадающей с частотой перемагничивания образца. Регистрировалось относительное изменение интенсивности отраженного света £ = ьТ-!и, где л I и Г« - величины переменной и постоянной составляющих. С це.зьо повышения отношения "сигнал/шум" обработка результатов проводилась по большому количеству измерений. Для этого использовался микрокалькулятор "Электроника МК-64". На вход микрокалькулятора подавались переменная и постоянная составляющие. По специально заданной программе проводилась выборка по >1 измерениям с последующей математической обработкой, и со светового индикатора "МК-64" считывалось усредненное значение измеряемого магнитооптического сигнала £ . Чувствительность установки составляла 5-10"^.

Переиагничивание образцов осуществлялось с помощью специального электромагнита, имеющего две взаимно перпендикулярные пары полюсов, что позволяло при определенном подборе, переменного и постоянного токов в обмотках электромагнита измерять ЭЭК (магнитное поле перпендикулярно плоскости падения света и параллельно поверхности образца), МИЭ (магнитное поле параллельно плоскости падения света и поверхности образца), а также при повороте вектора намагниченности в плоскости образца от направления, параллельного плоскости падения света, последовательно на +90° ОМЭ, квадратичный по намагниченности. В установке предусмотрена возможность измерения магнитооптических эффектов на частоте, удвоенной по сравнению с частотой перемагничивающего поля.

2-12/у

б

ЭЭК измерялся на р-компоненте падающего света (вектор Е параллелен плоскости падения); МИЭ - при углах поляризации, промежуточных между р- и S - (вектор ВТ перпендикулярен плоскости падения); ОМЭ - как на р-, так и на s - компонентах падающего света.

Исследуемыми образцами в работе являлись ферриты-гранаты: монокристаллы и пленки. Феррит-гранатовые пленки с легкой осью намагничивания в плоскости образца были выращены методом жидко-фазной эпитаксии на подложках из гадолиний-галлиевого граната в плоскости (III) и неодим-галлиевого граната в плоскости (НО). Монокристаллы иттриевого феррита-граната изначально имели вид стержней диаметром IQrI5 мм. После рентгеновского определения кристаллографических осей из них вырезались пластинки, параллельно плоскостям (001) и (ПО). Для получения оптической поверхности пластинки полировались механически и химически, а затем для устранения механических напряжений подвергались отжигу.

В третьей главе приведены розудьтаты экспериментального исследования эффектов отражения (ЭЭК и ЬШЭУ'в феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания, параллельной поверхности образца, в диапазоне энергий квантов светового излучения 1.5 -3.5 эВ при углах падения V = 60° - 70°.

Измерения магнитооптических эффектов выполнены в диапазоне длин волн, включающем и область прозрачности. В связи с этим величина эффекта складывается из конкурирующих вкладов от эффекта отражения и фарадеевского вращения, которое испытывает свет, проходя в пленку и отражаясь от ее второй грани.

При поперечном намагничивании образцов (ЭЭК) магнитное поле перпендикулярно распространению света и фарадеевское вращение в

первом приближении отсутствует. Из частотных зависимостей S, (ш)

следует (рис.1), что ЭЭК отличен от нуля, начиная с некоторого критического значения зависящего от состава изучаемой

пленки, и практически совпадающего с высокоэнергетическим краем окна прозрачности. Увеличение концентрации висмута сопровождается смещением в область меньших энергий и увеличением эффектов. Величина ЭЖ линейно растет с увеличением концентрации висмута.

В области энергий 2.75 - 2.85 эВ для висмутсодержащих феррит-гранатовых пленок зарегистрирована особенность, которую согласно существующим представлениям связывают с переходом типа переноса заряда между тетраэдрической и октаэдрической подрегаетка-ми.

При отсутствии в пленках висмута и введении в железные под-решетки галлия и скандия происходит незначительное по сравнению с чистда иттриевьм ферритом-гранатом уменьшением величины ЭЭК, при этом все особенности спектра сохраняются.

В области 1>м < величина МИЭ определяется фарадеевским вращением и зависит от толщины. В области Ьи>> усиливает-

ся влияние эффектов отражения, .л величина МИЭ определяется составом исследуемой пленки.

Отражение света от первой и второй грани тонкопленочного образца приводит к "возникновению интерференционных явлений. Установка поляризатора на р-компоненте падающего света и введении анализатора с плоскостью поляризации под углом к плоскости поляризатора позволили оптимизовать условие наблюдения магнитооптической интерференции (рис.2).

С помощью матричного метода Джонса проведен расчет магнитооптического эффекта £ ^ при меридиональном намагничивании образцов. На рис.2 (пунктир) приведена расчетная кривая для

1-(Odu35Bln65)(FeAl)5ü12i 2-(УЪРгС<и2>2бВ10Л4(УвА1)5О.

3-(YbPrGd)2>33Bi0>67(FeAl)50124 '6-ï3(FeG«Sc)5012;

4-(YbPr)2>38Bi0#62F.5Ol2; 7-*3<Г «So>5012 ;

5-(Ybrr)2>46Bi0>54(ï.ea)5O12.

ил

Рис. 2 Спектральные зависимости

- • - V =60°, ß =75°, (Gd&^ÍFeAt)^.

- + - V =60°, fi =75°, ( образец ¡B); '

- о - =65°, yi =75°, ( образец №8);

- Л - У =65°, / =45°,

обраэиа (УВРгСо! )^^^В 0 д(РеА( ^5^12 в 0<5ластИ прозрачности (1.5-2.35 эВ), хорошо согласующаяся с экспериментальной кривой.

В четвертой главе представлены результаты исследования ОМЭ в монокристаллах иттриевогЬ феррита-граната и феррит-гранатовых пленках. Измерения были выполнены в области энергий квантов падающего излучения от 2 эВ до 4 эВ и углов падения р- и & - поляризованных волн У = 10° - 75°.

Изучались дисперсионные, угловые и ориентационные (вдоль различных кристаллографических осей) зависимости квадратичных по намагниченности магнитооптических эффектов отражения. Измерения проводились как на частоте, совпадающей с частотой перемагничива-ния образца (первая гармоника), так и на частоте, удвоенной по сравнению с частотой перемагничивания образна (вторая гармоника).

Для исследованных образцов обнаружены следующие особенности ОМЭ. Квадратичные по намагниченности магнитооптические эффекты отражения для р- и 3 - поляризаций падающего света имеют противоположные знаки. При малых углах падения значения £»/> и ^ практически одинаковы. С ростом угла падения света £»/> увеличивается, а 20/> падает, становясь близкой нулю в области углов падения ^ ~ 60°- 70°. Обнаружена анизотропия ОМЭ в ферритах- • гранатах.

Для изучаемых ферритов-гранатов были проверены полученные Акуловым и уточненные для случая ОМЭ Болотиным соотношения, описывающие ориентационные зависимости четных эффектов. Установлено, что для в пределах олибки эксперимента все основные

соотношения выполняются. Отклонение наблюдалось для висмутсодержащей феррит-гранатовой пленки в области Ьи> близкой к высокоэнергетическому краю окна прозрачности, что можно объяснить влиянием на величину ОМЭ аффектов отражения света от границы пленка-под-

ложка.

Обнаружено, что для пластинок У^Ре^О^ и висмутсодержащей [юррит-гранатовой пленки Gd. x.35®'I.65^eA'" '5^12 (плоскость (ПО)) величина ЭЭК различается на порядок, в то время как ОМЭ -всего в 2 - 3 раза. На нривбй ) для Bl - содержащей

феррит-гранатовой пленки, в отличие от (Ьи) )г отдельные

переходы в ионах хорошо разрешены и практически совпадают с особенностями в области fiu) = 2.5, 2.В, 2.9, 3.0, 3.1, 3.3, 3.45 эВ, характерными для иттриевого феррита-граната. Указанные особенности в работах Писарева и др. идентифицированы с оптическими переходами в ионах железа.

Описанный выше экспериментальный факт указывает на то, что влияние ионов висмута на линейные магнитооптические эффекты значительно сильнее, чем на квадратичные.

Исследование ЭЭК и ОМЭ в Di. -содержащих феррит-гранатовых пленках с другой кристаллографической ориентацией (плоскость (III)) подтверждает приведенный вше вывод. Кроме того, установлено, что ОМЭ в образцах с ориентацией в плоскости (III) изотропен, что согласуется с феноменологической теорией квадратичных по намагниченности магнитооптических эффектов отражения.

Проведение измерений ОМЭ при разных углах падения света на образец позволило определить для иттриевого феррита-граната в ближней ультрафиолетовой области спектральные зависимости квадратичных по намагниченности компонент тензора диэлектрической проницаемости £ .

Тензор вынужденной анизотропии для кубического кристалла обычно записывается в виде линейной комбинации диагональной и недиагональной частей диады i'l ( 6 - орт вдоль направления намагниченности):

J = Ы + ¿1 $ ,

где 2>, «с = // , а с?, и ¿1 определяют соотношение

■»

вкладов от изотропной части диады (вклад в МЛДП, зависящий от угла между намагниченностью М и электрическим вектором световой волны Е) и части, связанной с кристаллографической анизотропией ферромагнетика (вклад в МЛДП, зависящий от угла между М и Е относительно кристаллографических осей образца).

Из расчетов, проведенных Волошиным, следует, что ¿> ¡оа,) /Ьиз) + ¡1 , а = «?/. Для опре-

деления л £ и были проведены измерения указанных эффек-

тов при различных значениях угла падения света; составлена система двух уравнений с двумя неизвестными, искомши величинами которой являются и ; получены соотношения, позволяющие рассчитать и

Используя полученные формулы, магнитооптические данные и значения оптических постоянных, для (^ыли Рассчитаны спек-

тральные зависимости ( Ъи) ), &£;3 (Ъш ), л

и ¿¿¿"^(Аю). Полученные результаты приведены на рис. 3,4.

Для контроля был проведен расчет ОМЭ при углах падения света на образец V = 30°. Экспериментальная и расчетная кривые ^ Р(ссо°'1 (^ достаточно хорошо согласуются.

При измерении ОМЭ на удвоенной частоте перемагничивания образца в области прозрачности феррит-гранатовых пленок обнаружена магнитооптическая интерференция, обусловленная МЛДП. Получены расчетные формулы для наблюдаемого эффекта.

В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы.

-3

хю

б£; Л

л

Л Л ^

гз

«' \ Л

/ц'. .., ,

л/

/и !

3.7

\

\л

Х1СГ

-I

Рис. 3 Спектральные зависимости для УдРадО^ I сплошная линия - ( Ьсо ), пунктирная линия - де? (+>и) ).

Рис. 4 Спектральные зависимости для У3ре5°12; сплошная линия -¿V „в* * \ пунктирная линия - ^ ).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ и вывода

1. Проведены спектральные исследования линейных магнитооптических эффектов (ОЖ, МИЭ) в висмутсодержацих феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания в плоскости образца.

2. Экспериментально показано, что ЭЭК линейно увеличивается с ростом концентрации висмута; наличие галлия и скандия приводит к незначительному по сравнению с иттриевьм ферритом-гранатом уменьшению ЭЭК.

3. В монокристаллах иттриевого феррита-граната и висмутсодержащих феррит-гранатовых пленках изучены частотные, угловые и орнентационныа зависимости квадратичных магнитооптических эффектов отражения.

4. Доказано, что феноменологический закон анизотропии Акулова для четных эффектов выполняется и для ОМЭ в изученных ферритах-гранатах.

5. Установлено, что величина квадратичного по намагниченности магнитооптического эффекта отражения для р-поляризованных волн с уменьшением угла падения света на образец падает, а для 5 -волн растет. При нормальном падении света значения и одинаковы, но противоположны по знаку.

6. Обнаружено, что висмут слабо влияет на квадратичные магнитооптические эффекты отражения в ферритах-гранатах.

7. Впервые определены дисперсионные зависимости квадратичных по намагниченности компонент тензора диэлектрической проницаемости для в области энергий квантов светового излучения

'2.0 - 3.85 эВ.

8. В области прозрачности исследуемых пленок обнаружены линейные и квадратичные по намагниченности эффекты, обусловленные

магнитооптической интерференцией. Получены расчетные формулы этих эффектов, дающие хорошее совпадение с экспериментом.

9. Впервые обнаружена магнитооптическая интерференция, обусловленная магнитным линейным двулучепреломлением.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Чепурова Е.Е., Кузнецова И.М., Пронина Н.В. Магнитооптические эффекты в висмут-содержащих феррит-гранатовых пленках. -Тезисы докладов X Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Рига, 1986, с. 131-132.

2. Кринчик Г.С., Кузнецова И.М., Чепурова Е.Е. Квадратичный магнитооптический эффект отражения в ферритах-гранатах. - Тезисы докладов 18 Всесоюзной конференции по.физике магнитных явлений, Калинин, 1988, с. 165-166.

3. Кринчик Г.С., Кузнецова И.М., Чепурова Е.Е. Магнитное линейное двупреломление в ферритах-гранатах. - Тезисы докладов XI Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Ташкент, 1988, с. 267-268. ■

4. Кринчик Г.С., Чепурова Е.Е., Кузнецова И.М. Линейныз и квадратичные магнитооптические эффекты отражения в ферритах-гранатах. - Москва, 1989. - 59с. рукопись представлена Московским университетом. Деп. в ВИНИТИ "II" октября 1989, » 6198-В89.

5. Кринчик Г.С., Чепурова Е.Е., Кузнецова И.М., Пронина Н.В. Магнитооптические эффекты в висмутсодержащих феррит-гранатовых пленках. - Известия ВУЗов, Физика, 1989, »11, с.П-14.

Л-10502 от 03.01.90.г.Форм.изд.60Х84 1/16.

Объем 1,0 п.л.Тир.100.3ак.12/у.

шглечатник".Мосгорпечать.Н.Краснохолмская д.5.