Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов (Fe и Co)

Кочнева, Марина Юрьевна

Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов (Fe и Co) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Кочнева, Марина Юрьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.11 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов (Fe и Co)»

Автореферат диссертации на тему "Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов (Fe и Co)"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. Ломоносова

Физический факультет

УДК 537.632.3; 548:537.611.44 На правах рукописи

Кочнева Марина Юрьевна

МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Зй МЕТАЛЛОВ (Ре И Со)

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научные руководители : доктор физико-математических наук,

профессор Е. А. Ганьшина

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук,

профессор Ю. Г. Рудой

кандидат физико-математических наук, доцент Н. Е. Сырьев

Ведущая организация : Российский научный центр

"Курчатовский институт"

Защита состоится « 16 » июня 2005 года в 16:30 часов на заседании Диссертационного Совета К 501.001.02 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы Горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « 16» мая 2005 года. Ученый секретарь Совета

Кандидат физико-математических наук, И. А. Никанорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Устойчивый интерес к наноструктурам, возникший в последнее время, обусловлен возможностью значительной модификации и принципиального изменения качеств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние. Отличительная черта низкоразмерных систем в том, что их свойства определяются не только свойствами элементов, входящих в их состав, но, в большей степени, поверхностью радела и размерами объемов, формирующими подобную структуру. В новых магнитных материалах, созданных благодаря нанотехнологиям наблюдаются необычные физические явления, представляющие как самостоятельный научный интерес, так и важное практическое значение: гигантский магнитный импеданс (ГМИ), гигантское магнитосопротивление (ГМС), гигантский аномальный эффект Холла (АЭХ), аномальные оптические эффекты, сильный магнитооптический отклик. В настоящее время такие магнитные материалы повсеместно синтезируются, активно изучаются их физические свойства, решаются задачи установления природы, механизмов проявления, теоретического описания этих физических явлений. Причины повышенного внимания связаны, прежде всего, с возможностями применения наноразмерных магнитных материалов в технике, например, при создании высокочувствительных датчиков магнитного поля и температуры, устройств для записи и считывания (магнитных головок), а также хранения информации (магнитных и магнитооптических дисков). Объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований является вопрос взаимного влияния микроструктуры и магнитных, оптических и электрических свойств в пленочных наногранулированных материалах (кристаллиты, разделенные немагнитной прослойкой) на основе 3с1 металлов.

Остается большое число нерешенных проблем в таких образцах, так как трудно предсказать свойства пленок, в которых значительную роль играют взаимодействия наночастиц между собой, с матрицей и с подложкой, при огромном влиянии размерных и поверхностных эффектов, накладываемых частицами, их границами и поверхностью пленок. Изучение особенностей, связанных как с размером кристаллитов (гранул), так и с характером их пространственного распределения в нанокомпозитных пленочных сплавах

нуждается в привлечении более широкого круга методик, чем в случае исследования свойств объемных ма1ериалов.

Известно, чю исследование магнитооптических характеристик позволяет получить уникальную информацию об электронной и магнитной структуре, механизмах рассеяния носи!елей тока, характере межзопных переходов.

Таким образом, изучение магниюоптических харак!еристик нанокомпозитных материалов на основе 3(1 металлов и их пленочных и многослойных аналогов является актуальным и определяется как перспективами практического применения исследуемых сфуктур, так и фундаментальным аспектом этих исследований.

Целью данной работы явилось исследование магнитооптических свойств и их изменений вследствие температурной обработки нескольких видов новых нанокомпозитных материалов на основе 3с1 металлов-

1. аморфных лент Со66Ре4В145!,„ обладающих асимметричным эффектом ГМИ;

2. гранулированных сплавов (ГеР^ х№Ог)х, обладающих ГМС;

3. гранулированных сплавов на основе поликристаллическою Со, внедренною как диэлектрическую — ЗггьСЬ,, так и в полупроводниковую -ТЮг матрицу;

4. одномерных магнитофотонных кристаллов на основе висмут замещенного жслезоиттриевого граната В1| оУ2 >¡1 е~Ох и магнитных микрорезонаторов на основе гранулированного сплава (РеР^.х^Ю^х.

Научная новизна и практическая ценность работы состой 1 в следующем:

1. Магнитооптические методы исследований позволили без применения предварительных трудоемких обработок (стравливания, шлифования) выявить существование неоднородною по толщине анизотропною микрокристаллической слоя вблизи поверхности ренп еноаморфных лент на основе Со

2 Комплексное изучение магншных, оптических и магнитооптических свойств позволило определить, что фаювые и структурные превращения, происходящие в резулыа!е термообработки в Iранулированных сплавах на основе РеР1., зависят от концентрации ферромагнитной составляющей.

3. Обнаружено существование строго соответствия между пиком в концентрационной зависимости эффекта Керра, наблюдающимся вблизи порога перколяции в узком спектральном диапазоне, и концентрационным максимумом ма1Нитосопротивления для нанокомпозитных материалов, отличающихся друг от друга элементным составом, как матрицы, так и металлической составляющей.

4. Впервые изучено поведение магнитооптического отклика в одномерных ма! ниюфотонных кристаллах в случае отражения. Обнаружено резонансное усиление эффекта Керра в магнитофотонном кристалле на основе висмупамещенного железо-иттриевого граната в видимом диапазоне спектра.

Полученные результаты позволяют заключить, что магнитооптические исследования являются одним из эффективных меч о до в комплексной диагностики свойств наноструктур. Результаты данной работы могут быть использованы для развития технологий получения наноструктур необходимой конфигурации с заданными свойствами.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Обнаружение неоднородною по толщине анизотропного микрокристаллического слоя, формирующегося в результате термической обрабо1ке на воздухе вблизи поверхности ренненоаморфной ленты, с помощью спектральных, полевых и ориентационных зависимостей эффекта Керра. Установление корреляции между магнитными свойствами обнаруженною приповерхностною кристаллическою слоя и асимметричным поведением I игантского магнитного импеданса.

2. Результаты магнитооптических исследований пленочных образцов гранулированных сплавов 3с1 металлов в основном состоянии и после 1емпературной обработки. Обнаружение немонотонного характера поведения концентрационной зависимости ЭЭК с ярко выраженным максимумом вблизи поро] а перколяции для нанокомпозитов отличающихся друг от дру! а элементным составом, как ферромагнитной, так и диэлектрической составляющей. Наличие корреляции между концентрационными зависимос!ями

ЭОК и ГМС. Установление зависимости фазовых переходов, происходящих в сплавах (bePt)i-x(SiCb)x при отжиге, oi концентрации ферромагнитной компоненты.

3. Эффект сильного резонансного увеличения ЭЭК в узком спектральном диапазоне, соответствующем коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны, для многослойной структуры, состоящей из повторяющихся слоев висму] замещенною желеюигтриевого гранага и оксида кремния.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: 15-th Soft Magnetic Materials conference (SMM) Bilbao, Spain (2001); ISPMM/ISAMPT 2001 conference (Taiwan), 46-th Magnetism and Magnetic Materials conference (МММ) Washington (2001); международная школа-семинар «Новые ма1нитные материалы микроэлектроники» (НМММ) XVI1I/XIX, Москва (2002/2004); Moscow International Symposium on Magnetism (M1SM), Москва (2002); симпозиум «Порядок, беспорядок и свойс1ва оксидов» (ODPO), Сочи (2002, 2003); международная конференции "Функциональные материалы" (ICFM), Крым, Украина (2003), Internationa! Symposium on Advanced Magnetic Materials (ISAM2) Yokohama, Japan (2003): TUT International Workshop on novel Electromagnetic Functions of Nano-scalcd Materials, Toyohashi, lapan (2003); International Magnetics Conference (MMM-Intermag) California, USA, Nagoya, Japan (2004/2005); Euro-Asian symposium "Trends in Magnetism" (hastmag) Красноярск, Россия (2004).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях и 13 тезисах докладов, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и 4 введения, шести глав, заключения, списка литературы. Полный объем работы - 130 страниц машинописного текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы и библиографию из 125 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования рассматриваемых в диссертации проблем, сформулирована цель работы. Обозначена научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая характеристика основных разделов диссертации. Представлена степень апробации, количество публикаций и структура диссертации.

Первая 1лава диссертации представляет собой обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию свойств нанокомпозигных материалов на основе 3с1 металлов.

В параграфе I 1 обсуждается актуальность исследований наноразмерных материалов и возможности их практического применения.

В параграфе 12 описаны способы изготовления магнитных гранулированных нанокомпозитов, методы изучения их микрострук1уры и магнитных свойств.

В параграфе / 3 дан обзор ли1ературны\ источников, в которых изучается явление гигантского магнит ©сопротивления в гранулированных сплавах тина "ферромагнитных металл - диэлектрик".

В параграфе 14 приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований магнитооптических свойств магнишых наноком I юзито в.

Сделан вывод, что основной задачей в изучении панокомпозитных систем является исследование модификаций электронной, магнитной и кристаллической структуры в связи с изменением размеров структурных образований вещества. Поставлена задача - изучить изменения магпию-оптических свойств (исследование которых, как известно, может дать информацию о магнитной и электронной структуре вещества, ею фазовом

состоянии) для нескольких видов нанокомпозитных материалов в зависимости от концентрации в них ферромагнитной фазы и в результате термообработки.

В параграфе 15 обсуждаются аморфные ферромагнитные сплавы (способы из! отовлсния, методы изучения их микроструктуры и магнитной с груктуры).

В параграфе I 6 приведены работы, посвященные изучению эффекта гигантского магнитною импеданса, наблюдающегося в аморфных ферромагнитных сплавах.

Показано, что магнитооптические методы можно применигь как аффективный инструмент исследования магнитной и электронной струк!уры приповерхностного слоя веществ, обладающих Г МИ В свяш с чем поставлена задача - щучить магнитооптические характеристики аморфных леш на основе Со, обладающих асимметричным ГМИ эффектом

Во второй главе описана методика эксперимента и установка, позволяющая проводить измерения экваториального зффекта Керра в области энергий падающего света 0,5-4,5 эВ в присутствии переменного магнитного поля достигающего значений 3 кЭ. Проведен анализ ошибок эксперимента.

В третьей главе представлены результаты исследований магнитооптических свойств аморфных сплавов СоЛ6Ре4В|48115, отожженных при 1 -380 С в слабых магнитных полях. Благодаря такой термообработке в аморфных лентах удалось получить асимметричный профиль I МИ эффекта, обладающего чувствительностью к магнитному полю - 1000%/Э [1-4].

Во введении обсуждается актуальность и практическая ценность аморфных сплавов с ГМИ, а также проблемы, во ¡пикающие при исследовании подобных материалов

В параграфе 3 2 даны технические параметры методов изготовления и термической обработки аморфных лент, их состав Приведены характеристики серий исследованных образцов, содержащиеся в таблице 1

В параграфе 3 3 приведены результаты исследований спектров ЭЭК ренгеноаморфных лент на основе Со. Установлено, что форма кривых ЭЭК и величина магнитооптическою отклика сильно зависят от устовий отжита

изучаемых образцов: температуры и времени отжига, внешнего магнитного поля, среды отжига.

Показано, что изменение вида спекфальных зависимостей эффекта Керра с увеличением времени отжига (появление особенностей в области энергий падающего света hv~1,8 эВ и hv~4,5 эВ (рис.1(А))) свидетельствуют об изменении микроструктуры, точнее, о последовательном формировании и развитии микрокристаллического слоя вблизи поверхности аморфных лент. Обнаружено, что только отжиг на воздухе приводит к возникновению приповерхностного кристаллического слоя, поскольку каких-либо изменений формы кривых ЭЭК для образцов, отожженных в вакууме с увеличением времени термообработки, не наблюдалось (рис.1 (В)).

В параграфе 3 4 приведены результаты исследований магнитных свойств приповерхностною микрокристаллического слоя в рентгено-аморфных лентах.

Изучена анизотропия полевых зависимостей ЭЭК в переменном магнитном поле, направленном как вдоль оси ленты (параллельно направлению поля при отжиге), га к и перпендикулярно ей. Различие в магнитных свойствах, измеренных в двух направлениях, обнаружено уже в необработанном образце. Показано, что основной вклад в магнитную анизотропию необработанной аморфной ленты даег анизотропия формы. Установлено, что характер поведения полевых зависимостей ЭЭК отожженного образца определяется не только ею формой, но в большей степени свойствами образовавшегося в нем приповерхностного слоя, состоящего из мелких кристаллов или кристаллигов. Эки вид анизотропии исчезает в полях насыщения, составляющих -300-400 Э.

С целью более детального изучения свойств приповерхностного кристаллического слоя исследованы полевые зависимости ЭЭК одной и юй же аморфной ленты на разных длинах волн падающего света. Глубина проникновения падающею света в магнетик зависит от длины волны (Zo~?^/4nk), поэтому, исследуя полевые зависимости ЭЭК на разных длинах волн, можно получать информацию о магнитных свойствах слоев вещества разной толщины [5,6]. Обнаружено, с увеличением длины волны величина поля насыщения понижается, а наклон кривой намагничивания растет (рис. 2(А)). Такое поведение зависимостей ЭЭК о г магнитного поля

свидетельствует, что ма( нитная структура приповерхностною слоя неоднородна по толщине, и указывает, чем ближе слой расположен к поверхности, тем более магнит ожестким он является. Появление асимметричного профиля СМИ при изменении частоты переменного электрического тока связывается с обнаруженной неоднородностью по толщине микроструктуры, а соответственно и матитной структуры, приповерхностного слоя аморфной ленты.

Кроме этого измерены полевые зависимости ЭЭК для нескольких отожженных образцов на одной и той же длине волны падающего све!а (рис. 2(В)). Обнаружено, что с увеличением времени 01жша кристаллическая фа« одною и юго же поверхностного слоя становился более матнитожесткой. Эти результаты позволили проанализировать измерения

'о

* и

^ 6

Г) п

Рис 1 Спектральные зависимой и О'Ж аморфных лент Со^,! е1В(4Ч],5. отожженных в течение равного времени П~2 Э. 1^380 °С А на вендухе, В - в

—• —-не оттожжениыи

—* 20 мин — 1 час 2 часа

^ ЧаСОН

К часов

—12 часов /

р?"

В ; 20 чин 1 час 2 часа 5 часон ■36 часов

• . ^ к*

Е(эВ)

Рис. 2 Полевые ¡ависимосги относительной намагниченности А образца, 01 ожженною 2 часа Н=2Э для разных длин волн падающего света. В - не оюжженного образца и лент с временем отжига 2, 5 и 8 часов при Я.=0.62(хм

магнитоимпеданса на одной и той же частоте электрического гока (т о есть в слое одной толщины).

В результате магнигоошических исследований было установлено, что появление характерного асимметричного профиля ГМИ при определенных условиях связано с образованием в отожженной на воздухе аморфной ленте высококоэрцитивного неоднородного по толщине приповерхностного микрокристаллического слоя.

В параграфе 3 5 обсуждается анизотропия магнитооптических свойс i в, наблюдающаяся в сильных магнитных полях (свыше 2 кЭ), для серии отожженных на воздухе образцов. При шмерениях спектральных зависимое!ей ЭЭК переменное магнитное поле прикладывалось как вдоль оси ленты, так и в перпендикулярном направлении Анизотропия МО свойств проявляется для образцов, которые отжигались в магнитном поле свыше 2 часов и исчезает, если время отжига превышает 8 часов. Этот вид анизотропии, наблюдамый в полях больших поля насыщения (300-400 Э), связан с анизотропией оптических и магнитооптических свойств микрокристаллического приповерхностного слоя, точнее с анизотропией формы внутренних неоднородностей кристаллов или кристаллитов, размеры и количество которых изменяются с увеличением времени отжига.

В параграфе 3 6 приведены резулыаты температурных исследований эффекта Керра в аморфных лентах. Показано, что при следующей после отжи/а температурной обработке происходит необратимая перестройка структуры аморфного сплава, что свяюно с перераспределением и ростом микро кристаллитов вблизи его поверхности.

В параграфе 3 7 показано, что выводы, сделанные при изучении спектральных, полевых и ориентационных зависимостей ЭЭК аморфного сплава Co66Fe4BHSil5 находят подтверждение другими более трудоемкими и дорогостоящими методами исследований (Оже-спектроскопия, ренгеносрук-турные исследования, изучение свойств послойно ставленых образцов).

В заключении сформулированы основные результаты этой главы.

В четвертой главе представлены результаты исследования машитных, оптических и магнитооптических свойств гранулированных пленок (FePt)i-x(Si02)x 0 неупорядоченном состоянии и после 1емпературной обработки.

Во введении обсуждается актуальность и практическая ценность сплавов на основе РеР1:. являющихся в настоящее время наиболее перспективными материалами для ультраплотной записи информации из-за образующейся в них в процессе отжига тетрагональной Ыи структуры |7].

В параграфе 4 2 описаны особенности 1ехн0Л01ИИ изготовления и термической обработки исследуемых нанокомпозитных материалов. В таблице 2 даны концентрации диэлектрической компоненты образцов и соответствующие им значения магнитосопрогивления.

В параграфе 4 3 показано, что изменение соотношения магнитной и диэлектрической фаз сильно влияет на амплитуду и форму спектров ЭЭК гранулированного сплава (РсР1)| .х^Ю;>)>;- Спектральные зависимости образцов, в которых преобладает металлическая составляющая, имеют особенности, характерные для сплава РеР1 (рис. 3(А)). С увеличением концентрации 8Ю2 форма кривых ЭЭК значительно меняется. Подобные изменения величины и формы эффекта, вызванные вариациями состава образцов, являлись обычными и для гранулированных композитов, изученных ранее [8,9]. Наиболее сильные изменения хода спектральных зависимостей ЭЭК обнаружены для образцов (РеР1)( х(8Юг)х, концен грация диэлектрической компоненты в которых наиболее близка к порогу перколяции (Хяер~57,2%). Обнаружено, что зависимости эффекта Керра от концентрации диэлектрической компоненты (8107) в составе нанокомпозига не монотонны и демонстрируют резкий "излом" в районе Х-57,2%, наиболее сильно выраженный в ИК области спектра (рис 3(В)). Концентрационное положение максимума эффекта Керра (в узком диапазоне длин волн ИК области спектра) строго соответствует порогу перколяции, определенному при измерениях ГМС. Усиление МО отклика в ближней ИК области спектра вблизи порога перколяции обусловлено тем, что именно в этой области концентраций происходя! наиболее сильные изменения микроструктуры нанокомпозига, влекущие за собой изменения его оптических свойств, а также переход системы из суперпарамагнишого в ферромагнитное состояние.

Кроме того, обнаружено, что замена железа, входящего в состав ферромагнитной компоненты изучаемых нанокомпозитных сплавов, кобальтом (при том же самом материале диэлектрика) приводит к уменьшению

о! . ...... ................•••'()

8 I 2 3 4 5 30 45 60 75

Е(эВ) концешрация ЯЮ . %

Рис. 3 Магиитооптичсскис исследования неотожжештых композитов (1'еР1:)|_х(^02)х А спектральные зависимости ЭЭК, В концентрационные зависимости ЭЭК (для разных длин волн падают сто света) и ГМС

величины ЭЭК на порядок. Это происходит в результате ослабления межзонного перехода, обусловленного особенностями электронной структуры этих металлов.

В параграфе 4 4 представлены результаты расчета дисперсионных зависимостей диагональных (Е| и Ег) и недиагональных (е'| и £'2) компонент тензора диэлектрической проницаемости (ТДП) сплава (Г'сР1)[ х(^Ю?,)х на основе экспериментально измеренных оптических постоянных п, к и ЭЭК при двух углах падения света в энергетическом диапазоне 0,5 - 4,5 эВ. Показано, что в отличие от спектральных зависимостей ЭЭК шменение концентрации Я Юг не приводит к увеличению амплитуды спектров диагональных и недиагональных компонент ТДП. Во всем диапазоне длин волн падающею света с увеличением концентрации диэлектрической компоненты величина £ь 82 и е'1, е'г падает. Такое поведения дисперсионных зависимостей недиагональный компонент ГДП свидетельствует-значительное увеличение магнитооптического отклика вблизи порота перколяции в ИК области спектра не связано с увеличением мат нитооптической активности изучаемых нанокомпозитных материалов.

В параграфе 4 5 проведено сравнение спектральных зависимостей ЭЭК, смоделированных в рамках приближения "эффективной среды", и экспериментальных результатов. Магнитооптические спектры были рассчитаны как функция оптических и МО параметров компонент сплава, коэффициента объемного заполнения ма/питных частиц/и Л фактора формы [10], а также фактора недоматничивания среды - аи-М(Н)/Мч, где М(Н) и М, - магнитные моменты в поле Н и соответственно. Показано, что расчет в

рамках приближения "эффективной среды" позволяет описать экспериментальные кривые ЭЭК для гранулированного сплава (FePî)|.x(Si02)x в широком диапазоне концентраций. В отличие or МО данных для нанокомпозитов «аморфный металл - диэлектрик», при моделировании которых требовались более сложные методы описания магнитооптических свойств (симметризованное приближение Максвелла-Гарнетта) [9].

В параграфе 4 6 представлены результаты исследований изменений магнитооптических, оптических и магнитных свойств нанокомпозитов в связи с процессами упорядочения, происходящими в них в результате термической обработки при 70()°С Обнаружено, что отжиг по-разному влияет на поведение спектров ЭЭК пленок с концентрацией диэлектрической компоненты больше и меньше порога перколяции Значшельное увеличение МО эффекта (на порядок) наблюдается для пленок с большой концентрацией диэлектрической компонешы (рис.4). В противоположность этому амплитуда эффект Керра для пленок с Х~55,9 и 57,2% существенно уменьшается после отжига. Сравнение спектральных зависимостей мнимой часш диаюнальных компонент ТДП е2 для неупорядоченных и отожженных пленок также показывает, что термообработка в большей степени влияет на оптические свойства нанокомпозитов с Х - Х,,г/, (особенно в ИК области спекфа, где велик вклад свободных электронов) и практически не изменяет огпических парамефов пленок с большой диэлектрической составляющей. Изучение поведения кривых нама1ничивания (а также полевых зависимостей ЭЭК) для неупорядоченных и отожженных образцов показало, что после отжига некоторые гранулированные пленки становятся более мя!кими (Х< 68%) другие же наоборот более магнитожесткими (Х~ 57%) (рис. 5). В результате было установлено, что изменение магнитных, оптических и магнитооптических свойств отожженных нанокомпозитов (FePt)i xfSi02)x являйся следствием структурною перехода в упорядоченную высококоэрцитивпую структуру, происходящего только в тех материалах, металлические iранулы которых обладают достаточно большими ра¡мерами. В сплавах с малыми металлическими часгииами структурный переход не происходит, однако распределение гранул по размерам в результате отжига

Г о

л-,

Ь -з -6 -9

1 23451 2345 К>В) Г (зВ)

Рис 4 Спектры ЭЭК для неупорядоченных (полные символы) и отожженных при 700°С (пустые символы) гранулированных пленок (?еР1), х^102)х. X - концентрация диэлектрической компоненты

Рис 5 Кривые намагничивания и полевые зависимости ЭЭК (вставки) для неупорядоченных (пунктир) и отожженных при 700°С (непрерывная линия) гранулированных пленок (РеР1)| х(ХЮ?)х, X - концентрация диэлектрической компоненты.

становится более однородным, вследствие вариации размера частиц (данные исследований с помощью просвечивающет о электронного микроскопа)

В параграфе 4 7 кратко изложены основные результаты данной главы.

В пятой главе обсуждаются магнитооптические и магни го-транспортные свойства нанокомпозитов на основе поликристаллического кобальта внедренною в две различные матрицы- диэлектрическую (811120!) и полупроводниковую (ТЮ2).

Во введении показано, что в настоящее время одной из важнейших задач с точки зрения практического применения нанокомпозитов является поиск материалов, обладающих оптимальным сочетанием маг ни, о-оптических и магнитотранспортных характеристик.

В параграфе 5 2 описаны особенности технологии изготовления и термической обработки исследуемых нанокомпозитных материалов В

Х-68,9% Х=55,9% у

Л : V \ } . . . Л,/

таблице 3 даны концентрации диэлектрической компоненты образцов и соотве!ствующие им значения магнитосопротивления.

В параграфе 5 3 приведены спектральные и концентрационные зависимости эффекта Керра для 1ранулированных пленок Сох(8т2Оз)|_х и

Сохт02),.х

Обнаружено, что форма кривых ЭЭК изучаемых композитных материалов на основе Со значительно отличается от спектра ЭЭК однородного поликристаллического кобальта Более того, амплитуда магнитооптическою отклика гранулированных композитов в несколько раз превосходит величину ЭЭК для однородного образца Сравнение спектральных зависимостей ЭЭК, полученных для систем Сох(ТЮ2)| х и Сох(8т20,)| х в основном состоянии, показало, что замена материла матрицы не вызывает кардинальных изменений амплитуды и формы кривых ЭЭК. Обнаружено, что в концентрационных зависимостях ЭЭК изучаемых нанокомпозитов на основе Со наблюдаются как общие изменения, так и индивидуальные отличия К изменетгиям общего характера относится немонотонное поведение эффекта Керра при изменении концентрации ферромагнитной компоненты в составе нанокомпозита с ярко выраженным максимумом вблизи порога перколяции. К индивидуальным отличиям, определяющимся элементным составом нанокомпозитов, относятся величина и положение максимума концентрационной зависимости ЭЭК.

Также как и для сплава (ТеГН), Х(5Ю2)Х (т лава 4), для гранулированных пленок Сох^пьО^л и Сох(ТЮ2)|.х обнаружено, что положение максимума в концентрационной зависимости ЭЭК (в узком диапазоне длин волн ИК области спектра) строю соответствует порогу перколяции, определенному при измерениях магнитосопротивления (рис 6).

Сравнительные исследования магни тотранспортных свойств, проведенные в двух гранулированных сплавах на осноие поликрис гал-лического Со, различающихся друг от друга материалом диэлектрической матрицы, также свидетельствуют о том, что элементный состав матрицы сильно влияет на величину и форму максимума ГМС (рис. 6).

,0 0Г

\ • \

-8 8 В

...........^ ^ , 1{

45 60 75 40 концентрация Со (%)

30 45 60 75

концентрация Со (%)

90 30 45

Рис.6 Концентрационные зависимости ТЖ ,|дя падающего света с энергией 1 эВиГМС. А-Соха102)|-хВ- Сох(8ш203)|-х.

Параграф 5.4 посвящен изучению изменений магнитооптических и маг нитотранспортных характеристик нанокомпозиюв Сох^ттьОО! х и Соч(Т102)|-х> произошедших в результате кратковременной термообработки при 200°С. Установлено, что характер изменений величины и формы 'УЖ (так же как и поведение магнитосопротивления) при термическом воздействии зависит от материала матрицы.

В параграфе 5 5 представлены основные результаты этой главы.

В шестой главе описаны результаты исследований спектральных зависимостей ЭЭК одномерных магнитофогонных кристаллов (МФК) на основе висмут замещенного железоиттриевого граната и магнитных микрорезонаторов на основе (РеРг)| х(8Юг)х.

Во введении речь идет о перепек швах практического применения этого абсолютно нового класса магнитных материалов, в которых к настоящему моменту уже обнаружено существенное усиление фарадеевского вращения, сопровождающееся, к сожалению, сильным снижением профачности [11]. Вследствие чего изучение поведения МО отклика такого ма1 нитофотонного кристалла в случае отражения представляется интересным.

В параграфе б 2 описан процесс изготовления и термической обработки исследуемых материалов.

В параграфе 6 3 приведены результаты оптических и мат нито-оптических исследовании, па основании которых рассчитан тензор диэлектрической проницаемости однородной пленки граната В|'И|У2 ,Ре,Ох. Показано, что зги результаты хорошо согласуются с известными эксперимсн-

тальными данными [12,13], полученными для Вьсодержаших пленок ферритов гранатов ранее.

В параграфе 6 4 представлены спектральные зависимости ЭЭК магнитофотонных кристаллов, сосюящих их четырех и шести пар чередующихся слоев фанат/оксид кремния. Сильное резонансное увеличение эффеюа Керра в видимом диапазоне спектра (Ьу~2,6 эВ) зафиксировано только при изучении многослойной структуры, состоящей из четырех пар повторяющихся слоев гранат/оксид кремния в случае, когда угол падения света составляет 70° (рис 7). Приведены данные спектроскопии отражения р- поляризованного свега, демонстрирующие, что усиление МО эффекта в этой структуре проявляется в спектральном диапазоне, соответствующем коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны.

Показано, что значительное усиление МО эффекта реализуется при наиболее выгодных условиях для интерференции лучей света, испытавших множес!венные отражения внутри магнитного слоя Поскольку ишенение угла падения света при измерениях ЭЭК многослойной структуры, состоящей из четырех пар повторяющихся слоев гранат/оксид кремния, ведет к резкому уменьшению (размыванию) резонансного пика в видимом диапазоне энергий свеювой волны. Отмешм также, что увеличение числа пар слоев фанат/оксид кремния до 6 также вызывает сильные шменения формы спекфов ЭЭК, в результат чею усиление МО отклика в районе 2,6 эВ исчезает (рис. 7).

Для расчета особенностей распространения света в такой многослойной структуре был использован метод М-матриц с обобщением на эллиптические поляризованные волны [14,15] При моделировании эффекта Керра учитывались оптические свойства (дисперсионная зависимость тензора диэлектрической проницаемости для однородной пленки граната, полученная экспериментально в § б.З), толщина чередующихся слоев и условия отражения на их границах. С помощью это! о метода удалось смоделировать общих ход экспериментальных кривых ЭЭК для изучаемо! о фотонного кристалла, но пол>чить наиболее важный результа1 - резонансное усиление эффеюа Керра в узком спектральном диапазоне - не получилось.

Рис 7 Спектры ЭЭК для однородной пленки I рана 1а В1|оУ?5Ре<Ох и МФК.

состоящих из 4 и 6 пар чередующихся слоев фанат/оксид кремния

На расхождение теоретических и экспериментальных данных повлияли параметры, которые не были учтены при расчетах. Например, разное число отжигов слоев феррит-фаната или неоднородные деформации, возникающие внутри них при 1ермообрабо!ке в направлении перпендикулярном поверхности [16].

В параграфе 6 5 обсуждаются результаты измерений магнитооптических спектров для микрорезонаторов с магнитной прослойкой из нанокомпозитною ма!ериала (ТеР^.х^СУх Обнаружено, что исследуемые образцы обладают невысокими ¡качениями эффекта Керра (~10"4) во всем диапазоне длин волн падающего свет, что объясняется высоким поглощением в нанокомпозитном слое магнитного микрорезонатора. Показано, чю увеличение температуры отжига с 400 до 700°С приводит к увеличению амплитуды ЭЭК исследуемого магнйтно1 о микрорезонатора, что связано с увеличением гранул композитного сплава (магнитной прослойки микрорезонатора) и более равномерным распределением их по размерам.

В параграфе 6 б представлены основные результаты данной главы В заключении кратко сформулированы основные резулыагы диссертационной работы:

• Проведено исследование спектральных, полевых, температурных и ориентационных зависимостей ЭЭК ренгеноаморфных лент на основе Со.

—» Установлено, что в ходе отжша на воздухе вблизи поверхноаи аморфной ленты постепенно формируется и развивается неоднородный по толщине высококофцитивный микрокристаллический слой, с

существованием которого связывается увеличение ГМИ эффекта и его асимметричное поведение в полях менее 10 Э.

• Проведено комплексное исследование магнитных, оптических и магнитооптических свойств нанокомпозишых материалов (РеР1)|Х(8Ю2)х, Сох(ТЮ2)| * и Сох(8гп20з),.х в основном состоянии и после температурной обработ ки.

—> Обнаружено значительное усиление МО отклика в узком спектральном диапазоне для образцов, концентрация металлической компоненты в которых близка к порогу перколяции.

-> Максимум концентрационной зависимое!и ЭЭК строго соответствует порогу перколяции, определенному при измерениях магнито-сопрогивления для нанокомпозитов, отличающихся друг от друга элементным составом как ферромагнитной, так и диэлектрической составляющей.

—> Концентрационное положение максимума эффекта Керра определяется тем, что именно вблизи порога перколяции происходят наиболее сильные изменения микроструктуры нанокомпозита, влекущие за собой изменения его оптических свойств, а /акже переход системы из суперпарамагнитного в ферромагнитное состояние.

—> На примере сплава (РеР^, Х(ЯЮ2)Ч показано, что теоретическое моделирование спектральных зависимостей ЭЭК в приближении "эффективной среды" позволяет получить описание экспериментальных кривых в широком диапазоне концентраций.

—> Установлено, чю характер структурных изменений, происходящих в связи с процессами упорядочения при термической обработке в сплавах (РсРС)1Х(8¡02)х, определяется размерами металлических гранул .

• Впервые проведены исследования экваториального эффекта Керра для одномерных матнитофотонных кристаллов, состоящих из чередующихся слоев граната Вг^УгбРезОх и оксида кремния Sl02, и магнитных микрорезонагоров с прослойкой из гранулированного сплава (ТеР^.х^Ю-Ох

-> Зафиксировано сильное резонансное увеличение эффекта Керра в узком спектральном диапазоне, соответствующем коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны, для многослойной структуры, состоящей из четырех пар повторяющихся слоев фанат/оксид кремния

—> Показано, что значительное усиление МО эффекта реализуется при наиболее выгодных условиях для интерференции лучей света, испытавших множественные отражения внутри мат нитного слоя.

Основное содержание диссертации полностью отражено в следующих публикациях:

1. Gan'shina Е.А., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Magnetostatic and magneto-optical properties of Co-based amorphous ribbons. J. Magn. Magn. Mat. 2002, 239, 1-3, 484-486

2. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P M., Kim C.G., Kim C.O. Depth profiles of magnetic anisotropy in annealed Co-ba«ed amorphous ribbons. J. Appl. Phys. 2002, 91, 10, 8438-8440.

3. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Weak magnetic field annealing effect on magneto-optical and magnetostatic properties of Co-based amorphous ribbons. J. Magn. Magn. Mat. 2003, 254-255, 428-430.

4. Kim C.G., Rheem Y.W., Kim C.O., Yoon SS, Gan'shina Ь.Л, Kochneva M.Yu. and Zaichenko D.A. High-temperature dependence of asymmetric giant magnetoimpedance and magnetostatic properties in Co-based amorphous ribbon. J. Magn. Magn. Mat. 2003, 258-259, 170-173.

5. Gan'shina E., Aimuta K., Granovsky A.,Kochneva M., Sherbak P., Vashuk M., Nishimura K. and Inoue M. Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites EePt-Si02 J. Appl. Phys. 2004, 95, 11, 6882-6884

6. Ганынина E.A., Кочнева М.Ю., Подгорный Д.А., Щербак П.Н., Демидович Г.Б., Козлов С.Н. Структура и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозиюв пористый кремний - кобальт, ФТТ 2005, 47, 7, 1333-1337.

7. Г аньшина Е.А., Кочнева М.Ю., Вашук М.В., Щербак П.Н., Aimuta К., Inoue М. Оптические и магнитооптические свойства магнитных нанокомпозитов FePt-Si02, Ф'П 2005,47, 9.

8 Gan'shina Е., Kochneva М., Vashuk М., Vinogradov Л., Granovsky А., Guschin V., Scherbak P., Kim Ch.-O., Kim Ch.G. Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites Phys. Met. Metall. 2005, 101, 1.

9. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P M., Kim C.G., Kim C.O Weak magnetic field annealing effect on magneto-optical and magnetostatic properties of Co-based amorphous ribbons. 15-th JMM conference 2001 (Bilbao), E-12.

10. Gan'shina E.A., Perov NS, Kochncva M.Yu., Sheverdyaeva P M., Kim C.G., Kim C.O Magnetostatic and magneto-optical properties of Co-based amorphous ribbons. ISPMM/iSAMPT 2001 conference (Taiwan), AB-3, 80

11. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu, Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Depth profiles of magnetic anisotropy in annealed Co-based amorphous ribbons. 46 th МММ conference 2001 (Washington), GE-12.

12. Ганьшина Е.А., Кочнева М.Ю., Kim C.G., Kim С.О. Магнитооптические свойства аморфных лент на основе Со с асимметричным ГМИ. Труды XVIII- школы-семинара НМММ-18 2002 (Москва), 184-186.

13. Kim C.G., Rheem Y.W, Kim С.О, Yoon S.S., Ганьшина E.A., Кочнева М.Ю., Зайченко Д.Н. High-temperature dependence of asymmetric giant magnetoimpedance and magneto-optical properties in Co-based amorphous ribbons. Тезисы MISM 2002 (Москва), 129.

14. Ганьшина E.A., Кочнева М.Ю., Kim C.G., Kim С.О. Анизотропия магнитных свойств в приповерхностном слое отожженных аморфных лент на основе Со. Сборник трудов ODPO-2002 (Сочи), 1, 80-81.

15. Виноградов А.Н., Ганьшина Е.А., Гущин B.C., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Кочнева М.Ю., Перов Н.С. Магнитооптические и магнитные свойства нанокомпозитов ферромагнитный металл-пористый кремний. Сборник трудов Международного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», 2003 (Сочи), 68.

16. Gan'shina Е., Kochneva М., Vashuk М., Aimuta К, Nishimura К, Inoue М. Influence of order on magneto-optical properties of nanocomposite FePt-Si02 ICFM 2003 (Crimea, Ukraine)

17. Aimuta K., Gan'shina E., Granovsky A., Kochneva M., Tsherbak P., Vashuk M., Nishimura K., Uchida H., Inoue M. Optical and magneto-optical properties of magnetic FePt-Si02 nanocomposites 1SAM2 2003 (Yokohama, Japan) We-Q-2.

18. E. Gan'shina, K. Aimuta, A Granovsky, M. Kochneva, P. Sherbak, M. Vashuk, K. Nishimura, and M. Inoue Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-Si02. 9-th MMM-Intermag conference 2004 (California)

19. Ганьшина E А., Кочнева М.Ю., Федянин A.A., Kobayashi D., Inoue M. Экваториальный эффектKeppa в магнитном фотонном кристалле на основе железо-иттриевого граната. Труды XIX- школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 2004 (Москва) ВЦ-26, 641-642.

20. Ганьшина Е.А., Кочнева М.Ю., Подгорный Д.А., Щербак П.Н., Демидович Г.Б., Козлов С.Н. Структура и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозитов пористый кремний - кобальт. Труды XIX международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 2004 (Москва), 613-614.

21. Gan'shina Е., Kochneva М., Vashuk М., Vinogradov A., Granovsky А., Guschin V., Scherbak P., Kim Ch.-O., Kim Ch.G. Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites. Book of abstract of the International Conference Eastmag 2004, 337.

Цитируемая литература

1. Kim С G., Jang K.J , Kim H С., and Yoon S S. Asymmetric giant magnetoimpedance in field-annealed Co-based amorphous ribbon. J Appl. Phys 1999. 85, 8, 5447-5449.

2 K.J Jang, C.G Kim, S.S Yoon, К H Shin, IbEE Ггапь. Magn. 1999, 35, 3889.

3 Jang K.J , Kim С G.. Kim П.С., Yu S C., Shin K.H., Annealing temperature dependence of permeability spectra and asymmetrical giant magnetoimpedance in Co-based amorphous ribbon J. Appl. Phys. 2000,87, 9, 5260-5262.

4 Jang К J., Kim С G , Yoon S S., Yu S C, Effect of annealing field on asymmetric giant magnetoimpedance profile in Co-based amorphous ribbon, J. Magn. Magn Mater 2000, 215-216, 488-491.

5. Кринчик Г С Физика магнитных явлений М ■ Изд-во Моек ун-та, 1985, 367

6 Коепорин Л.А Кринчик Г.С, Магнитооптика, М. Знание, 1980, 50

7. J^mbeth D N„ VeJu Е.М Т, Beliesis G.N , Lee L.L, Lauglin D.E., Media for 10 Gb/in2 hard disk storage Issues and status (invited) J Appl. Phys 1996,79,8,4496-4501

8. Akinaga H., Mizuguchi M, Manago Г., Gan'shina E, Granovsky A, Rodin I, Vinogradov A , Yurasov A , Enhanced magnetooptical response of magnetic nanoclusters embedded in semiconductor J Magn. Magn. Mat 2002, 242-245,470-472

9 Ганынина E.A., Вашук M.B., Виноградов АН. и др, Эволюция оптических и магнитооптических свойств нанокомпозитов аморфный метал - диэлектрик. ЖТГФ 2004, 125, 5, 1172-1182

10. Bruggemaп D.A G Berechnung verschiedener physikalischer konstanten von heterogenen substanzen 1. Dielektrizitätskonstanten und leitfahigkeiten der mischkorper aus isotropen substanzen. Ann. Der Phys. (Leipzig) 1935,24,636-679.

! 1 Kato H., Matsushita Т., Takayama A, Egawa M, Nishimura K., Inoue M., Effect of optical losses on optical and magneto-optical properties of one-dimensional magnetophotonic crystals for use in optical isolator devices Optics Communications 2003, 219. 271-276

12. Кринчик Г.С., Крылова В A , Берленникова E В , Петров P.A , ЖОТФ 1973,65, 715

13 Москвин А С, Зенкон А.В, Висмут индуцированное усиление магнито-оптики ферритов-гранатов. Теоретический анализ, ФТТ 2002. 44, 10, 1811-1818

14 Звездин А.К., Котов В.А Магнитооптика гонких плёнок М ■ Наука 1988.

15. Виноградов А.П., Ерохин С I , Грановский А.Б., Инуе М. Полярный эффект Керра в мноюслойных системах (магнитофотонных кристаллах) Радиотехника и электроника 2004, 49, 6, 726-729.

16 Федянин А А., Ешида Т., Нишимура К., Маровский Г , Иноуэ М , Акцинетров О А , Генерация магнитоиндуцированной 1арумоники в мапштофотонных микрорезонаторах на основе феррит-гранатов, Письма в ЖТГФ 2002, 76, 8, 609-6! 3

Р1 28 6 9

РНБ Русский фонд

2006^4 11365

ООП Физ.ф-та МГУ. Заказ 72-80-05

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Кочнева, Марина Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1 Актуальность наноразмерных систем и перспективы их применения

1.2 Магнитные нанокомпозиты

1.3 Магнитосопротивление нанокомпозитных материалов

1.4 Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов

1.5 Аморфные металлические сплавы

1.6 Магнитный импеданс в аморфных ферромагнитных сплавах

ГЛАВА 2. Методика эксперимента и описание установки

2.1 Магнитооптические эффекты Керра

2.2 Экспериментальная установка для измерения экваториального эффекта Керра

2.3 Ошибки измерений

ГЛАВА 3. Магнитооптические свойства аморфных лент на основе Со, обладающих эффектом ГМИ

3.1 Введение

3.2 Образцы

3.3 Спектральные зависимости ЭЭК

3.4 Полевые зависимости ЭЭК и магнитостатические измерения

3.5 Анизотропия спектров ЭЭК

3.6 Температурные зависимости ЭЭК

3.7 Обсуждение и основные результаты

ГЛАВА 4. Магнитные, оптические и магнитооптические Свойства гранулированных сплавов на основе FePt, обладающих эффектом ГМС

4.1 Введение

4.2 Образцы

4.3 Спектральные и концентрационные зависимости ЭЭК

4.4 Тензор диэлектрической проницаемости сплава (FePt)ix(Si02)x

4.5 Сравнение смоделированных спектральных зависимостей

ЭЭК и экспериментальных результатов

4.6 Магнитооптические, оптические и магнитные свойства нанокомпозитов после термообработки

4.7 Основные результаты

ГЛАВА 5. Магнитооптические и магнитотранспортные свойства гранулированные сплавов на основе Со

5.1 Введение

5.2 Образцы

5.3 Спектральные и концентрационные зависимости ЭЭК

5.4 Влияние отжига на магнитооптические и магнитотранспортные свойства нанокомпозитных сплавов

5.5 Основные результаты

ГЛАВА 6. Магнитооптические свойства одномерных магнито фотонных кристаллов и магнитных микрорезонаторов

6.1 Введение

6.2 Образцы

6.3 Оптические и магнитооптические свойства пленки висмут содержащего железоиттриевого граната

6.4 Магнитооптические свойства одномерного магнитофотонного кристалла на основе Bii.f^.sFesOx

6.5 Магнитооптические свойства магнитного микрорезонатора на основе пленки (FePt)ioc(Si02)x

6.6 Основные результаты

Введение диссертация по физике, на тему "Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов (Fe и Co)"

Актуальность темы. Устойчивый интерес к наноструктурам, возникший в последнее время, обусловлен возможностью значительной модификации и принципиального изменения качеств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние. Отличительная черта низкоразмерных систем в том, что их свойства определяются не только свойствами элементов, входящих в их состав, но, в большей степени, поверхностью радела и размерами объемов, формирующими подобную структуру. В новых магнитных материалах, созданных благодаря нанотехнологиям, наблюдаются необычные физические явления, представляющие как самостоятельный научный интерес, так и важное практическое значение: гигантский магнитный импеданс (ГМИ), гигантское магнито-сопротивление (ГМС), гигантский аномальный эффект Холла (АЭХ), аномальные оптические эффекты, сильный магнитооптический отклик. В настоящее время такие магнитные материалы повсеместно синтезируются, активно изучаются их физические свойства, решаются задачи установления природы, механизмов проявления, теоретического описания этих физических явлений. Причины повышенного внимания связаны, прежде всего, с возможностями применения наноразмерных магнитных материалов в технике, например, при создании высокочувствительных датчиков магнитного поля и температуры, устройств для записи и считывания (магнитных головок), а также хранения информации (магнитных и магнитооптических дисков). Объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований является вопрос взаимного слияния микроструктуры и магнитных, оптических и электрических свойств в пленочных наногранулированных материалах (кристаллиты, разделенные немагнитной прослойкой) на основе 3d металла.

Известно, что исследование магнитооптических характеристик позволяет получить уникальную информацию об электронной и магнитной структуре, механизмах рассеяния носителей тока, характере межзонных переходов. Таким образом, изучение магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов и их пленочных и многослойных аналогов является актуальным и определяется как перспективами практического применения исследуемых структур, так и фундаментальным аспектом этих исследований.

1. аморфных лент Co66Fe4B14Si15, обладающих асимметричным эффектом ГМИ;

2. гранулированных сплавов (FePt)ix(Si02)x, обладающих ГМС;

3. гранулированных сплавов на основе поликристаллического Со, внедренного как диэлектрическую — Sm203, так и в полупроводниковую -ТЮг матрицу;

4. одномерных магнитофотонных кристаллов на основе висмут замещенного железоиттриевого граната Bii.oY2.5Fe5Ox и магнитных микрорезонаторов на основе (FePt)i.x(Si02)x

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. С помощью магнитооптических методов исследований выявлено существование неоднородного по толщине анизотропного нанокристаллической слоя, формирующегося вблизи поверхности рентгеноаморфных лент на основе Со в результате термообработки в слабых магнитных полях на воздухе. Установлена корреляция между магнитными свойствами обнаруженного приповерхностного нанокристаллического слоя и появлением асимметричного профиля гигантского магнитного импеданса в полях менее 10 Э.

2. Комплексное изучение магнитных, оптических и магнитооптических свойств позволило определить зависимость структурных фазовых превращений, происходящих в гранулированных сплавах на основе FePt в результате высокотемпературной обработки, от концентрации

Ф ферромагнитной составляющей.

3. Для нанокомпозитных материалов, отличающихся друг от друга элементным составом, как матрицы, так и металлической составляющей, обнаружена корреляция между пиком в концентрационной зависимости эффекта Керра, наблюдающимся вблизи порога перколяции в узком спектральном диапазоне, и концентрационным максимумом магнитосопротивления.

4. Впервые изучено поведение магнитооптического отклика в геометрии экваториального эффекта Керра (ЭЭК) для одномерных магнитофотонных кристаллов и магнитных микрорезонаторов. Обнаружено резонансное усиление эффекта Керра в магнитофотонном кристалле на основе висмут замещенного железоиттриевого граната в видимом диапазоне спектра.

Полученные результаты позволяют заключить, что магнитооптические исследования являются одним из эффективных методов комплексной диагностики свойств наноструктур. Результаты данной работы могут быть использованы для развития технологий получения наноструктур необходимой конфигурации с заданными свойствами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: 15-th Soft Magnetic Materials conference (SMM) Bilbao, Spain (2001); ISPMM/ISAMPT 2001 conference (Taiwan); 46-th Magnetism and Magnetic Materials conference (МММ) Washington (2001); международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ) XVIII/XIX, Москва (2002/2004); Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва (2002); симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO), Сочи (2002, 2003); международная конференции "Функциональные материалы" (ICFM), Крым, Украина (2003); International Symposium on Advanced Magnetic Materials (ISAM2) Yokohama, Japan

2003); TUT International Workshop on novel Electromagnetic Functions of Nano-scaled Materials, Toyohashi, Japan (2003); International Magnetics Conference (MMM-Intermag) California, USA, Nagoya, Japan (2004/2005); Euro-Asian symposium "Trends in Magnetism" (Eastmag) Красноярск, Россия

2004).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы -140 страниц машинописного текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы и библиографию из 122 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика магнитных явлений"

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

• Проведено исследование спектральных, полевых, температурных и ориентационных зависимостей ЭЭК ренгеноаморфных лент на основе Со. Установлено, что в ходе отжига на воздухе вблизи поверхности аморфной ленты постепенно формируется и развивается неоднородный по толщине высококоэрцитивный микрокристаллический слой, с существованием которого связывается увеличение ГМИ эффекта и его асимметричное поведение в полях менее 10 Э.

• Проведено комплексное исследование магнитных, оптических и магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов (FePt)j.x(Si02)x, Cox(Ti02),.x и Сох(8т2Оз)их в основном состоянии и после температурной обработки. Обнаружено значительное усиление МО отклика в узком спектральном диапазоне для образцов, концентрация металлической компоненты в которых близка к порогу перколяции.

-» Максимум концентрационной зависимости ЭЭК строго соответствует порогу перколяции, определенному при измерениях магнитосопротивления для нанокомпозитов, отличающихся друг от друга элементным составом как ферромагнитной, так и диэлектрической составляющей. Концентрационное положение максимума эффекта Керра определяется тем, что именно вблизи порога перколяции происходят наиболее сильные изменения микроструктуры нанокомпозита, влекущие за собой изменения его оптических свойств, а также переход системы из суперпарамагнитного в ферромагнитное состояние. На примере сплава (FePt)lx(Si02)x показано, что теоретическое моделирование спектральных зависимостей ЭЭК в приближении "эффективной среды" позволяет получить описание экспериментальных кривых в широком диапазоне концентраций. —> Установлено, что характер структурных изменений, происходящих в связи с процессами упорядочения при термической обработке в спла-вах (FePt)jx(Si02)x, определяется размерами металлических гранул.

• Впервые проведены исследования экваториального эффекта Керра для одномерных магнитофотонных кристаллов, состоящих из чередующихся слоев граната Bii.0Y2.5Fe5Ox и оксида кремния Si02, и магнитных микрорезонаторов с прослойкой из гранулированного сплава

FePt),.x(Si02)x. Зафиксировано сильное резонансное увеличение эффекта Керра в узком спектральном диапазоне, соответствующем коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны, для многослойной структуры, состоящей из четырех пар повторяющихся слоев гранат/оксид кремния. —> Показано, что значительное усиление МО эффекта реализуется при наиболее выгодных условиях для интерференции лучей света, испытавших множественные отражения внутри магнитного слоя.

В заключении выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю д.ф-м.н профессору Ганьшиной Елене Александровне за интересную тему диссертационной работы, внимательное руководство, постоянную поддержку и незаменимые советы.

Особую благодарность выражаю д.ф.-м.н. профессору Грановскому А.Б. за налаживание контактов с зарубежными коллегами, предоставленные возможности и ценные консультации.

Благодарю профессора Шалыгину Е.Е. и к.ф.-м.н. Перова Н.С. за помощь в работе и в решении поставленных задач.

Также благодарю весь коллектив кафедры магнетизма физического факультета МГУ за создание теплой, благоприятной для развития и творчества атмосферы.

Основное содержание диссертации полностью отражено в следующих публикациях:

2. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Depth profiles of magnetic anisotropy in annealed Co-based amorphous ribbons. J. Appl. Phys. 2002, 91, 10, 8438-8440.

4. Kim C.G., Rheem Y.W., Kim C.O., Yoon S.S., Gan'shina E.A, Kochneva M.Yu. and Zaichenko D.A. High-temperature dependence of asymmetric giant magnetoimpedance and magnetostatic properties in Co-based amorphous ribbon. J. Magn. Magn. Mat. 2003, 258-259,170-173.

5. Gan'shina E., Aimuta K., Granovsky A., Kochneva M., Sherbak P., Vashuk M., Nishimura K. and Inoue M. Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-Si02. J. Appl. Phys. 2004, 95, 11, 68826884.

6. Ганыпина E.A., Кочнева М.Ю., Подгорный Д.А., Щербак П.Н., Демидович Г.Б., Козлов С.Н. Структура и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозитов пористый кремний -кобальт, ФТТ 2005, 47, 7,1333-1337.

7. Ганыпина Е.А., Кочнева М.Ю., Вашук М.В., Щербак П.Н., Aimuta К., Inoue М. Оптические и магнитооптические свойства магнитных нанокомпозитов FePt-Si02, ФТТ 2005,47,9.

8. Gan'shina E., Kochneva M., Vashuk M., Vinogradov A., Granovsky A., Guschin V., Scherbak P., Kim Ch.-O., Kim Ch.G. Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites Phys. Met. Metall. 2005, 101, 1.

9. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Weak magnetic field annealing effect on magneto-optical and magnetostatic properties of Co-based amorphous ribbons. 15th JMM conference 2001 (Bilbao), E-12.

10. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Magnetostatic and magneto-optical properties of Co-based amorphous ribbons. ISPMM/ISAMPT 2001 conference (Taiwan), AB-3, 80.

11. Gan'shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Depth profiles of magnetic anisotropy in annealed Co-based amorphous ribbons. 46 th МММ conference 2001 (Washington), GE-12.

12. Ганышша E.A., Кочнева М.Ю., Kim C.G., Kim C.O. Магнитооптические свойства аморфных лент на основе Со с асимметричным ГМИ. Труды XVIII- школы-семинара НМММ-18 2002 (Москва), 184-186.

13. Kim C.G., Rheem Y.W., Kim C.O, Yoon S.S., Ганышша E.A., Кочнева М.Ю., Зайченко Д.Н. High-temperature dependence of asymmetric giant magnetoimpedance and magneto-optical properties in Co-based amorphous ribbons. Тезисы MISM 2002 (Москва), 129.

14. Ганыпина E.A., Кочнева М.Ю., Kim C.G., Kim C.O. Анизотропия магнитных свойств в приповерхностном слое отожженных аморфных лент на основе Со. Сборник трудов ODPO-2002 (Сочи), 1, 80-81.

15. Виноградов А.Н., Ганыпина Е.А., Гущин B.C., Демидович Г.Б., Козлов С.Н., Кочнева М.Ю., Перов Н.С. Магнитооптические и магнитные свойства нанокомпозитов ферромагнитный металл-пористый кремний. Сборник трудов Международного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», 2003 (Сочи), 68.

16. Gan'shina Е., Kochneva М., Vashuk М., Aimuta К, Nishimura К, Inoue М. Influence of order on magneto-optical properties of nanocomposite FePt-Si02 ICFM 2003 (Crimea, Ukraine)

18. E. Gan'shina, K. Aimuta, A. Granovsky, M. Kochneva, P. Sherbak, M. Vashuk, K. Nishimura, and M. Inoue Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-Si02. 9-th MMM-Intermag conference 2004 (California)

19. Ганьшина E.A., Кочнева М.Ю., Федянин A.A., Kobayashi D., Inoue M. Экваториальный эффект Керра в магнитном фотонном кристалле на основе железо-иттриевого граната. Труды XIX- школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 2004 (Москва) ВЦ-26, 641-642.

20. Ганьшина Е.А., Кочнева М.Ю., Подгорный Д.А., Щербак П.Н., Демидович Г.Б., Козлов С.Н. Структура и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозитов пористый кремний — кобальт. Труды XIX международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 2004 (Москва), 613-614.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кочнева, Марина Юрьевна, Москва

1. Путин В.В. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу, Поиск 2002, 16.

2. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С, Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологии, Нано и микросистемная техника 2003, 8, 3-13.

3. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития под ред. Роко М.К., Уильямса Р.С. и Аливисатоса П.: Пер. с англ. М.: Мир, 2002,292.

4. Глинк Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. М.: Мир, 2002, 589.

5. Вернер В.Д., Мальцев П.П., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А., Синергетика миниатюризации: микроэлектроника, микросистемная техника, наноэлектроника, Нано и микросистемная техника 2004, 7, 23-29.

6. Алфимов С.М., Быков В.А., Гребенников Е.П., Желудева С.И., Мальцев П.П., Петрунин В.Ф., Чаплыгин Ю.А., Развитие в России работ в области нанотехнологий. Нано и микросистемная техника 2004, 8, 2-4.

7. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. Отв. редактор Асеев А.Л. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2004, 368.

8. Sichel Е.К., Gittleman J.I., Zelez J., Electrochromism in the composite material Au-W03 J. Appl. Phys. Lett. 1977 31, 2, 109-111.

9. Richter S., Cachen D., Cohen S.R., Gartsman K., Lyakhovistskaya V., Nanassen V. Fabrication of sub-^m bipolar transistor structures by scanning probe microscopy, Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 13, 1868-1870.

10. Miller R.E., Shenoy V.B. Size Dependent Elastic Properties of Nano-Sized Structural Elements. Nanotechnology 2000,11, 3, 139-147.

11. Тишин A.M. Память современных компьютеров. Соросовский образовательный журнал 2001,7, 11, 116-121.

12. Aleksandrov K.S., Berman G.P., Frolov G.I., Seredkin V.A. Thermomagnetic recording on amorphous ferrimagnetic films SPIE Proc. Optical Memory and Neural Networks 1991,1621, 51-56.

13. Стоун М.Д. PC Magazine Russian Edition 1991,2,11-18.

14. McHenry M.E. Laughlin D.E. Nano-Scale Materials Development for Future Magnetic Applications. Acta mater. 2000, 48, 223-238.

15. Meldrum A., BoatnerL.A., White C.W. Nanocomposites formed by ion implantation: Recent developments and future opportunities. Nuclear Instruments and Methods in Phisics Research В 2001, 178, 7-1.

16. Chui S.T., Liongbin Hu. Theoretical investigation on the possibility of preparing left-handed materials in metallic magnetic granular composites. Phys. Rev. В 2002, 65, 144407-144413

17. Harnett C.K., Satyalakshmi K.M., Craighead H.G. Low-energy electron-beam patterning of amine-functionalized self-assembled monolayers J. Appl. Phys. Lett. 2000, 76, 17, 2446-2468.

18. Meldrum A., Haglund R.F., Boatner L.A., White C.W. Nanocomposite materials formed by ion implantation. Advanced Materials 2001, 13, 14311444.

19. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней O.B. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие. Воронеж: Издательство Воронежского гос. университета 2000, 360.

20. Negrier М., Tuaillon-Combes J., Dupuis V., Perz A., Pellarin M. and Broyer M. Magnetic nanostructures of mixed cobalt-samarium clusters. Eur. Phys. J. D 1999,9, 475-478.

21. Chien C.L. and A. Gavrin, Fabrication and magnetic properties of granular alloys, J. Appl. Phys. 1990, 67, 2, 938-942.

22. Фролов Г.И., Жигалов B.C., Жарков C.M., Польский А.И., Киргизов В.В. Микроструктура и свойства наногранулированных пленок Co-Sm-О ФТТ 2003,45, 12,2198-2203.23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33