Магнитооптические свойства периодических магнитных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

НАЩОНАЛЬНА АКАДЕМЫ НАУК УКРА1НИ «Изико-техшчний ¡нститут низьких температур ¡м Б.ГВеркша.

Г В од

Б ШОП 19В3 На правахрукопису

НОВОСАД Валентин Олексшович

УДК 537.632

МАГН1ТО ОПТИЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ПЕРЮДИЧНИХ МАГН1ТНИХ СТРУКТУР

01.04.11 - Магнетизм

АВТОРЕФЕРАТ

дисертацП' на здобуття наукового ступеня кандидата ф1зико-математичних наук

Харюв-1998

Дисертащя е рукописом

Робота виконана у Ф1зико-техшчному шепнул низьких температур ¡м.БЛ.Веркша НАНУкраши, м.Харюв

HayKOBi кер1вники: доктор ({из.-мат. наук, академж НАНУ Еременко BiKTop Валентинович (завщувач вцщшом, директор ФТ1НТ НАНУ)

кандидат ф1з.-мат. наук, с.н.с

ГПшко В1талш Володимирович

(старший науковий сшвроб1тник ФТ1НТ НАНУ)

Офщшш опоненти: доктор ф1з.-мат. наук,

Пашкевич Юрш Георпйович

(ведучий науковий сшвробггник ДонФТ1 НАНУ)

кандидат ф1з.-мат. наук

Чижик Олександр Борисович

(старший науковий сшвроб1тник ФТ1НТ НАНУ)

Провщна установа: 1нститут магнетизму HAH УкраУни , м.Ки'т

(В1'ДД1Л ф!ЗИКИ ШПВОК)

Захист шдбудеться " 16 " червня 1998р. о 16 годиш на засщанш спещал1зовано1 вчено1 ради К 02.35.03 при Ф1зико-техшчному шетитут! низьких температур ¡м. Б.ГВеркша HAH УкраУни (310164 м.Харюв, пр.Ленша , 47).

3 дисертащею можна ознайомитись у б1блютещ ФТ1НТ HAH Украши. Автореферат розшлано " 14 " травня 1998 р.

Вчений секретар спец!алазовано1 ради, доктор ф1з.-мат. наук

Сиркин е.с.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальшсть теми. Магштооптичш ефекти (ефекти Фарадея в проникаючому та ефекти Кера в вщбитому свтои) добре вщом1 ще з другоУ половини минулого стор1ччя. Перш за все, вони використовувались для отримання спектроскотчноУ шформащУ про електрони, вщповщальш за магштне упорядкування. За допомогою магштооптичних дослщжень детально вивчалися процеси намагшчування та формування магштних домешв ? магштовпорядкованих речовинах. Пор1вняно нещодавно ¡нтерес до магнитооптики зрк у зв'язку з досшдженням магштних властивостей тонких магштних шпвок. В значнш м!р1 це зумовлено прогресом в галуз1 отримання високояюсних шпвок магштних меташв та Ух сплав1в, а також усшшним застосуванням шпвкових технологш для магнггооптичного запису та збертання шформацп. Окр1м прикладного значения, штерес до даного напрямку зумовлений також цшою низкою нових цжавих ф1зичних властивостей тонких шпвок, що принципово вцф^зняють Ух В1Д масивних зразюв. Так наприклад, магштооптичш ефекти застосовувались для дослщження розкпрних квантових ефектт, що виявляються при переход! вщ трьохвим1рних до двохвим1рних зразюв.

Практично в уах попередшх доапджуваних випадках зразки мали плоску поверхню, 1 вим!рювання магштооптичних ефекпв проводилося у вщбитому чи проникаючому променях светла. Надання поверхш зразка перюдичного характеру дозволяе проводити магштооптичш вим1рювання в недзеркальнш геометр ¡У, тобто в дифрагованих променях. Спостереження магштооптичних ефект1в шд кутами зору, що недосяжш при вщбитп св1тла вщ плоскоУ поверхш, може дата додаткову ¡нформащю про магштооптичне перевипромшювання светла, а також про доменну структуру та процеси перемагшчування. Кр1м того, оптичш характеристики зразюв магштних перюдичних структур залежать ¡стотним чином вщ геометричних параметр1в та використаних матер1ал1в, змшюючи яю можна впливати на величини магштооптичних ефекпв. Детальний анашз вщомих л1тературних джерел вказуе, що магштооптичш ефекти в дифракцшнш геометр1У е досить малодослщженими як з експериментальноУ, так I з теоретичноУ точок зору (винятком е явище магштооптичноУ дифракщУ на смугових доменних структурах, що формуються природним чином в деяких

феро- та феримагштних кристалах). Тому даний напрямок дослщжень е новим в галуз1 магштооптики, i в дисертацшшй po6oTi зроблена спроба систематизованого пщходу до вивчення магштооптичних властивостей перюдичних магштних структур.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослщження магштооптичних властивостей магштних структур, результата яких представлено в дисертацшнш poöoTi, виконувались в рамках м1жнародно'1 программ розвитку сшвроб1тництва м1ж Нацюнальною Академ1ею Наук Украши (Ф1зик0-техшчний ¡нститут низьких температур ¡м.БЛ.Веркша, м.Харюв) та Нащональним Центром Наукових Досшджень Францп (Лаборатор1я Магнетизму im. JI. Нееля, м. Гренобль).

Робота виконана у Ф1зико-техшчному ¡нституп низьких температур 1м.Б.1.Верк1на HAH Укра/ни.

Мета та задач'1 дослцження. Метою дисертацшно! роботи було експериментальне та теоретичне дослщження магштооптичних властивостей магштних перюдичних структур - магнггних рельефних граток i граток магштних смуг, нанесених на немагштну шдложку. Для досягнення поставлено!' мети було необхщно:

- проведения експериментальних дослщжень поперечного та повздовж-нього магштооптичних ефект1в Кера на вказаних зразках перюдичних магштних структур в залежносп В1Д умов геометрн експерименту (поляризац1я падаючого свала, кути падшня та спостереження, взаемна ор1ентащя вектору намагшчуваност1, гратки та площини вщбиття), геометричних параметр1в зразюв (перюд i профшь гратки) та ф1зичних властивостей матер1алт (величини комплексного тензора д1електричноУ проникност1),

- проведения математичного моделювання оптичних та магштооптичних властивостей магштних рельефних граток та граток магштних смуг,

- проведения чисельних розрахунюв та ix пор1вняння з експерименталь-ними даними.

Наукова новизна отриманих результата. Вперше проведено деталь-не експериментальне дослщження магштооптичних властивостей магштних рельефних граток та граток магштних смуг в геометрн повздовжнього та поперечного магштоооптичних ефекпв Кера.

В дисертацшнш робст вперше розвинута на основ! методу Релея математична модель магштооптичних ефекга на магштних рельефних гратках та проведен! чисельш розрахунки, що яккно та кшыасно погоджуються, в рамках прийнятих допущень, з експериментом. Вперше виявлено явище пщеилення контрасту магштооптичних ефекпв на магштних перюдичних структурах. Вперше експериментально дослщжеш магштооптичш ефекти в геометра кошчноУ дифракци на гратках магштних смуг, що вщеутш в випадку вщбиття евтаа вщ зразка з плоскою поверхнею. Експериментально шдтверджена можливкть застосування магштооптичноУ дифракшТ св1тла на гратщ магштних смуг для непрямого спостереження процеав перемагшчування на субмжронному р1вш.

Практична змачимкть отриманих результалв. Штучно створеш магнит» наноструктури 1 тоню мапптш пшвки широко використовуються в сучасних оптико-електронних пристроях, тому можлившть I перспективи застосування одержаних результата представляють певний ¡нтерес. Насамперед, виявлене явище пщеилення контрасту магштооптичних ефекпв на магштних перюдичних структурах може бути використане в приладах магштооптичного запису ¡нформацп, магштооптичних датчиках та модуляторах. Подальше використання розвинутого в дисертаци методу Релея для випадку магштних рельефних граток дозволить визначити конкретш параметри, оптимальш з точки зору мапптооптичних властивостей. Практичну значимость мае також пщтверджена в дисертацшнш робот! можливкть застосування магштооптичноУ дифракци св1тла для непрямого спостереження процеав перемагшчування на субмисронному р!вш.

Особистий вклад дисертанта. Дисертант приймав активну та безпо-середню участь на вах етапах виконання даного дослщження: розробщ пщход!в та метод1в виршення поставлено}' задачу приготуванш зразюв магштних структур, експериментальних дослщженнях Тхшх магштних 1 магштооптичних властивостей, математичному моделюванш та проведенш чисельних розрахушав, обробщ отриманих результате, а також написанш наукових статей та пщготовщ доповщей на конференшях.

Апробац'ш результат!в дисертащУ. Основш науков! результати дисертаци були апробоваш на М!жнародних конференщях по магнетизму

(International Conference on Magnetism: Полыца-1994, Австрал1Я-1997), М1жнародному симпоз!ум1 по системах магшто-оптичного запису (International Symposium on Magneto-recording Systems: Шдерланди-1996), Нарад по дослщженню мапптних структур ("Reunion Thematiques GDR 1143, "Nano-structures Magnetiques": Франфя - 1994, 1995), М1жнародних конференщях по новшпм технологиям {Interantional Conference on New-leading Technologies: УкраУна, XapKiB - 1994, 1996), а також обговорювалися на семшарах наукових в1ддшв №17, №4 та №2 Ф]зико-техшчного ¡нституту низьких температур ¡м.Б.1.Веркша та Лабораторн Магнетизму ¡м.Л.Нееля (Франщя).

Публжаци. За темою дисертащ1 опублжовано 12 друкованих праць, з них 4 стагп в реферованих журналах [1-4], 7 тез М1Жнародних конференцш [5-11] та подана одна заявка на винахщ [12].

Структура та обсяг дисертацц. Дисертацшна робота складаеться з вступу, чотирьох роздшв, висновк1в, списку використаних джерел (102 найменування) та додатку до третього роздшу. Змкт роботи викладено на 120 стор1нках, 35 рисунках, 4 таблицях та 1 фотографн.

3MICT РОБОТИ

У вступ! обгрунтовано актуальшсть теми, мету, наукову новизну та практичну цшшсть дисертацшноТ роботи, особистий внесок здобувача та апробащю роботи.

У першому роздин приведено огляд po6iT, що стосуються питань експериментальних та теоретичних дослщжень магштооптичних властивостей магштних структур. Розглянуто загальновживану класифь кащю магштооптичних ефект1В та окреслено основш методолопчш шдходи для IX феноменолопчного опису.

Детальний анал1з ¡снуючих лпературних джерел вказуе на те, що окрем1 роботи, як1 присвячено вивченню магштооптичних властивостей перюдичних магштних структур в геометр1'1 вщбиття, е тшьки початком дослщжень в даному напрямку. До нишшнього часу на таких структурах проводилися експериментальш дослщження тшьки полярного ефекту Кера. Вим1рювання обмежувалися фгксованою величиною кута падшня свггла, в той час як змша кута падшня св1тла дозволяе спостер!гати магштооптичш

ефекти в дифрагованих променях пщ кутами, недосяжними при звичайному дзеркальному вщбитп. Не було дослщженно вплив геометричних та ф1зичних параметр1в зразюв на величини магштооптичних ефекпв. В жоднш з вщомих po6iT не проводилося пор1вняння результате теори та експерименту.

У першому роздш також проведено анал1з сучасних методов електромагштноУ Teopi'i дифракцн (метод Релея, диференщальш та ¡нтегральш методи) з точки зору Ух адаптащУ та подальшого розвитку для чисельного моделювання магштооптичних властивостей перюдичних MarairaHX структур. Врахування магштних властивостей дослщжуваних структур можливе тшьки шляхом введения комплексного антисиметри-чного тензору д1електричноУ проникносп, що в свою чергу неминуче призводить до суттевого ускладнення задачу оскшьки використання наближення щеальноУ гратки в цьому випадку не коректне. Тшьки в деяких суто теоретичних роботах була зроблена спроба опису магштооптичних властивостей перюдичних магштних структур.

Другий роздал присвячено методам приготування зразюв перюдичних магштних структур та дослщження ixHix властивостей. В оптичнш части Hi спектру яюсть поверхш зразюв впливае визначальним чином на Ухш оптичш та магн1тооптичн! властивост1, тому значна увага придшяеться методикам, що використовувались для приготування зразюв. Докладно розглядаються методи катодного розпилення, що застосовуються для отримання високояюсних тонких гоивок метал1в та i'xHix сплав1в. Дал1 слщуе опис метод1в та особливостей оптичноУ та електронноУ л1тографн, яю використовувались для одержання перюдичних магштних структур необхщнтх po3MipiB. Вщм^чено основш методики, що застосовувалися для дослщження структурних, х1м1чних та магштних характеристик отриманих зразюв.

Для дослщження магштооптичних властивостей зразюв перюдичних магштних структур була створена експериментальна установка, блок-схема якоУ представлена на рис.1. В якосп джерела св1тла використовувались лазери (А = 780 нм, 670 нм, 514.5 нм, 488 нм). Зразок закршлювався м1ж полюсами електромагнггу таким чином, що зовшшне магштне поле було паралельне (повздовжшй ефект Кера), або

НЧ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛ1В

ПЩСИЛЮВАЧ

ЛАЗЕР

ПОЛЯРИЗАТОР

ЗРАЗОК ЕЛЕКТРОМАГН1Т

^ У

СО-

1

ФОТОДЮД

АНАЛ13АТОР

V

ПЩСИЛЮВАЧ

^ ЕОМ

Рис.1.

перпендикулярне (поперечний ефект Кера) площиш вщбиття св1тла. Задаючий сигнал трикутно'1 форми вщ низькочастотного генератора подавався на вхщ потужного пщсилювача, який використовувався для живлення електромагшту. Електромагшт та детектор фжсувалися на роздшьних поворотних платформах гонюметру, що дозволяло 1-х обертати незалежним чином та проводи™ вим1рювання як в вщбитому, так 1 в дифрагованих променях при кутах падшня св1тла вщ СР до 90°. Поляризований промшь св1тла теля вщбиття вщ поверхш зразка попадав на рееструючий детектор, в якосп якого використовувався кремншовий нашвпровщниковий фотодюд. При дослщженш поперечного магштооптичного ефекту Кера безпосередньо вим1рювалася величина штенсивносп св1тла теля вщбиття вщ поверхш зразка. Для вимфювання повздовжнього ефекту Кера додатково використовувався апал¡затор, повернутой по вщношенню до ор1ентацн поляризатора на кут а&10°. Сигнал з фотодетектора теля пщеилення подавався через аналого-цифровий перетворювач на вхщ персонального комп'ютера. Для пщвищення чутливосп вимфювальноТ установки застосовувалося

синхронне детектування. Сигнали, що надходили на вхщ персонально! ЕОМ (величини ¡нтенсивносп дифрагованого свила та зовшшнього магниного поля) оброблялися по спещальнш nporpaMi.

У третьому роздш приводяться результата екпериментальних та теоретичних дослщжень магниооптичних ефект1в на магштних рельефних гратках. Дослщжувались декшька зразюв, яю вщр1знялись своТми геометричними розм1рами та використаними матер1алами (сплави Fe-Si, Fe-Si-Al, Y-Có). Вилпрювання проводились в геометрн поперечного магшто-оптичного ефекту Кера як у вщбитому, так i в дифрагованих променях, кутове розташування яких визначаеться р1внянням дифракцшноУ гратки, а штенсившсть залежить вщ зовшшнього магштного поля.

Експериментально було встановлено, що при нормальному падшш свила на гратку, коли у вщбитому промеш немае 3míh, пов'язаних з магнпооптичними властивостями зразка (як i у випадку вщбиття вщ плоско'1 noBepxHi MarHÍTHo'í шпвки), в дифрагованих променях свила ефект спостер1гаеться, i його величина суттево вщмшна вщ нуля. При 3míhí кута

AI/I*l(f 20С-

10(¡-

п'Л

AI/I*l(f

0 «=-/ 200

D п—2

0 п=-3 ЮС

4 п—4

0

8s -юс

-20(

0\ -30(

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Кут падшш ceirnna (i)

0 п~1 D п=-2 » п--3 4 п~4

i.i.i.i.

-90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 Кут М1Ж напрямком падаючого та дифрагованого прометв fi+i')

Рис.2

падшня величина та знак вщповщних ефекта також змшюються. На рис.2а представлена залежшсть величини поперечного ефекту Кера вщ кута падшня св1тла на зразок з величиною перюду 1.6мкм. Кутова залежшсть магшто-оптичного ефекту Кера для вщбитого вщ поверхш гратки променя

мае класичний вигляд та мало вщр1зняеться вщ випадку вщбиття вщ плоско1 поверхш. В дифрагованих променях з позитивними номерами величина магштооптичного ефекту збшьшуеться при збшьшенш кута падшня св1тла, в той час як в променях, що мають негативш номери, ефект Кера спочатку зменшуеться, при певних (для кожного променя) кутах падшня стас р!вним нулю, шсля цього змшюе свш знак та знову збшьшуеться.

Якщо представите одержан! величини поперечного магштооптичного ефекту Кера в залежноеп вщ кута м1ж напрямком падаючого та дифрагованих промешв (тобто кута (7+г'У, то вс! крив1 мають практично однаковий вигляд та загальну точку перетину, в якш магштооптичний ефект для вс1х дифрагованих промешв дор1внюе нулю (рис.26). Ця точка перетину вщповщае таким кутам падшня, при яких напрямок дифрагованих промешв протилежний напрямку падаючого променя (геометр5я .Штрова). Змша знаку величини (Л1/1)п вщносно точки (¡+1')=0 може бути пояснена нешвар1антшстю магнетиюв до операцн шверсн часу. Розглядаючи три вектори: хвильовий вектор падаючого променя, хвильовий вектор дифрагованого променя та вектор намагшчуваносп матер1алу, неважко помггити, що в випадках р1зних знаюв кута (/+0 вони утворюють праву та л1ву тршку вектор1в, вщповщно. Таким чином, змша знаку величини (№') фактично означае змшу напрямку розповсюдження свггла, що, в свою чергу, екв1валентно зм1ш знаку нед1агональних компонент тензора Д1електрично1 проникносп, або зм1ш напрямку намагшчуваносп. А в магнетиках змша знаку часу не вщповщае тшьки змии напрямку розповсюдження свила на протилежне. Додатковою вимогою е вщповщна змша напрямку намагшчуваносп. Збшьшення перюду магштноТ рельефно!" гратки прозводить до прояву аномалш Релея в кутових залежностях ефекту Кера для дифрагованих промешв високих порядюв рх кутове розташування для зразка з перюдом 3.5мкм вщзначене на рис.3 стршками), як\ пов'язаш з перерозподшом св1тловоУ енергп при зникненш дифрагованих промешв. Такого роду аномали в кутових залежностях ¡нтенсивност) дифрагованих промешв були вщом1, але 1хнш прояв в магштооптичних кривих спостер1гався нами вперше. Кр1м того, збшьшення перюду призводить до того, що при деяких кутах падшня ефект Кера в дифрагованих променях може перевищувати максимально можливе

значения, характерне при вщбигп вщ плоско! поверхш (рис.3). Наприклад, величина (А1/1)_, досягае 3.8%, що майже в два рази бшьше шж для плоскоУ шивки FeiS/. Явище пщсилення ефекту Кера на магштних рельефних гратках виявлене також вперше 1 може представляти певний штерес з прикладноТ точки зору. Профть та глибина канавок магштних рельефних граток суттево впли-вають на оптичш характеристики, а Ухнш вплив на величини поперечного магштооптичного ефекту Кера проявляеться тшь-ки за рахунок аномалш Релея.

В Роздш 3 також приведено

результата чисельного моделювання оптичних та магштооптичних властивостей магштних рельефних граток на основ1 наближеного методу Релея. Суть цього методу детально викладена в Додатку А 1 полягае в припущенш справедливое^ розклад1в дифрагованого поля у вигляд1 суми плоских електромагштних хвиль не тшьки над I всередиш гратки, але також 1 на меж1 роздшу двох середовищ, що дозволяе використати Ух для опису граничних умов, в якост1 яких вимагалось виконання умови неперервносп тангенщальних складових електричного та магштного пол1в. Магштооптичш властивос™ враховувались при визначенш дисперсшноУ залежносй компонент хвильового вектора розповсюдження дифрагованого свлгла в магштному матер1ал1 шляхом введения тензору комплексноУ проникносп £.

Ппотеза Релея справедлива тшьки за умови мало1 висоти гратки, що в свою чергу дозволяе суттево спростити математичш викладки, зробивши замшу пщштегральних експонент в результуючш систем! лшшних алгебраУчних р!внянь розкладами в ряди Фур'е та залишаючи члени

10 20 30 40 50 60 70 80 Кут пад'тня св'шча Рис.3

о

£ =

е, 0 £х 0

0 -¡е3 £, 0

)

першого порядку малосн по вщношенню до функцн, що описуе профшь гратки. Таким чином, система граничних умов зводиться до матричних р1внянь блок-д1агонального типу, 1 вдаеться отримати аналггичний вираз для амплпуди дифрагованого св1тла в залежносп вщ геометричних параметр1в гратки та комплексного тензору Д1електрично1 проникност) магштного матер1алу гратки.

Розрахунков! крив1 адекватно описують експериментальш величини штенсивностей дифрагованих промешв (рис.4) та вщповщних кутових залежностей магнггооптичних ефекпв (рис.2). Чисельно встановлено, що тшьки змша перюду гратки призводить до змши величин магштооптичних ефекпв. 1нцн параметри впливають на штенсившсть сгптла в дифрагованих променях, але не на и вщносну змшу при перемагшчуванш зразка.

Рис.4 Пор'тняння резулътат1в розрахункы кутових залежностей ттенсив-ноат свита в дифрагованих променях з експергшенталъними даними.

Збшьшення висоти гратки призводить до монотонного збшьшення ¡нтенсивносп Bcix дифрагованих промешв, а збшьшення перюду - навпаки, до ослабления ¡нтенсивносп дифрагованих промешв за рахунок збшьшення 1хнього числа та вщповщного перерозподшу енергн свггла. Найбшьше шдсилення поперечного магштооптичного ефекту Кера може бути досягнуте при дотичному падшш свила не тшьки в -1-ому дифрагованому промеш, як це було виявлено експериментально, але також i в променях бшьш високих порядюв. Необхщною вимогою при цьому е збшьшення величини перюду гратки. При деяких величинах перюду, характерних для кожного дифрагованого променя, ефекти Кера досягають свого максимуму, а шсля цього зменшуються. Причому щ максимуми мають однаков1 величини для Bcix дифрагованих промешв.

Четвертий роздш присвячено результатам вим1рювання магшто-оптичних ефект1в на зразку магштних смуг, розмщених на кремншовш пщложщ (перюд - 3.5мкм, ширина смуг - 0.5мкм, довжина смуг - 10мм, ма-тер1ал - аморфний феромагштний сплав Fe3Si). При дослщженш кутових залежностей поперечного ефекту Кера було виявлене явище значного шдсилення величин ефекпв в дифрагованих променях в пор1внянш з максимально можливою величиною, характерною для даного матер1алу. Кутова залежшсть ефекту дуже вщр1зняеться для р1зних дифрагованих промешв (рис.5, Л=б70нм). Для кожного променя спостер1гаеться максимум ефекту при певних кутах падшня: для +1-ого променя максимальна величина ефекту досягае 25% при KyTi падшня 35°. Для ¡нших промешв максимальний ефект мае також значну величину: (АШт)п=.,=14%, (AI/Im)n=+2=6%, (А1/1т) п=.2=8%. Пор1внюючи кутов1 залежное^ магштооптичного ефекту Кера та штенсивносп дифрагованих промешв, одержаних з застосуванням р1зних джерел свила, експериментально було встановлено, що максимальний ефект шдсилення проявляеться в обласп кут1в падшня, при яких штенсившсть дифрагованого свила мш1мальна.

По аналогй' з вщомим мехашзмом пщсилення в багатошарових шнвкових структурах було зроблене припущення, що шдсилення поперечного магштооптичного ефекту Кера на гратках магштних смуг вщбуваеться за рахунок ¡нтерференцй' хвиль свила, що взаемодпоть з

поверхнею магштних смуг, та хвиль св!тла, взаемод1ючих з немагштною основою. Для деяких купв падшня це призводить до значного зменшення /„ в дифрагованих променях, а величина магштооптичноУ змши ¡нтенсивноеп дифрагованого св1тла Л1 не мае при цьому локальних мш1мум{в. Таким чином, сшввщношення (Л1/1)„ значно зростае. Слщ вщм1тити, що бшьш коректно вживати термш "пщсилення контрасту магштооптичних ефекпв", оскшьки насправд1 вщбуваеться саме збшьшення вщносноУ величини (А1/1)„ Чинниками, що впливають на пщсилення контрасту ефекту, очевидно е профшь та стввщно-шення М1Ж розм1рами магштноУ та немагштноУ поверхш зразка. Аналопчне пщсилення контрасту магштооптичного ефекту Кера було експериментально одержане 1 на ¡нших довжинах хвиль видимого спектрального д1апазону, а також в геометр» повздовжнього ефекту Кера (максимальний кут повороту площини поляризащУ свода складав 0.8 е).

На гратщ магштних смуг також дослщжувався окремий випадок кошчноУ дифракцп, коли канавки гратки були ор1ентоваш перпендикулярно до площини, що мктить падаючий та вщбитий промеш, а зразок закртлювався так, що зовтшне магштне поле було направлене паралельно гратщ магштних смуг. Така ор1ентацш зразка вщповще повздовжньому магштооптичному ефекту Кера у випадку дослщження плоских магштних шпвок. Дшсно, вим1рювання, виконаш у вщбитому промеш (аналопчно до випадку дзеркального вщбиття вщ плоскоУ плавки), показали наявшеть повороту площини поляризащУ при намагшчуванш зразка, а його штенсившсть при цьому не змшювалася. В дифрагованих променях, окр1м повороту площини поляризацГУ, була виявлена також змша ¡нтенсивност1 дифрагованих промешв, величина яко'У ¡стотно залежить вщ кута падшня

А1/1ЧС?

свила. Цей магнпооптичний ефект, хоч i полягае в наявност! вщмшних вщ нуля (А1/1)п, не може розглядатися як поперечний ефект Кера, оскшьки вектор намагшчуваносп лежить в площиш падшня свила i водночас вщбуваеться поворот площини поляризаци. Геометр1я експерименту е такою, що припускае спостереження звичайного повздовжнього ефекту Кера, при якому немае змши штенсивност1 свила при намагшчуванш зразка. Тому даний ефект може вважатися новим р1зновидом магштооптичних ефекпв. Вщзначимо, однак, що класиф1кац1я вщомих магштооптичних ефекпв е в достатнш Mipi умовною, тому що Bci ефекти Кера (поперечний, повздовжнш та полярний) ticho пов'язаш m'dk собою i е лише суть частковими проявами результату взаемодп електромагнпного поля падаючо"1 свпловоТ хвил! з електронною пщсистемою магштного матер1алу.

У випадку гратки магнпних смуг магннооптичн! гистерезисш крив!, одержан! для р1зних дифрагованих промешв, ¡стотно вщр1знялись М1ж собою. Вщмшност! гистерезисних петель були пояснен! утворенням певноТ доменноТ структури в окремих магнпних смугах. Розм!ри та геометрична форма магнпних смуг дозволяють припустити, що процес перемагшчування зразка вщбуваеться шляхом формування в магштшй смуз1 зустр1чного 180 е- домена з вектором намагшчуваносп, паралельним зовн!шньому магштному полю, та послщуючого зеуву доменних стшок паралельно бшьш довгим сторонам смуги. Анал!з кривих намагн!чування гратки магнпних смуг вздовж видшених напрямюв легкого та важкого намагшчування також пщтверджуе це припущення. При проведены! математичного моделювання амплнуда и-ого дифрагованого променя була розрахована як Фур'е-перетворення вщбиваючоУ спроможност! гратки магн!тних смуг. В свою чергу, вщбиваюча спроможн!сть гратки представлялась як суперпозищя вщбиваючоТ спроможност! суцшьно!' п!дложки, геометрично'1 фазовоГ гратки та магштноТ гратки. Причому намагн!чування зразка призводить до змши тщьки коефвденту вщбиття магнпноУ гратки. Форма розрахункових кривих, одержаних у припущенш перемагшчування шляхом утворення центрального зустр!чного 180°-домена з послщуючим зеувом доменних стшок, задовшьно погоджуеться з експериментом, а величини

магштооптичних ефек-пв ¡стотно вщр1зняються. Покращення вщповщносп результат розрахунку експериментальним даним може бути досягнуте шляхом введения в запропоновану модель ряду дисперсшних параметр1в, що враховують реальну структуру зразка, оскщьки саме на дефектах може вщбуватись формування зустр^чних магштних домешв та зачеплення доменних стшок при перемагшчуванш. Найбшьш важливим таким параметром е геометричне положения центру формування зустр1чного домена. Наприклад, чисельно було показано, що за умови припущення утворення зустр!чного домена в кутку магштноУ смуги гистерезис в дифрагованих променях взагал1 не спостер!гаеться.

ОСНОВН1РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертацшнш робот1 виконано детальне дослщження магш-тооптичних властивостей перюдичних магштних структур: магштних рельефних граток 1 граток магштних смуг. Проведено анал1з л1тературних джерел по тем1 роботи та основних експериментальних методик, що застосовувалися для приготування зразюв I дослщження Ухшх властивостей. Експериментальш дослщження проводилися в геометри поперечного та повздовжнього магштооптичного ефект1в Кера для ряду зразюв, що вщр1знялися геометричними параметрами 1 використаними материалами.

Вперше були вивчеш поперечний та повздовжнш ефекти Кера на магштних рельефних гратках 1 гратках магштних смуг в дифрагованих променях високих порядюв для р1зних кут1в падшня светла. Встановлено, що при змш! кута падшня величини магштооптичних ефекпв змшюються вщ нуля (в геометрн Л1трова) 1 до величин, що можуть перевищувати максимально можлив! значения, характерш для зразктв з плоскою поверхнею. Вперше в кутових залежностях магштооптичних ефектш виявлеш аномалп Релея, що спостер1галися рашше в оптичних властивостях дифракцшних граток.

В дисертацшнш робот1 вперше за допомогою методу Релея розвинута математична модель, що описуе магштооптичш властивост1 магштних рельефних граток. На и основ1 проведено чисельш розрахунки, результата яких яккно та юльюсно погоджуються в рамках прийнятих припущень з експериментом. Теоретично та експериментально дослщжено

вплив геометричних параметр!в граток та ф1зичних властивостей матер1ал!в на величини ефишв.

Вперше виявлене явище пщсилення контрасту магнггооптичних ефект1В на магнггних рельефних гратках (коефвдент пщсилення <2) та гратках магштних смуг (коефвдент шдсилення <15) в дифракцшнш геометрп'.

Вперше були виявлеш та експериментально дослщжеш магшто-оптичш ефекти в геометрп' кошчноУ дифракцн' на гратщ магштних смуг, вщсутш в випадку вщбиття свила виз, зразка з плоскою поверхнею.

Пщтверджена можлив1сть застосування магштооптично! дифракцн CBÏraa для непрямого спостереження процес1В перемагн!чування на субм1кронному piBHi. Чисельне моделювання на ochobî методу Фурье-перетворення вщбиваючо'1 спроможност1 гратки, призводить до результат, яю яюсно погоджуються з експериментом.

Основний змкт дисертацт опубл1ковано у роботах:

1. Y.Souche, V.Novosad, B.Pannetier, O.Geoffroy, "Magneto-optical diffraction and transverse Kerr effect", J. Magn. Magn. Mater., 177-181 (1998) 1277-1278

2. В.Еременко, О.Жэфруа, В.Новосад, Б.Пантье, В.Пишко, И.Суш, "Дифракционное усиление магнитооптического эффекта Кера", Письма в ЖЭТФ, 66 (1997) 466-469

3. D.Van Labeke, A.Vial, V.Novosad, Y.Souche, M.Schlemker, A.D. Dos Santos, "Diffraction of light by a magnetic relief grating: Experimental results and calculations using the perturbation approximation to the Rayleigh method", Optics Communications 124 (1996) 519-528

4. Y.Souche, O.Geoffroy, V.Novosad, V.Pishko, B.Pannetier, "Magneto-optical diffraction by a relief grating", J.Magn.Soc.Jpn., Vol.20, Supplement No.Sl, (1996) 393-396

5. V.Novosad, V.Pishko, B.Panntier, Y.Souche, "Obtention of contrast in Longitudinal Kerr effect without analyser", International Conference on Magnetism, Abstract C2-59, 1997, Australia

6. O.Geoffroy, V. Novosad, B. Pannetier, Y. Souche, "Enhancement of the transverse Kerr effect by magneto-optical diffraction", International Conference on Magnetism, Abstract C2-58, 1997, Australia

7. В.Новосад, В.Еременко, В.Пишко, И.Суш, О.Жефруа, "Магнитная анизотропия ферромагнитной пленки, нанесенной на неметаллическую периодическую поверхность", Труды IV-ой Международной Конференции по Новейшим Технологиям, Харьков, 1995, с.88

8. Y.Souche, O.Geoffroy, V.Novosad, V.Pishko, B.Pannetier, "Magneto-optical diffraction by a relief grating", Magneto-optical Recording International Symposium (MORIS'96), Programme and Digest, Abstr.Th.P.28, 1996, Noordwijkerhout, the Netherlands

9. В.Еременко, В.Новосад, В.Пишко, Д.Живорд, И.Суш, М.Шленкер "Применение поперечного магнитооптического эффекта Керра для

исследования тонких периодических магнитных структур", Труды Ш-ей Международной Конференции по Новейшим Технологиям, Харьков,

1994, с.83

10. O.Geoffroy, D.Givord, V.Novosad, B.Pannetier, Y.Souche, "Diffraction magneto-optique par un reseau magnetique uni- et bi-dimensionnel", Reunion Thematiques GDR1143, "Nanostructures Magnetiques", Col de Porte, 8-9 June,

1995, France

11. Y.Souche, M.Schlenker, A.D.Santos, V.Novosad, "Non-specular magneto-optical Kerr effect", International Conference on Magnetism, Abstract BP.329, 1994, Warsaw, Poland

12. В.Новосад, I.Cyui, "Cnoci6 пщсилення магштооптичних ефекпв", Держпатент Укра'ши, Заявка на винахщ № 97105298, прюритет вщ 31.10.1997

Новосад В.О. Магштооптичш властивосп перюдичних мапнтних структур. Рукопис. Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата ф!зико-математичних наук за спещальшстю 01.04.11 - магнетизм. Ф1зико-техшчний шститут низьких температур ¡м Б.Г.Веркша. XapKie, УкраУна, 1998.

Дослщжувались магштооптичш властивосп вщбиваючих перюдичних магштних структур. Зразки магн!тних рельефних граток та граток магн1тних смуг, нанесених на немагнггну основу виготовлялись методами катодного розпилювання та м1крол1тографи'. Магштооптичш вимфювання, виконан1 у дифрагованих променях демонструють ряд цжавих особливостей: змша знаку ефекту Кера в reoMeTpi'i JliTpoBa, прояв аномал1й

Релея в магштооптичних кривих, можливють значного пщсилення контрасту ефекту Кера в недзеркальнш геометр п. У випадку, коли зразок е граткою магштних смуг, таю вим1рювання при деяких припущеннях дозволяють отримати додаткову статистичну ¡нформацпо про доменну структуру та процеси перемагшчування на субмжронному р1вш. Для опису експериментальних результат1в було запропоновано деюлька математичних пщход1в, що базуються на наближеному метод! Релея та скалярнш теорн дифракцй'. Було досягнуто задовшьне погодження чисельних результата з експериментальними даними.

Ключов1 слова: магштооптичш ефекти Кера, магштна рельефна гратка, гратка магштних смуг, доменна структура, метод Релея.

Новосад В.А. Магнитооптические свойства периодических магнитных структур. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. Физико-технический институт низких температур, Харьков, Украина, 1998.

Исследовались магнитооптические свойства отражающих периодических магнитных структур. Образцы магнитных рельефных решеток и решеток магнитных полос, нанесенных на немагнитную подложку, приготавливались методами катодного распыления и микролитографии. Магнитооптические измерения, выполненные в дифрагированных лучах, демонстируют ряд интересных особенностей: изменение знака эффекта Керра в геометрии Литрова, проявление аномалий Рэлея в магнитооптических кривых, возможность значительного усиления контраста магнитооптических эффектов в незеркальной геометрии. В случае, когда образец является решеткой магнитных полос, такие измерения при некоторых допущениях позволяют получить дополнительную статистическую информацию относительно доменной структуры и процессов перемагничивания на субмикронном уровне. Для описания магнито-оптических свойств периодических магнитных структур было предложено несколько математических подходов, которые базируются на приближенном методе Рэлея и скалярной теории дифракции. Было достигнуто удовлетворительное согласие численных результатов с экспериментальными данными.

Ключевые слова: магнитооптические эффекты Керра, магнитная рельефная решетка, решетка магнитных полос, доменная структура, метод Рэлея.

Novosad V.A. Magnetooptical properties of the periodical magnetic structures. Manuscript. Thesis for a candidate's degree in physical and mathematical sciences by speciality 01.04.11 - magnetism. B.Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering, Kharkov, Ukraine, 1998.

Magneto-optical properties of reflecting periodical magnetic structures were studied. The samples of the magnetic relief gratings and the gratings of magnetic stripes deposited on a non-magnetic substrate have been fabricated by sputtering and microlithography techniques. The magneto-optical measurements in diffraction beams demonstrate a number of interesting features: sign reversing of Kerr effect for the Littrow geometry, manifestation of Rayleigh anomalies in magneto-opticai effects, possibility of strong contrast enhancement of Kerr effects in non-specular geometry. When the investigated sample is a grating of magnetic stripes, such measurements under some assumptions allow to obtain additional statistical information concerning the domain structure and the magnetization reversal on submicron level. Several mathematical approaches based on a perturbative approach of the Rayleigh method and the scalar diffraction theory have been applied to describe magneto-optical properties of periodical magnetic structures. The satisfactory agreement of numerical results with experimental data was achieved.

Key words: magneto-optical Kerr effects, magnetic relief grating, grating of magnetic stripes, domain structure, Rayleigh method.

Вщповщальний за випуск ГПшко В.В.

Пщписано до друку 14.05.98 Формат 60x90 1/16. Пашр офс. №2 Офс. друк.

Ум. друк. акр. 1,0 Тираж 100 прим. Замовлення № 75 Ф1зико-техшчний шститут низьких температур ¡м БЛ.Веркша.

УкраУна, 310164 Харюв, пр.Ленша 47

Ротапринт друкарш ФТ1НТ 310164 Харюв, пр.Ленша 47