Нестехиометрия и дефекты структуры в монокристаллах и пленках ферритов-гранатов, легированных ионами Ca2+ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ЧИТАНОВ ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ

НЕСТЕХИОМЕТРИЯ И ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ И ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ Са2+

Специальность 01.04.10: физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

5 ДЕК ¿013

00554183Ь

Москва-2013

005541836

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» Кафедра технологии материалов электроники

Научный руководитель: Заведующий кафедрой Технологии материалов электроники

НИТУ «МИСиС»

доктор физико-математических наук, доцент, Костишин Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор,

Звездин Анатолий Константинович (ИОФ им. A.M. Прохорова РАН)

доктор физико-математических наук, профессор, Степович Михаил Адольфович

(Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

(Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г. на заседании диссертационного совета Д 212.132.06 в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» по адресу: 119049, г. Москва, Крымский вал, д. 3, ауд. 212.

Отзывы на автореферат и диссертацию отправлять по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4, НИТУ «МИСиС», подразделение 219

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИТУ «МИСиС»

Автореферат разослан «24» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук, профессор Ковалев Алексей Николаевич

Общая характеристика работы Актуальность. В последнее время наметилось новое направление — спинтроника с использованием ферритов-гранатов. Приборы нового поколения спиновой наноэлектроники на сверхвысоких частотах представляют собой гетерогенные структуры. Они характеризуются многофункциональностью (совмещают фильтрацию, задержку сигнала и другие функции), обладают высоким быстродействием при управлении параметрами прибора и легко интегрируются в радиотехнические устройства. Основной элемент спинволнового прибора -волноведущая линия, в качестве которой используется пленка железо-иттриевого граната (ЖИГ) состава У3Рс50|2.

Для управления свойствами монокристаллов и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-граиатов (ЭМПФГ) (в частности, для осуществления зарядовой компенсации ионов Ме4+) широко используется легирование нонами Са2+. При использовании легирования Са2+ - Ме4+ в кристаллической решетке пленки сложно достичь полного равенства концентрации ионов Са2+ и Ме4+, что приводит к нарушениям стехиометрии по составу, реализации различных механизмов зарядовой компенсации и, в результате - к понижению эксплуатационных параметров объектов исследований. Отклонение от стехиометрии при неизовалентном замещении в ферритах-гранатах, используемом для получения необходимых физических и магшгшых свойств, также приводит к количественным и качественным изменениям присутствующих дефектов. Для пленок магнитных гранатов ввиду сложного химического состава и структуры, характерно наличие огромного разнообразия возможных видов дефектов, наименее изученными из которых остаются дефекты анионной подрешеткн. Несмотря на наличие в научной литературе огромного количества публикаций по изучению поведения ионов Са2+ в магнитных гранатах, на сегодняшний день нет единого взгляда и понимания природы зарядовой компенсации кальция, структуры и свойств дефектов, образовавшихся в результате неизовалентного замещения в номинально чистых кристаллах УзГезОп и сложнозамещенных оксидах на его основе.

Несомненно, что использование магнитных гранатов, в частности эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов в приборах микро- и наноэлектроники, предопределяет необходимость выяснения природы и понимания влияния неизовалетного замещения на кристаллохимическую структуру, энергетическое состояние дефектов и физические свойства данных материалов.

Также очень важно, что в пленках можно реализовать структурные состояния, которые трудно или невозможно получать в обычных (массивных или объемных) магнитных образцах. Это существенно расширяет возможности исследования связи между структурными характеристиками и физическими свойствами магнитных материалов. Изучение физических

свойств ферромагнитных пленок также актуально с точки зрения их практического применения в микроэлектронике и вычислительной технике. Одним из важных применений пленок остается их использование в качестве магнитной среды для записи и хранения информации. Пели и задачи работы. Исходя из проведенного анализа литературных источников, цели

диссертационной работы состояли в следующем:

1 Разработать методы наведения высококоэрцитивного состояния в плёнках магнитных гранатов для термомагнитной записи информации;

2 Изучить изменения структуры и свойств в монокристаллах и пленках ферритов-гранатов при неизовалентном замещении ионами Са2 ;

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение природы высококоэрцитивного состояния в плёнках магнитных гранатов наиболее отработанных в технологическом плане составов;

- изучение оптических, магнитных и электрофизических характеристик и процесса перемагничивания эпитаксиальных пленок висмут-содержащих ферритов-гранатов,

п 2+

легированных неизовалентнои примесью са .

- выяснение природы и структуры дефектов, в том числе образовавшихся в результате роста, в имеющихся образцах монокристаллов У3Рс50,2: Са2+ и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ВГГтЬЦЧ'СаЪО,,: Са2+, методами термоактивационной токовой спектроскопии;

- разработка установки термоактивационной токовой спектроскопии, способной фиксировать тсрмостимулированные токи в широком диапазоне значений в режиме линейного нагрева, скорость которого можно регулировать;

- определение энергии активации и других электрофизических параметров дефектов по спектрам ТСТ и установление механизмов зарядовой компенсации сверхстехиометрических ионов Са2+ в железо-итгриевом гранате У3Рс50,2 и эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов (ВП'т)5(РсОа)50|2.

Научная новизна работы:

1 Установлена природа высококоэрцитивного состояния в пленках магнитных гранатов при их легировании ионами Са2+, формировании напряжений рассогласования, а также при

обработке в отрицательном коронном разряде.

2 Впервые методами ТСТП и ТСТП КЗ изучен энергетический спектр электрически активных центров в монокристалле железо-итгриевого граната (ЖИГ) состава У,Ре50,2: Са2+ выращенного методом управляемой кристаллизации и ЭМПФГ (ВГГп1)3(РеС.а)>0|2: Са выращенных методом ЖФЭ из раствора в расплаве на подложках Са3Са5012 кристаллографической ориентации <Ш> при использовании бессвинцового Вь

содержащего флюса.

3 Впервые в монокристаллах УзРс50|2: Са2+ обнаружена группа пиков с температурным положением 342-422 К, что соответствует уровням захвата с энергетическим положением 0,67 - 0,83 эВ.

4 Впервые экспериментально установлено, что спектр термостимулированных токов феррит-гранатовых пленок (В1Тт)з(РеСа)50|2: Са2+ формируется 36-ю локальными центрами, создающими в запрещенной зоне глубокие уровни захвата с энергетическим положением от 0,69 эВ до 1,25 >В.

Практическая значимость работы:

Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение для спиновой микро- и

наноэлектроники, прикладной магнитооптики, СВЧ-электроники, материаловедения ферритов,

магнитной микроэлектроники, физики диэлектриков. Конкретно практическая значимость

заключается в следующем:

1 Разработана, изготовлена и используется на кафедре ТМЭ автоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии для исследования электрически активных дефектов в широкозонных полупроводниках и диэлектриках.

2 Разработаны методы наведения высококоэрцитивного состояния в плёнках магнитных фанатов при их легировании ионами Са2+, формировании напряжений рассогласования, а также при обработке в отрицательном коронном разряде;

3 Разработан магнитооптический материал с содержанием 0,1 - 0,4 формульных единиц ионов Са2+ (Патент РФ № 2431205) или ионов (Заявка на патент № 2012157705/090921), имеющий высокую магнитооптическую добротность (56 - 60) град/дБ при X = 0,8 мкм, (350 -380) град/дБ при /. 1,3 мкм, коэрцитивную силу - (2,5 - 15,3) 9 и позволяющий получать методом термомагнитной записи высококонтрастные изображения.

4 Предложен способ получения наноразмерных пленок В(-содержащих ферритов-гранатов (Заявка на патент РФ № 2013143532/067006), позволяющий повысить качество получаемых наноразмерных пленок [¡¡-содержащих ферритов-фанатов, а также величину удельного фарадеевского вращения.

Основные положения, выноснмые на защиту:

- природа наведенного высококоэрцитивного состояния в пленках магнитных гранатов для термомагнитной записи информации;

- результаты комплексного исследования структуры и свойств монокристаллов УзГе^О^: Са2' и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-фанатов (В1Тт);(Г-еОаЬО|2: Са2+;

- результаты изучения энергетического спектра электрически активных центров в монокристаллах У^-'е^Оп: Са2<\ выращенного методом управляемой кристаллизации и

ЭМПФГ (BiTm)3(FeGa)50i2: Са2+, выращенных методом ЖФЭ из раствора в расплаве на подложках GdiGa^On кристаллографической ориентации <111> при использовании бессвинцового Bi-содержащего флюса; - механизмы зарядовой компенсации сверхсгехиометрических ионов Са2+ в монокристаллах Y3Fe5Oi2 и эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов (BiTm)3(FeGa)5Oi2. Личный вклад автора:

Автор принимал участие в постановке задач и выборе объектов исследования. При его активном участии разработана, изготовлена и используется на кафедре ТМЭ автоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии, а также получены и обработаны результаты исследований оптических, магнитных, электрофизических свойств железо-итгриевого граната Y3FesOi2: Са2+ и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (BiTm)3(FeGa)50|2: Ca2t. Читанов Д.Н. принимал непосредственное участие при обработке результатов для представления научных публикаций в печать. Отдельные результаты работы получены и опубликованы в печати в соавторстве с сотрудниками НИТУ МИСиС, Львовского ИППММ HAH Украины, Астраханского государственного университета, НПО «Карат», ГО «НПЦ HAH Беларуси по материаловедению». Апробация работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Eurodim 2010 1 Ith Europhysikal Conference on Defects in Insulating Materials (PECS, Hungary, 12-16 July 2010); X Юбилейная международная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (г. Ставрополь, 17-22 октября 2010 г.); XIV Национальная конференция по росту кристаллов и IV Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» (объединенная) (г. Москва, 17-22 октября 2010 г.); V Всероссийская конференция ФАГРАН-2010 «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (г. Воронеж, 3-8 октября 2010 г.); Труды VIII международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (г. Алматы, 9-10 июня 2011 г.); 66-ые дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции (г. Москва, 11-15 апреля 2011 г.); 67-ые дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции (г. Москва, 913 апреля 2012 г.); 68-ые дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции (г. Москва, 8-12 апреля 2013 г.); Труды X международной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (г. Алматы, 5-7 июня 2013 г.); 19th

International Symposium on Metastable Amorphous and Nanostructured Materials ISMANAM-2012 (Moscow, 18-22 June 2012).

Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта № 11.519.11.4026 от 14 марта 2012 г. «Разработка нового класса наноразмерных материалов на основе пленочных магнитных электретов и мультиферроиков для сверхплотной магнитной и магнитооптической записи информации» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ по специальности, 1 статья в зарубежном журнале, входящем в базы РИНЦ и WOS, 15 статей в сборниках материалов и докладов международных конференций, 2 тезисов в сборниках материалов и докладов всероссийских конференций. По теме диссертации получен 1 патент, 2 заявки на патенты находятся на рассмотрении. Структура п объем работы:

Диссертация содержит список сокращений, введение, 5 глав, общие выводы, список публикаций по теме диссертации, список используемой литературы. Работа изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 22 таблицы, 54 рисунка. Список используемой литературы включает 237 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы основная цель и конкретные задачи, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту, представлена апробация работы.

Первая глава представляет литературный обзор, непосредственно связанный с тематикой диссертации. В литературном обзоре рассмотрены особенности кристаллической и магнитной структуры, а также физические свойства монокристаллов ЖИГ и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов. Отмечено, что в настоящее время жидкофазная эпитаксия является основным методом получения ЭМПФГ. Показана роль технологических параметров роста ЭМПФГ в формировании основных физических свойств и дефектности. Особое внимание уделяется вопросам, посвященным неизовалентным замещениям в катионной подрешетке для формирования требуемых свойств ЭМПФГ, влиянию нескомпенсированных ионов Са2+ на формирование дефектной подсистемы и свойства монокристаллического ЖИГ и ЭМПФГ разных составов, а также реализующимся механизмам зарядовой компенсации. В конце первой главы сделаны выводы по литературному обзору и

сформулирована постановка задачи исследований.

Во второй главе представлена информация об объектах исследования, особенностях их выращивания и подготовки их к исследованиям. Описаны экспериментальные методы исследования оптических, магнитных и электрофизических свойств монокристалла ЖИГ и ЭМПФГ, а также дана характеристика использованного в работе оборудования.

В качестве основных объектов исследования в работе использовались монокристалл ЖИГ (У3Ре5012: Са2+) и ЭМПФГ системы (ВП'т)з(1'е0а)50|2: Са2+.

В процессе выращивания объектов исследования молярные параметры изменяли в следующих пределах: Я,: 0,137-0,140; Я2: 0,180-0,220; Я3: 0,0622-0,0625; К4: 0,149-0,160; Я5: 00,169. В результате проведенной работы получены ЭМПФГ (В1Тт)3(Рс0а)5012 с содержанием ионов Са2+ от 0,034 форм. ед. до 0,092 форм. ед. Толщина пленок составляла 1,5-33,4 микрон.

В таблице 1 представлены основные технологические характеристики полученных в работе пленок (В1Тт)3(ГсС}а)50|2: Са2+.

Таблица 1 - Основные технологические характеристики роста полученных в работе пленок (В1Тт)з(РеСа)5012/0(1з0а50,2 <111>

№ п/п Пленка Трост, °С К мкм Ррост, мкм/мин Значения молярных коэффициентов

Я1 Я2 ЯЗ Я4 Я5

1 23 850 1,5 0,25 0,140 0,180 0,0625 0,149 0

2 26 839 30,35 0,51 0,140 0,180 0,0625 0,149 0

3 28 836,4 2,69 0,53 0,139 0,180 0,0625 0,151 0,028

4 29 839 27,3 0,40 0,139 0,180 0,0625 0,151 0,028

5 30 839,5 1,62 0,324 0,139 0,180 0,0624 0,154 0,056

6 31 840 23,9 0,27 0,138 0,180 0,0624 0,153 0,056

7 33 836,7 22,81 0,228 0,138 0,220 0,0624 0,153 0,084

8 34 837 5,68 0,258 0,138 0,220 0,0624 0,153 0,084

9 35 835 33,4 0,24 0,138 0,220 0,0624 0,154 0,096

10 36 833 6,18 0,206 0,138 0,220 0,0623 0,155 0,112

11 37 831 23,7 0,16 0,137 0,220 0,0623 0,155 0,112

12 38 829 4,56 0,228 0,137 0,220 0,0623 0,158 0,141

13 39 827 31,7 0,22 0,137 0,220 0,0623 0,158 0,141

14 40 828,7 5,3 0,176 0,137 0,220 0,0622 0,160 0,169

Примечание: Молярные коэффициенты, характеризующие соотношение компонент шихты:

В20,

тгог '

ТтгО, + Ге203 + Са2Р, + СаО

СаО

ТтгОъ + Ре/)3 + Са203 + СаО + В1203 + В202 ' "5 Я-А Для изучения структурного состояния использовали спектроскопию ядерного гамма-резонанса, основанную на эффекте Мёссбауэра. Рентгеноструктурный анализ монокристалла ЖИГ и эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов проводился на многоцелевом рентгеновском

дифрактометре D8 Discover фирмы Bruker AXS (Германия). Уточнение химического состава ЭМПФГ проводилось методом рентгеноспектрального микроанализа (электронно-зондового рентгенолокального микроанализа) на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM 840 А (Япония) с системой анализа PGT IMIX, при ускоряющем напряжении 20 кВ, время накопления сигнала 90 с, анализ проводился в 3-4 точках, затем полученные данные усреднялись.

При изучении магнитных свойств использовались магнитооптические методики. В статическом и квазистатическом режиме и методом резонанса доменных границ были измерены основные параметры образцов: намагниченность насыщения (Ms), фактор качества материала (q), поле коллапса (Но), поле эллиптической неустойчивости (Н2) и полупериод полосовой доменной структуры W = Ро/2.

Такие магнитные характеристики объектов исследования, как поле коллапса Н0, поле эллиптической неустойчивости Hi и температура Кюри Тк регистрировались на универсальной магнитооптической установке, собранной на базе поляризационного микроскопа NU-2E. Петли магнитного гистерезиса регистрировались с помощью вибромагнетометра PPMS-9.

Характерные линейные размеры доменной структуры измеряли с помощью фотографирования картины доменной структуры и сравнением с фотографиями масштабной линейки объект-микрометра при соответствующих значениях увеличения микроскопа.

Спектры оптического пропускания и отражения исследуемых пленок регистрировались на спектрофотометре «UV-ViS-NiR Сагу 5000», фирмы «Varían» (Австралия) в диапазоне длин волн от 200 до 1500 нм. Спектры поглощения пленок рассчитывали по стандартным методикам.

Для изучения электрофизических параметров, в частности электрически активных центров (дефектов) применялись методы термоактивационной токовой спектроскопии: метод термостимулированных токов проводимости (ТСТП) и ТСТП в режиме короткого замыкания (ТСТП КЗ). Термостимулированные токи проводимости в пленках регистрировались с помощью разработанной кафедрой ТМЭ и Львовским институтом прикладных проблем механики и математики HAH, Украины, автоматизированной установки термоактивационной токовой спектроскопии. Исследования ТСТП проводились в интервале температур (27 - 400) °С ((300 -673) К). Скорость линейного нагрева составляла три, шесть и девять градусов в минуту. Возбуждение образцов проводили при комнатной температуре отрицательным коронным разрядом или УФ-облучением. Время обработки образцов в отрицательном коронном разряде и УФ-облучении варьировалось от 5 до 40 минут. Параметры электрически активных центров определяли по интенсивности и температурному положению пиков ТСТ.

Особое внимание было уделено разработке оборудования для изучения электрически активных дефектов в объектах исследования методами термоактивационной токовой спектроскопии (ТАТС). Для идентификации типа примеси (дефекта) в кристалле с помощью

методов ТАТС, одной из самых ответственных задач является точное определение температурного положения пика термостимулированного тока (ТОТ), во многом определяющегося скоростью нагрева исследуемого образца. Таким образом, качественное проведение исследований методами ТАТС требует наличия автоматизированного блока регулировки температуры с высокой точностью регулировки последней. В настоящей работе представлена установка ТАТС (рис. 1) разработанная Львовским институтом прикладных проблем механики и математики HAH Украины и кафедрой ТМЭ НИТУ «МИСиС», позволяющая реализовать все виды вышеуказанной спектроскопии. В рамках сотрудничества указанных организаций нами разработан также автоматизированный блок регулировки температуры.

Рисунок 1 - Общий вид автоматизированной установки термоактивационной токовой

спектроскопии

Установка состоит из следующих блоков: автоматизированный блок регулировки температуры (АБРТ), измерительная ячейка с образцом, измеритель малых токов, специализированный интерфейс ввода-вывода через СОМ-порт IBM PC (интерфейс), компьютер. Разработанная установка позволяет: а), получать в электронном виде спектры ТАТС, преобразовывать их в Origin или xls-файлы и осуществлять последующую математическую обработку; б), эффективно разделять близкорасположенные пики ТСТ, что весьма важно для материалов со сложным энергетическим спектром дефектов.

В третьей главе представлены результаты исследования коэрцитивной силы, оптического поглощения и рассогласования параметров кристаллических решеток в эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов. Показано, что причиной высоких значений коэрцитивной силы и оптического поглощения являются «напряжения

несоответствия» и кислородные вакансии, компенсирующие катионы Са2+. Предложены методы индуцирования высококоэрцитивного состояния в [^-содержащих гранатовых пленках путем легирования ионами двухвалентной примеси за счет напряжений несоответствия и с помощью обработки в отрицательном коронном разряде. Проводится сравнение предложенных методов, анализируются их достоинства и недостатки.

В качестве дополнительных объектов исследования были использованы плёнки следующих составов: У3Ре5012, (УЬаЫРеОаЬСЬ, (У8тпЬиСа)з(РеСе)50|2, (УЕиТшСа)з(Ре0е)50|2, (УВОз^еОа^Оо, (УУЬВ0з(РеОа)5О12, (ВГГт)з(РеСа)5012 и (УРгЬиВ0з(РеСа)5О|2 Плёнки были выращены методом ЖФЭ из раствора в расплаве на подложках С(ЬСа5012 и (СЫСа)з(ОаГ\^7.гЬО|2. Основные технологические параметры роста изученных в работе пленок представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные технологические параметры роста изученных пленок

№ п/п Химический состав пленки Подложка Раствор-расплав Трост (°С)

1 УчРезО|2 <111> Са3Са50|2 РЬО-В2Оз 960

2 (УЬа)з(РеОаЪО|2 <111>СсЬаа50|2 РЬО-В2Оз 940

3 (У8тЬиСа),(РеСе)Ю|2 <111>Сс1зСа50,2 РЬО-ВгОз 920

4 (УЕиТтСа)з(Ре0е),О|2 <111> всЬСазОп РЬО-В2Оз 920

5 (УВ1),(Ре0а)<0|2 <1 п> аа3са50|2 СаСОз- ВЬ03-У20; 780

6 (УУЬВ1),(РеСа)^0|2 <111> всЬСазОп СаСО,- ВЬ03-У205 780

7 (ВГГт)з(РеОа)Ю12 <111>Сс1з0а50|2 РЬО- ВЬОз" В20з 770

8 (УВ1)з(РеСа),0|2 <111> (СаСа)з(0аМя2г)50|2 РЬО- В12Оз-В2Оз 760

9 (УВ1)з(РеСа)50|2 <210> (СаСа),(СаМ?гг)^0,2 РЬО- В12Оз-В2Оз 750

10 (УРгЬиВ1),(РеСа)50|2 <210> (СаСа)з(СаМр2г)50|2 РЬО- ВЬОз-В2Оз 750

В таблице 3 представлены некоторые свойства исследованных в работе пленок.

Обращает на себя внимание тот факт, что по значению коэрцитивной силы 11с пленки изученных 10 составов можно разделить на три основных группы:

1-я группа - пленки с невысокими значениями коэрцитивной силы (Нс находится в пределах (0,2 - 0,7) Э). К данной группе принадлежат пленки составов № 1, 2 и 7 - 10.

2-я группа - пленки с повышенными значениями коэрцитивной силы (Нс находится в пределах (1,0 - 3,0) Э). К данной группе принадлежат пленки составов №№ 3, 4 и 6.

3-я группа - пленки с аномально высокими значениями коэрцитивной силы (Нс находится в пределах (5,0 - 20,0) Э). К данной группе принадлежат пленки состава № 5.

Следует отметить, что данная группа пленок обладает высоким значением оптического поглощения в ближней ИК-области спектра (а = (480-670) см"1), а также высоким значением несоответствия параметров решетки пленки и подложки (Да/а = (18-42)-Ю"4).

Для первой группы характерны умеренные значения оптического поглощения в ближней ИК-области спектра (а = (30 - 170 ) см"') и умеренные и повышенные значения несоответствия параметров решетки пленки и подложки (Да/а = (2,86-10)10"4).

Для второй группы пленок характерны повышенные значения оптического поглощения в ближней ИК-области спектра (а = (180-240 ) см"') и умеренные значения несоответствия параметров решетки пленки и подложки (Да/а = (2,5-4,1)10"4).

Таблица 3 - Некоторые свойства исследованных в работе магнитных пленок

№ п/п Химический состав пленки (Да/а)-104 4тсМ5 ,Гс нс, Э а, см"' при X = 0,90 мкм

1 УзРе50,2 4,5 - 7,2 1750- 1770 0,2 - 0,5 150-170

2 (УЬа)з(РеСа)50|2 2,86 - 6,87 1000- 1500 0,4 - 0,7 100-120

3 (У8тЬиСа)з(РеОе)Ю12 2,6-3,8 200- 350 1,0-3,0 180-230

4 (УЕиТшСа)з(РеСе)50|2 2,5-4,1 200- 400 1,0-3,0 180-220

5 (УВ1)з(РеСа)50|2 18-42 150- 200 5-20 480 - 670

6 (УУЬВ1)з(РеОа)Ю|2 5-7 150- 200 1,0-1,5 60-70

7 (ВП"т)з(РеСа)50,2 8-10 200- 250 0,5-0,7 30-40

8 (УВ0,(РеОа)5О|2 4,5 - 8,0 100- 150 0,2-0,4 110-125

9 (УВ0з(РеОа),О|2 4,5 - 8,0 100- 150 0,2-0,4 110-125

10 (УРгиВ0з(РеСа)5О|2 4-7 100 — 150 0,2 - 0,3 120-130

Группа пиков I соответствует глубоким уровням захвата с энергией активации 0,78 -1,00 эВ, группа пиков II - глубоким уровням захвата с энергией активации 1,2 - 1,4 эВ. Энергетическое положение обнаруженных уровней захвата позволяет связать их с кислородными вакансиями. По мнению авторов настоящей работы, группа максимумов тока I соответствует высвобождению электрона с 1+-цснтра (однозарядной вакансии кислорода У+о2") в зону проводимости, а группа пиков II - высвобождению двух электронов с р-цснтра (нейтральной вакансии У°о2") в зону проводимости.

Проведённые исследования позволили разработать эффективные методы индуцирования высокой коэрцитивное™ в эпитаксиальных пленках В^содержащих магнитных гранатов:

1 Так, осуществляя легирование [¡¡-пленок гранатов ионами Са2+ концентрации 0,03 -0,12 форм, ед., можно повысить Нсдо значений 1,0-3,0 Э. Механизм роста коэрцитивной силы в данном случае состоит в следующем. Ионы Са2+ компенсируются кислородными вакансиями У2+о2\ У+02" ( Р+-центр) и V о (Р-центр). Р-центры объединяются в кластеры (ваканснонные поры) и фиксируют движение доменной стенки, что является первой причиной роста Нс. Р-центры, Р+-центры и У2+о2"-центры существенно искажают симметрию кристаллического поля на ионах Г'е3что затрудняет вращение спинов при перемагничивании и является второй причиной роста коэрцитивной силы.

2 Выращивая пленки [¡¡-содержащих гранатов с несоответствием параметров решетки

пленка-подложка в пределах (15-30) • 10"4, можно получить значение Нс = 5,0-18,0 Э, а в некоторых случаях и 20,0 Э. Повышенная коэрцитивная сила в этих случаях создается сеткой дислокаций несоответствия, служащей потенциальным рельефом для движущейся доменной стенки, а также тем, что упругие напряжения сетки дислокаций искажают симметрию кристаллического поля на ионах Речем затрудняют вращение спинов при перемагничивании.

3 Проведенные нами ранее исследования позволяют предложить третий способ индуцирования высококоэрцитивного состояния в [{¡-содержащих пленках магнитных гранатов. Это - обработка в униполярном коронном разряде.

На рисунке 2 представлены зависимости коэрцитивной силы от времени обработки в отрицательном коронном разряде для гранатовых магнитных пленок для состава 10 (а) и состава 6 (б).

t, hours t, hours

Рисунок 2 - Зависимость коэрцитивной силы от времени обработки в отрицательном коронном разряде для гранатовых магнитных пленок состава 10 (а) и состава 6 (б). Параме тры образцов и условия обработки: а) толщина пленки h = 7,0 мкм; напряжение короны электрода Uc = 25000 В, ток короны 1С = 50 мкА, 6)h = 3,25 мкм; Uc = 25000 В, 1С = 100-120 мкА.

Четвертая глава посвящена изучению особенностей оптических, магнитных и электрофизических характеристик и процесса перемагничивания эпитаксиальных пленок висмут-содержащих ферритов-гранатов, легированных неизовалентной примесью Са2+, определению энергии активации и других электрофизических параметров дефектов по спектрам ТСТ и установлению механизмов зарядовой компенсации сверхстехиометрических ионов Са2 в железо-иттриевом гранате Y3Fe50i2 и эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов (BiTm)3(FeGa)50i2, выяснению природы и структуры дефектов, в том числе образовавшихся в результате роста, в имеющихся образцах монокристаллов Y3FejO|2: Са2+ и эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов (BiTm)3(FeGa)50i2: Са2+ методами термоактивационной токовой спектроскопии.

Полученные результаты позволили обнаружить множество уникальных свойств эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов состава (В{Тт)з(РеСа)50|2: Са2+. Установлено, что с увеличением концентрации ионов Са2+ (молярного коэффициента Я5) наблюдается рост коэрцитивной силы и намагниченности насыщения (табл. 4, рис. 3) объектов исследования.

В качестве объяснения наблюдаемым эффектам можно предложить следующий механизм. Компенсация заряда происходит за счет образования анионных вакансий, что в совокупности с высокими механическими напряжениями, вызванными рассогласованием параметров решеток пленки и подложки из-за повышенного содержания катионов с большим ионным радиусом (Са2+ и Вгч+) приводит к повышенным значениям коэрцитивной силы.

Таблица 4 - Изменение намагниченности насыщения ЭМПФГ от содержания нестехиометрического содержания Са2+

Номер образца Са/+, форм. ед. Намагниченность насыщения 4ПМ5, ГС

26 0 217,6

30 0,052 280,9

34 0,068 363,4

36 0.084 370,9

38 0,088 381,9

40 0,092 399,5

0.015 ■

^ 0.010

g 0.005

§ 0.000 о

Е

-0.005

0.015 0010 0.005 0.000

Magnetic field Н, Ое

0.0015 0.0010

Е

§ 0.0005

£ 0.0000. о Е

--0.005 О -0.0005

-200 0 200 Magnetic field Н, Ое

0.0015

о.оою

-0.0005 0.0000 -0.0005 -0.0010 -0.0015

Рисунок 3 - Характерные петли магнитного гистерезиса ЭМПФГ (ВГГт)з(РеСа)5012: Са2

В работе представлены характеристики перемагничивания образцов в подмагничивающих полях двух ориентаций, перпендикулярных плоскости пленки (Р - период доменной структуры). На рисунке 4 приведены графики зависимости периода страйп-структуры от величины поля смещения (рис. 4 а), а также зависимости значений относительной намагниченности при отрицательном и положительном направлениях поля смещения (рис. 4 б).

Зависимость Р от Нем Образец 28

гя> —J»—■--.

ISO ./ г

/

Jf

-40 -30 20 10 0 10 20 30 40 Нсм,3

—Нсм+ -«—Нем- -®~Нсм+ обр —&~Мсм- обр

Зависимость M/Ms от Нем Обрами 28

Нем, 3

HB— Нем* —В—Нем- обр «ч&г»Нш- обр

а) б)

Рисунок 4 - Зависимость: а) Р от Нем, б) M/Ms от Нем, образец 28

Из графиков для образца 28 видно, что пленки образца имеют различную зависимость параметров от поля. Особенно различия заметны на графиках зависимостей относительной намагниченности от поля смещения. Также различия прослеживаются и при зарождении ЦМД. Для рабочей поверхности использовалась частота повторений импульсного поля 1,25 102 Гц, и при снятии поля ЦМД растягивались и перестраивались в лабиринтную доменную структуру. А в то же время на другой стороне для зарождения ЦМД потребовалась частота 1,25 • 1О"' Гц, и при снижении поля смещения оставалась плогноупакованная структура ЦМД. В таблице 5 приведены основные статические параметры образцов.

Таблица 5 - Основные параметры образцов со структурой ЦМД

Образец Но, Э Н2, Э

23 61.44 81,28

26 74,69 58,75

28 43.40 21,76

30 47.80 41,60

33 150,61 110,52

34 118,72 106,24

36 143,52 110,33

С помощью мёссбауэровской спектроскопии было изучено 10 образцов иттриевых ферритов-гранатов. Съемка велась как на тонких кристаллических пластинах, так на растертых пробах при 300 К, и при 78 К.

Мессбауэровские спектры ферритов-гранатов состава УзРе.Ю^ и (УглСааз^е.^О^ с изоморфным вхождением в структуры Са2+ в количестве 0,3 формульных единиц приведены на рис. 5, а их параметры в таблице 6.

Рисунок 5 - Мёссбауэровские спектры иттриевых ферритов-гранатов состава: а - монокристалл

У3Ре3012; б - (У2,7Са 0,з)Ре5О12

Таблица 6 — Мёссбауэровские параметры ферритов-гранатаов УзРе^О 12 и (У2.7Сао.з)Ре50|2

Образец Компоненты спектра Изомерный химический сдвиг 5, мм/с Квадрупольное расщепление Д, мм/с Эффективное магнитное поле на ядрах Ре'7 Н, кЭ Площади к компонент Б, %

УзРе50,2 С1(Ре3+)у| 0,339 -0,237 479 9,0

С2 (Ре^+) VI 0,380 0,112 489 31,5

СЗ Ре3+),у 0,147 0,020 396 52,6

С4 (Ре3+),у 0,122 -0,125 369 6,9

(У2,7Сао,з)Ре5012 С1(Рел+)У| 0,374 -0,409 477 13,0

С2 (Ре3+) VI 0,384 0,179 484 30,9

СЗ Ре^Ь 0,154 -0,002 391 51,3

С4 (Ре<+)1у 0,174 -0,083 356 4,8

Зарядовый баланс при замещении ионов V1 ионами Са2+ возможно обеспечивается вакансиями О2", что должно сказаться на мессбауэровских параметрах и в первую очередь на величине резонансного эффекта. Из таблицы 6 видим, что квадрупольное расщепление секстетов октаэдрических позиций (С 1 и С2) увеличивается: для С1 с -0,237 до - 0,409 мм /с;

для секстета С2 с 0,112 до 0,179 мм/с. Поскольку компонента градиента электрического поля в этих случаях отрицательна (октаэдр сжат), то появление кислородных вакансий усиливает тетрагональные искажения октаэдров. Изменения квадрупольного расщепления наблюдаются и для тетраэдрических ионов железа. Наличие кислородных вакансий приводит п к уменьшению магнитных полей на ядрах Ре17 как октаэдрических, так и тетраэдрических ионов железа (табл. 6). Таким образом, вакансионный механизм зарядовой компенсации в ферритах-гранатах с кальцием подтверждается результатами мёссбауэровских исследований.

С помощью месбауэровской спектроскопии было также изучено влияние отрицательного коронного разряда на структурное состояние ионов железа и их электронную конфигурацию в иттриевых ферритах-гранатах состава (У2.7Са<и)Ре50|2 (рис. 6).

При 20 минутном возбуждении в отрицательном коронном разряде и последующей съемке при температуре 78 К можно отметить увеличение изомерного сдвига для основного секстета от ионов Ре",+ шестерной координации с 0,46 до 0,48 мм/с при ошибке 0,002 мм/с, указывающей на увеличение ионности связи. При этом У22 компонента градиента электрического поля этого октаэдра изменяется с — 50 до -24, а менее интенсивного октаэдра с -90 до — 72 , что указывает на некоторое уменьшение сжатия октаэдров вдоль оси Ъ. Приведенные результаты по выяснению влияния коронного разряда на электронную структуру ферритов-гранатов показывают, что мёссбауэровские измерения при температуре жидкого азота после воздействия на них коронного разряда являются более информативными.

Рисунок 6 - Зависимость усредненной ширины резонансной линии в мёссбауэровских спектрах от времени обработки коронным разрядом

Изучение оптических свойств эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ЭМПФГ), с целью выяснения природы дополнительного поглощения света, обнаружило особенности спектров поглощения эпитаксиальных монокристаллических пленок

ферритов-гранатов (В1Тт)3(РеОа)5С)12 с различным содержанием ионов кальция.

В спектрах поглощения а=1"(1) ЭМПФГ (В1Тт)з(Ре0а)5012: Са2+ на всех образцах выделяются пять четких пиков: при А.=600 им, >.=685 нм, 1=780 нм, 1=930 нм и Л.= 1206 нм (рис.7).

А, нм

Рисунок 7 - Характерный спектр оптического поглощения исследуемого образца № 26

Анализ спектров оптического поглощения В1-содержащих ЭМПФГ показал наличие двух типов спектров.

Первый тип характеризуется слабым поглощением в ИК-области спектра с наличием относительного окна прозрачности в области длин волн 780-880 н м и окном прозрачности в области X > 1500 нм, где коэффициент оптического поглощения а практически равен нулю. Такой тип спектров наблюдался для ЭМПФГ состава (ВГГт)3(РеСа)50|2, с содержанием кальция (0-0,052) ф.е..

Второй тип характеризуется интенсивным поглощением во всей измеряемой области спектра. Такой тип спектров поглощения наблюдался для образцов (ВГГт)3(РеСа):;012, с содержанием кальция (0,068-0,092) ф.е.

Спектрофотометр™ ЭМПФГ (В1Тт)3(Ре0а)5012 позволила обнаружить, что значение молярного коэффициента Я5 оказывает существенное влияние на оптическое поглощение. Коэффициент оптического поглощения а линейно растет с увеличением концентрации ионов кальция во всем диапазоне длин волн, что видно на рисунке 8.

0,02

0,04 0,06

Концентрация Са2+, ф.е.

Рисунок 8 - Зависимость оптического поглощения от концентрации ионов Са

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что в основе особенностей

г* 2+

дополнительного оптического поглощения лежит наличие в составе пленок ионов са и индуцируемые ими кислородные вакансии. Также предполагается, что причиной тех же особенностей могут быть нормальные напряжения, обусловленные несоответствием параметров решетки пленки и подложки.

Кроме того, из изучения оптических спектров пленок можно получить информацию об их качестве. Размытие штарковской структуры спектров 4Р - 4С переходов иона Тпг (неоднородное уширение) свидетельствует об увеличении степени поликристалличности пленки, т.е., из рассмотрения оптических спектров следует, что образец №26 имеет более совершенную структуру.

С целью идентификации электрически активных дефектов и выяснения природы наблюдаемых изменений магнитных параметров объектов исследования, были проведены исследования методом ТСТ изучаемых пленок как в исходном состоянии, так и возбужденных в отрицательном коронном разряде и ультрафиолетовом облучении от 5 до 20 минут. Спектры регистрировались в режиме ТСТП и ТСТП КЗ (короткого замыкания).

Следует отметить, что в режиме ТСТП удавалось получить спектры только при незначительном напряжении измерения (1,0-50 мВ). При превышении измерительного напряжения спектр ТСТ представлял собою экспоненциальную зависимость тока от температуры, что обусловлено интенсивным нарастанием «темпового» тока, существенно превышающего по значению ток, обусловленный высвобождением носителей с уровней захвата.

Для образца монокристалла УзРезОп: Са2+ на температурной зависимости были получены пики в исходном состоянии, при различных возбуждениях и различных скоростях

нагрева. Характерные спектры ТСТ приведены на рисунке 9.

а) б)

Рисунок 9 - Спектр образца монокристалла ЖИГ после обработки в коронном разряде:

а) 5 минут; б) 10 минут

В монокристаллах ЖИГ наблюдается группа пиков с температурным положением 342422 К, что соответствует уровням захвата с энергетическим положением 0,67-0,83 эВ соответственно (табл. 7).

Таблица 7 — Значение энергии активации ловушек, соответствующих пикам ТСТ монокристалла УзРе^Оп: Са2+ с температурным положением 342-422 К

№ п/н I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Тт, К 342 357 361 365 373 376 384 388 402 404 413 416 422

Е(, эВ 0,67 0,70 0,71 0,72 0.73 0,74 0,76 0,77 0,79 0,80 0,81 0,82 0,83

В ЭМПФГ наблюдается группа пиков с температурным положением 349-636 К, что соответствует уровням захвата с энергетическим положением 0,69-1,25 эВ соответственно (табл. 8).

Таблица 8 - Значение энергии активации ловушек, соответствующих пикам ТСТ ЭМПФГ (В1Тт)з(Ре0а)5О12: Са2+ с температурным положением 349-636 К

№ п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Т„„ К 349 355 363 388 413 423 462 468 482 489 499 507 520

Е„ эВ 0,69 0,7 0,72 0,77 0,81 0,83 0,91 0,92 0,95 0,96 0,98 1,00 1,03

№ п/п 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

тт, К 530 550 554 574 576 587 588 590 598 609 614 615 636

Е„эВ 1,04 1,08 1,09 1,13 1,14 1,16 1,165 1,16 1,18 1,20 1,21 1,21 1,25

Ионы Са2* являются электроотрицательными но отношению к катионной подрешетке, вследствие чего для соблюдения электронейтральности должен работать один (или несколько) из следующих механизмов зарядовой компенсации:

1) Переход части ионов железа в состояние Ре +;

2) Образование дырочных центров О";

3) Образование кислородных вакансий У(Ог-)2+; У(Ог-)+ (Р+-центр) и У(02.) (Р-центр).

Используя данные оптических исследований, можно сделать вывод, что ионы Ре4

должны создавать в магнитных гранатах уровень захвата с максимумом в области 0.2 эВ, что соответствует температуре порядка 100 К.

Обнаруженные же нами центры для ЖИГ и ЭМПФГ имеют минимальное значение температурного положения 342 К и 349 К соответственно. Поэтому, обнаруженные центры следует связывать с дефектами по кислороду и реализацией 2-го и 3-го механизмов зарядовой компенсации из вышеуказанных.

Такое многообразие обнаруженных центров следует связывать со сложной структурой граната. Тот факт, что, скажем, центру У(Ог-)+ (Р+-центр) соответствует в решетке граната (В1Тш)з(Ре0а)5012 большое количество глубоких уровней захвата, объясняется большим количеством вариантов возможных ближайших соседей в первой и второй координационных сферах.

1предполагается, что обнаруженные центры обусловлены глубокими уровнями захвата, соответствующими кислородным вакансиям У(02.) (Р -центр) и У(Ог-) (Р-центр).

В пятой главе представлены значимые с практической точки зрения результаты работы, в частности выполненные разработки.

Проведенные в настоящей работе исследования и полученные результаты дали понимание природы высококоэрцитивного состояния в пленках магнитных гранатов, выращенных на подложках (Сс1Са)з(0аМ§гг)50|2, Саз(1МЬ1л)20аз0|2, Саз(МЬК^)20аз0|2, Саз(ЫЬ2г)э012, что позволило разработать новые высокоэффективные материалы на основе Вь содержащих пленок ферритов-фанатов для термомагнитной записи информации.

Магнитооптический материал.

Разработан магнитооптический материал (Патент № 2431205 от 10.10.2011), представляющий собой ЭМПФГ (УВ1)з(Ре0а)50|2: Са2+ (ЫСа2+ =0,1 - 0,4 форм, ед.), выращенную на подложке немагнитного граната (GdCa)з(GaMgZr)50|2, Саз(МЬи)20аз0|2, Caз(NbMg)2GaзOl2 или Саз(ЫЬ2г)2СазО|2, обладает следующими магнитными параметрами: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии Н^ = 4500 - 4675 Э, коэрцитивная сила Нс = 2,5 - 15 Э, температура Кюри-Нееля Тм = 408 - 400 К., магнитооптическая добротность = 52 — 53,5 град/дБ при X - 0,8 мкм, ЧК = 310 — 325 град/дБ

при X = 1,3 мкм (рис. 10). Указанные характеристики материала позволяют получать методом термомагнитной записи высококонтрастные изображения.

I!

S

I 1

0,2 0.3

Концентрация ионов, форм. ед.

Концентрация ионов, фэрм. ед.

при X = 0,8 мкм при Х= 1,3 мкм

Рисунок 10-Зависимость магнитооптической добротности Т ЭМПФГ(¥В;)з(Ре0а)50|2, выращенных на подложках (вс1Са)з(ОаМ^г)5С>|2 (параметр решетки а = 12,490 А) кристаллографической ориентации (111) от концентрации ионов: 1 - легирование ионами Са"

2 - легирование ионами М$2+

Разработан магнитооптический материал (Заявка на патент № 2012157705/090921 от 28.12.2012), представляющий собой ЭМПФГ (YBi)3(FeGa)50|2: Mg2+ (NMg2+ = 0,1 - 0,4 форм, ед.), выращенную на подложке немагнитного граната (GdCa)3(GaMgZr)50i2, Ca3(NbLi)2Ga30]2, Ca3(NbMg)2Ga30i2 или Ca3(NbZr)2Ga30i2, обладает следующими магнитными параметрами: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии Нк = 4520 - 4700 Э, коэрцитивная сила Нс = 2,5 - 15,3 Э, температура Кюри-Нееля TN = 408 - 400 К, магнитооптическая добротность Ч* = 56 - 60 град/дБ при X = 0,8 мкм, Ч' = 350 - 380 град/дБ при X = 1,3 мкм (рис. 10). Указанные характеристики материала позволяют получать методом термомагнитной записи высококонтрастные изображения.

Способ получения наноразмерных пленок Bi-содержащих ферритов-гранатов.

В предлагаемом способе получения наноразмерных пленок Bi-содержащих ферритов-гранатов, включающем изготовление мишени заданного состава, обработку монокристаллической подложки галлиевого граната ионами аргона, распыление мишени на подложку с дальнейшим отжигом полученной пленки, в соответствии с предлагаемым техническим решением используется подложка сложнозамещенного галлиевого граната с высоким значением параметра решетки, ионное распыление и подогрев подложки в процессе напыления пленки до 800-850 °С, подача в зону подложки контролируемого потока кислорода и отжиг полученных пленок кислорода на протяжении 0,5-1,0 час в атмосфере кислорода при

температуре 700-750 "С при нормальном атмосферном давлении. Использование сложнозамещенного галлиевого граната в качестве подложки за счет высоких значений параметра решетки позволяет получить высокую концентрацию ионов (2,5-2,8 форм, ед.) в кристаллической решетке и за счет этого достичь высоких значений удельного фарадеевского вращения.

Способ позволяет повысить качество получаемых наноразмерных пленок Вь содержащих ферритов-гранатов, а также величину удельного фарадссвского вращения.

Основные результаты и выводы

1 Изучена природа и разработаны методы наведения высококоэрцитивного состояния в пленках магнитных гранатов при их легировании ионами Са2+, формировании напряжений рассогласования, а также при обработке в отрицательном коронном разряде. Экспериментально показано, что для пленок Ш-содержащих гранатов, выращенных на подложках (СаСа)з(0аМё2г)50|2, Саз(1МЫл)2Са30|2, Са3(ЫЬ\^)20азО|2, Са3(ЫЬ2г)50|2, для наведения высококоэрцитивного состояния результативными способами будут легирование ионами Са2+ и обработка в коронном разряде.

2 Разработана, изготовлена и используется на кафедре ТМЭ автоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии для исследования электрически активных дефектов в широкозонных полупроводниках и диэлектриках и автоматизированный блок регулировки температуры с высокой точностью регулировки последней.

3 Методами ТСТП и ТСТП КЗ изучен энергетический спектр электрически активных центров в монокристалле железо-итгриевого граната (ЖИГ) состава У3Ре50|2: Са2+, выращенного методом управляемой кристаллизации и ЭМПФГ (В1Тт)3(РеСа)50|2: Са2+, выращенных методом ЖФЭ из раствора в расплаве на подложках СсЬСа.Юп кристаллографической ориентации <111> при использовании бессвннцового Ш-содержащего флюса. Обнаружена в монокристаллах ЖИГ группа пиков с температурным положением 342-422 К, что соответствует уровням захвата с энергетическим положением 0,67 - 0,83 эВ.

4 Установлено, что при увеличении концентрации ионов Са2+ в пленках (В(Тт)3(РеСа),0|2, энергетический спектр электрически активных центров сдвигается в зону высоких температур.

5 Впервые экспериментально установлено, что спектр термостимулированных токов объектов исследования формируется 36-ю центрами, создающими в запрещенной зоне (ВГГт)з(Ре0а)50|2: Са2+ глубокие уровни захвата с энергетическим положением от 0,69 эВ до 1,25 эВ. Предполагается, что обнаруженные локальные центры соответствуют однозарядным У(02.)+ (Р+-цеитр) и нейтральным У(02.)° (И-центр) кислородным

вакансиям, находящимся в разном окружении в первой координационной сфере.

6 Разработаны высокоэффективные магнитооптические материалы на основе Bi-содержащих пленок ферритов-фанатов с высоким значением коэрцитивной силы Нс и магнитооптической добротности Ч* для термомагнитной записи информации (1. Патент № 2431205 от 10.10.2011 г., 2. Заявка на патент № 2012157705/090921 от 28.12.2012).

7 Разработан способ получения наноразмерных пленок Bi-содержащих ферритов-фанатов, позволяющий повысить качество указанных пленок, а также величину удельного фарадеевского вращения (Заявка на патент № 2013143532/067006 от 26.09.2013.)

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Костишнн В.Г., Кожитов Л.В., Морченко А.Т., Медведь В.В., Читаное Д.Н. Магнитооптический материал. Патент № 2431205 от 10.10.2011 г.

2 Костншин В.Г., Читанов Д.Н. Магнитооптический материал. Заявка на патент № 2012157705/090921 от 28.12.2012 г.

3 Костишнн В.Г., Читанов Д.Н., Комлев А .С., Юданов Н.А., Трухан В.М., Шелковая Т.В. Способ получения ианоразмериых пленок Bi-содержащих ферритов-гранатов. Заявка на патент № 2013143532/067006 от 26.09.2013.

4 Костншин В.Г., Читанов Д.Н., Булатов М.Ф., Сыворотка И.И., Сыворотка Н.М. Термоактнвационпая токовая спектроскопия электрически активных центров в эпнтаксиальных феррогранатовых гетерокомпозициях (BiTm)3(FeGa)sOi2: Са // Электронный научный журнал. «Инженерный вестник Дона», 2012, №4/2, www.iviJon.ru.

5 Костншин В.Г., Морченко А.Т., Читанов Д.Н., Трухан В.М. О некоторых методах индуцирования высококоэрцитнвного состояния в эпнтаксиальных плёнках магнитных гранатов для термомагнитной записи информации // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники,— 2012, — JNs 3, с. 29-34.

6 Kostishyn V.G., Morchenko А.Т., Chitanov D.N. Design of high-coercivity epitaxial magnetic garnet films for thermomagnetic recording and nanotechnology // Journal of Alloys and Compounds, 2013.09.05. httn://dx.doi.org/10.1016/i.iallcom.2013.09.058

7 Kostishin V.G. Chitanov D.N., Morchenko A.T., Shipko M.N. About a nature of a high-coercivity state in epitaxial films of magnetic garnets // Eurodim 2010 11th Europhysikal Conference on Defects in Insulating Materials PECS, Hungary 12-16 July 2010, A36.

8 Костншин В.Г., Читанов Д.Н., Медведь B.B. Особенности электрофизических свойств и спектров термоактивационной токовой спектроскопии эпнтаксиальных Bi-содержащих феррофанатовых гетерокомпозиций с содержанием «паразитных» ионов Са2+ // X

Юбилейная международная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» 17-22 октября, Ставрополь 2010, с. 191-194.

9 Костишин В.Г., Читанов Д.Н., Савицкий Г.В., Бончик А.Ю. Автоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии для исследования электрически активных дефектов в диэлектрических оксидных пленках // X Юбилейная международная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» 17-22 октября, Ставрополь 2010, с. 194-196.

10 Костишин В.Г.. Читанов Д.Н., Морченко А.Т. Савицкий Г.В. Установка термоактивационной токовой спектроскопии для исследования электрически активных дефектов в феррогранатовых гетерокомпозициях // XIV Национальная конференция по росту кристаллов, IV Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» (объединенная), 17 - 22 октября 2010 г, т. 2, с. 361-362.

11 Костишин В.Г., Читанов Д.Н., Медведь В.В. Особенности электрофизических свойств и спектров термоактивационной токовой спектроскопии эпитаксиальных феррогранатовых гетерокомпозиций с содержанием сверхстехиометрических и «паразитных» ионов Са2+ // XIV Национальная конференция по росту кристаллов, IV Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» (объединенная), 17-22 октября 2010 г, т. 2, с. 114.

12 Костишин В.Г., Читанов Д.Н., Савицкий Г.В., Бончик А.Ю. Атоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии // V Всероссийская конференция ФАГРАН-2010 «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж 3 - 8 октября 2010 г.), с. 107-109.

13 Костишин В.Г., Читанов Д.Н., Медведь В.В. Термоактивационная токовая спектроскопия эпитаксиальных пленок Bi-содержащих гранатов // V Всероссийская конференция ФАГРАН-2010 «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж 3-8 октября 2010 г.), с. 170-173.

14 Костишин В.Г., Читанов Д.Н., Савицкий Г.В., Бончик А.Ю. Автоматизированный блок регулировки температуры для установки термоактивационной токовой спектроскопии // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: Труды VIII международной конференции. Алматы 9-10 июня 2011 года, с. 533-542.

15 Читанов Д.Н., Гомарева Е.А., Величкииа Н.С. Термоактивационная токовая спектроскопия эпитаксиальных пленок Bi-содержащих фанатов // 66-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, Москва 2011, с. 585.

16 Читанов Д.Н., Гомарева Е.А., Величкина Н.С. Получение и свойства высокодобротных эпитаксиальных пленок Bi-содержащих гранатов для термомагнитной записи информации //

66-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, Москва 2011, с. 586.

17 Читанов Д.Н., Кислякова Е.И., Дедюра М.А., Гумурова Р.Н. Оптические свойства эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов Y3Fe5Oi2 с различным содержанием ионов РЬ //

67-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, Москва 2012, с. 530.

18 Читанов Д.Н., Колесникова А.Н., Гомарева Е.А. Электрически активные центры в эпитаксиальных пленках (BiTra)3(FeGa)5Oi2: Са2+ // 67-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, Москва 2012, с. 528.

19 Читанов Д.Н., Гомарева Е.А., Колесникова А.Н., Гумурова Р.Н. Выращивание монокристаллов Y3Fe50i2: Са2+ из раствора-расплава // 67-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, Москва

2012, с. 529.

20 Читанов Д.Н., Башкин М.А., Нуриев A.B., Юданов H.A. Поиск эффективных магнитных сред для высокоплотной перпендикулярной магнитной записи // 67-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции, Москва 2012, с.529.

21 Kostishyn V.G., Morchenko А.Т., Chitanov D.N. Effect of charge state and cation sizes on magnetic, electric and optical properties of thin epitaxial magnetic garnet films // 19th International Symposium on Metastable Amorphous and Nanostructured Materials ISMANAM-2012, 18-22 June 2012 Moscow, PO-162, P. 209.

22 Морченко A.T., Костишин В.Г., Панина Л.В., Читанов Д.Н., Корниенков JOB. Альтернативные способы приготовления ферритовых и композиционных материалов и изделий // Труды X Международной научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», Алматы, 5-7 июня 2013, том 2, с. 182-184.

23 Мирошин C.B., Морченко А.Т., Читанов Д.Н. Влияние катионных замещений на свойства эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов // 68-е дни науки студентов МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции. Москва

2013, с. 96.

Формат 60 х 90 '/,6 Тираж 100 экз. Объем 1,6 п.л. Заказ 4064 Печать офсетная Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МИСИС»

На правах рукописи

04201450109

ЧИТАНОВ ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ

НЕСТЕХИОМЕТРИЯ И ДЕФЕКТЫ СТРУКТУРЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ И ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ИОНАМИ Са2+

(Специальность 01.04.10 - физика полупроводников)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Костишин В.Г.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ...... 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 8

ГЛАВА 1. Анализ современных представлений о влиянии неизовалентных замещений в формировании структурных особенностей, свойств и дефектности монокристаллического ЖИГ и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ЭМПФГ)........................................................................................................... 15

1.1 Особенности кристаллической и магнитной структуры, физические свойства монокристаллов ЖИГ и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов........................................ 15

1.2 Жидкофазная эпитаксия, как основной метод получения ЭМПФГ. Роль технологических параметров роста ЭМПФГ в формировании

основных физических свойств и дефектности.................................................... 24

1.3 Использование неизовалентных замещений в катионной подрешетке для формирования требуемых свойств ЭМПФГ........................... 35

-у,

1.4 Влияние некомпенсированных ионов Са на формирование дефектной подсистемы и свойства монокристаллического ЖИГ и ЭМПФГ разных составов. Реализующиеся механизмы зарядовой компенсации.......... 42

1.5 Выводы по литературному обзору. Постановка задачи

исследований............................................................................................................ 52

ГЛАВА 2. Методики экспериментальных исследований и статистической обработки результатов измерений...................................... 54

2.1 Объекты исследований, особенности их выращивания и подготовка для исследований................................................................................ 54

2.2 Особенности применения ядерной гамма-резонансной спектроскопии для изучения магнитной микроструктуры объектов исследования...................................................................................................... 58

2.3 Рентгеноструктурный анализ и рентгеноспектральный 63

микроанализ объектов исследования....................................................................

2.4 Экспериментальные методы исследования магнитных свойств феррогранатовых гетерокомпозиций.................................................................... 65

2.5 Спектрофотометрия объектов исследования и расчет основных оптических характеристик феррогранатовых гетерокомпозиций................ 69

2.6 Термоактивационная токовая спектроскопия объектов исследования............................................................................................................ 72

2.7 Разработка оборудования для изучения электрически активных дефектов в объектах исследования методами термоактивационной токовой спектроскопии.......................................................................................................... 81

2.7.1 Автоматизированный блок регулировки температуры для установки термоактивационной токовой спектроскопии.................................. 82

2.7.2 Автоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии для исследования электрически активных дефектов в

высокоомных полупроводниках и диэлектриках................................................ 92

ГЛАВА 3. Природа высококоэрцитивного состояния в эпитаксиальных пленках магнитных гранатов для термомагнитной записи информации............................................................................................... 101

3.1 Природа высококоэрцитивного состояния в ЭМПФГ наиболее отработанных в технологическом плане составов......................................... 101

3.2 Разработка методов индуцирования высококоэрцитивного состояния в ЭМПФГ для термомагнитной записи информации.................. 108

3.3 Выводы к главе 3..................................................................................... 111

ГЛАВА 4. Нестехиометрия и свойства монокристаллического ЖИГ Y3Fe5012 и ЭМПФГ (BiTm)3(FeGa)50 12 при неизовалентном

замещении ионами Са2+........................................................................................ 112

4.1 Обработка результатов рентгеноструктурного аназиза и рентгеноспектрального микроанализа.................................................................. 112

4.2 Особенности магнитной микроструктуры монокристаллического ЖИГ Y3Fe5Oi2 с содержанием кальция........................................................... 116

4.3 Влияние неизовалентного замещения ионами Са на магнитные свойства объектов исследования........................................................................... 120

4.4 Особенности спектров поглощения эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ВГГт)3(Ре0а)5012:

Са с различным содержанием ионов кальция............................................. 127

4.5 Термоактивационная токовая спектроскопия как метод контроля состава и дефектности в ЖИГ и ЭМПФГ и реализующиеся в

них механизмы зарядовой компенсации......................................................... 133

4.6 Выводы к главе 4..................................................................................... 145

ГЛАВА 5. Разработка высокоэффективных материалов на основе Вь содержащих пленок ферритов-гранатов для термомагнитной записи информации............................................................................................................ 148

5.1 Разработка магнитооптического материала на основе эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов легированных двухвалентной примесью............................................................. 148

5.2 Способ получения наноразмерных пленок В1-содержащих ферритов-гранатов................................................................................................... 157

5.3 Выводы к главе 5..................................................................................... 160

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.................................................... 161

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................... 163

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ

ЖИГ - железо-иттриевый гранат;

ЭМПФГ - эпитаксиальная монокристаллическая пленка феррита-граната;

с-подрешетка - додекаэдрическая подрешетка граната;

а-подрешетка - октаэдрическая подрешетка граната;

ё-подрешетка - тетраэдрическая подрешетка граната;

ЦМД - цилиндрические магнитные домены;

РЗИ - редкоземельные ионы;

ЯГР - ядерный гамма-резонанс;

ТАТС - термоактивационная токовая спектроскопия;

ТСТ - термостимулированные токи;

ТСТП - термостимулированные токи проводимости;

ТСП - термостимулированные токи поляризации;

ТСД - термостимулированные токи деполяризации;

ТСТП КЗ - термостимулированные токи проводимости короткого замыкания; УКР - установка коронного разряда; ТМ - термомагнитная запись; МО-материал - магнитооптический материал;

Vе о " - (Р-центр) - нейтральная кислородная вакансия (кислородная вакансия, захватившая два электрона);

+ 2

Уо'-О7- центр) - кислородная вакансия в зарядовом состоянии "+" (кислородная вакансия, захватившая электрон);

+ 2 +

V о "СЕ7 - центр) - кислородная вакансия в зарядовом состоянии "2+";

Е^-энергия активации;

а5 - параметр решетки подложки;

параметр решетки пленки; г - ионный радиус; Я - коэффициент отражения; Я - редкоземельный ион;

М8 - намагниченность насыщения; Ты - температура Кюри-Нееля; Нс - коэрцитивная сила;

Тт - температурное положение максимума тока ТСТ; Нк - поле эффективной анизотропии; Н0 - поле коллапса;

Н2 - поле эллиптической неустойчивости; п - показатель преломления материала; а - коэффициент оптического поглощения; 0Р - величина удельного фарадеевского вращения;

- магнитооптическая добротность; X - длина волны света; ДЕа - квадрупольное расщепление; У22 - компонента градиента электрического поля; НЭфф - эффективное магнитное поле на ядре; Г - ширина линии поглощения; 5 - изомерный сдвиг;

Н'п - эффективное магнитное поле на ядре; I - сила тока;

q - фактор качества материала;

Р0 - период и полупериод полосовой доменной структуры = Р0/2 (ширина одного полосового или серпантинного) домена; Ь - толщина пленки; Нсм - поле смещения;

К - коэффициент теплопроводности среды; пв - показатель преломления воздуха;

уср - среднее волновое число между максимальным и минимальным значением коэффициента пропускания (в интерференционном пике); Т мах и Ттш - значения коэффициента пропускания в максимуме и минимуме интерференционного пика соответственно

v0 - волновое число нулевого максимума; vN - волновое число N- го максимума; Ек - напряженность электрического поля;

^ 5 2

--относительная плотность воздуха при РаТм= ПО н/м , Т = 293К;

¿о

г0 - радиус коронирующего электрода; А и В - эмпирические параметры (А = 3,1; В = 0,308); К - подвижность ионов воздуха; 1 - расстояние между коронирующими электродами; VK - критическая разность потенциалов (для воздуха VK = 30 кВ/см); к - константа Больцмана, к=8,617><10~5 эВ К-1; S - площадь кривой под пиком ТСТ; Мх и MY - масштаб по осям X и Y соответственно; п - концентрация электрически активных центров; q - заряд центров; е - заряд электрона; S3 - площадь электродов;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В последнее время наметилось новое направление -спинтроника с использованием ферритов-гранатов. Приборы нового поколения спиновой наноэлектроники на сверхвысоких частотах представляют собой гетерогенные структуры. Они характеризуются многофункциональностью (совмещают фильтрацию, задержку сигнала и другие функции), обладают высоким быстродействием при управлении параметрами прибора и легко интегрируются в радиотехнические устройства. Основной элемент спинволнового прибора - волноведущая линия, в качестве которой используется пленка железо-иттриевого граната (ЖИГ) состава УзРе5012.

Для управления свойствами монокристаллов и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ЭМПФГ) (в частности, для осуществления зарядовой компенсации ионов Ме4+) широко используется легирование ионами Са2+. При использовании легирования Са2+ - Ме4+ в кристаллической решетке пленки сложно достичь полного равенства концентрации ионов Са2+ и Ме4+, что приводит к нарушениям стехиометрии по составу, реализации различных механизмов зарядовой компенсации и, в результате - к понижению эксплуатационных параметров объектов исследований. Отклонение от стехиометрии при неизовалентном замещении в ферритах-гранатах, используемом для получения необходимых физических и магнитных свойств, также приводит к количественным и качественным изменениям присутствующих дефектов. Для пленок магнитных гранатов ввиду сложного химического состава и структуры, характерно наличие огромного разнообразия возможных видов дефектов, наименее изученными из которых остаются дефекты анионной подрешетки. Несмотря на наличие в научной литературе огромного количества публикаций по изучению поведения ионов Са2+ в магнитных гранатах, на сегодняшний день нет единого взгляда и понимания природы зарядовой компенсации кальция, структуры и свойств дефектов, образовавшихся в результате неизовалентного замещения в

номинально чистых кристаллах УзБезО^ и сложнозамещенных оксидах на его основе.

Несомненно, что использование магнитных гранатов, в частности эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов в приборах микро- и наноэлектроники, предопределяет необходимость выяснения природы и понимания влияния неизовалетного замещения на кристаллохимическую структуру, энергетическое состояние дефектов и физические свойства данных материалов.

Также очень важно, что в пленках можно реализовать структурные состояния, которые трудно или невозможно получать в обычных (массивных или объемных) магнитных образцах. Это существенно расширяет возможности исследования связи между структурными характеристиками и физическими свойствами магнитных материалов. Изучение физических свойств ферромагнитных пленок также актуально с точки зрения их практического применения в микроэлектронике и вычислительной технике. Одним из важных применений пленок остается их использование в качестве магнитной среды для записи и хранения информации.

Цели и задачи работы.

Исходя из проведенного анализа литературных источников, цели диссертационной работы состояли в следующем:

1 Разработать методы наведения высококоэрцитивного состояния в плёнках магнитных гранатов для термомагнитной записи информации;

2 Изучить изменения структуры и свойств в монокристаллах и пленках ферритов-гранатов при неизовалентном замещении ионами Са2+;

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение природы высококоэрцитивного состояния в плёнках магнитных гранатов наиболее отработанных в технологическом плане составов;

- изучение оптических, магнитных и электрофизических характеристик и

процесса перемагничивания эпитаксиальных пленок висмут-содержащих ферритов-гранатов, легированных неизовалентной примесью Са .

- выяснение природы и структуры дефектов, в том числе образовавшихся в результате роста, в имеющихся образцах монокристаллов У3Ре5012: Са и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (В1Тт)3(Ре0а)5012: Са2+, методами термоактивационной токовой спектроскопии;

- разработка установки термоактивационной токовой спектроскопии, способной фиксировать термостимулированные токи в широком диапазоне значений в режиме линейного нагрева, скорость которого можно регулировать;

- определение энергии активации и других электрофизических параметров дефектов по спектрам ТСТ и установление механизмов зарядовой компенсации сверхстехиометрических ионов Са2+ в железо-иттриевом гранате У3Ре5012 и эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов (В1Тт)3(Ре0а)50]2.

Научная новизна работы:

1. Установлена природа высококоэрцитивного состояния в пленках магнитных

2+

гранатов при их легировании ионами Са , формировании напряжений рассогласования, а также при обработке в отрицательном коронном разряде.

2. Впервые методами ТСТП и ТСТП КЗ изучен энергетический спектр электрически активных центров в монокристалле железо-иттриевого граната (ЖИГ) состава У3Ре50]2: Са2+, выращенного методом управляемой кристаллизации и ЭМПФГ (ВГГт)3(Ре0а)5012: Са , выращенных методом ЖФЭ из раствора в расплаве на подложках 0ё30а5012 кристаллографической ориентации <111> при использовании бессвинцового В1-содержащего флюса.

3. Впервые в монокристаллах У3Ре5012: Са обнаружена группа пиков с

температурным положением 342-422 К, что соответствует уровням захвата с энергетическим положением 0,67 - 0,83 эВ. 4. Впервые экспериментально установлено, что спектр термостимулированных токов феррит-гранатовых пленок (В1Тт)3(РеСа)50|2: Са2+ формируется 36-ю локальными центрами, создающими в запрещенной зоне глубокие уровни захвата с энергетическим положением от 0,69 эВ до 1,25 эВ.

Практическая значимость работы:

Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение для спиновой микро- и наноэлектроники, прикладной магнитооптики, СВЧ-электроники, материаловедения ферритов, магнитной микроэлектроники, физики полупроводников и диэлектриков. Конкретно практическая значимость заключается в следующем:

1 Разработана, изготовлена и используется на кафедре ТМЭ автоматизированная установка термоактивационной токовой спектроскопии для исследования электрически активных дефектов в высокоомных полупроводниках и диэлектриках.

2 Разработаны методы наведения высококоэрцитивного состояния в плёнках магнитных гранатов при их легировании ионами Са2+, формировании напряжений рассогласования, а также при обработке в отрицательном коронном разряде;

3 Разработан магнитооптический материал с содержанием 0,1 - 0,4 формульных единиц ионов Са (Патент РФ № 2431205) или ионов (Заявка на патент № 2012157705/090921), имеющий высокую магнитооптическую добротность (56 - 60) град/дБ при X = 0,8 мкм, (350 — 380) град/дБ при X = 1,3 мкм, коэрцитивную силу ~ (2,5 - 15,3) Э и позволяющий получать методом термомагнитной записи высококонтрастные изображения.

4 Предложен способ получения наноразмерных пленок Вьсодержащих ферритов-гранатов (Заявка на патент РФ № 2013143532/067006),

И

позволяющий повысить качество получаемых наноразмерных пленок Вь содержащих ферритов-гранатов, а также величину удельного фарадеевского вращения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- природа наведенного высококоэрцитивного состояния в пленках магнитных гранатов для термомагнитной записи информации;

- результаты комплексного исследования структуры и свойств

2+

монокристаллов У3Ре5012: Са и эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (В1Тт)3(Ре0а)5012: Са ;

- результаты изучения энергетического спектра электрически активных центров в монокристаллах У3Ре5012'- Са , выращенного методом управляемой кристаллизации и ЭМПФГ (В1Тт)3(РеСа)5012: Са2+, выращенных методом ЖФЭ из раствора в расплаве на подложках 0ё30а5012 кристаллографической ориентации <111> при использовании бессвинцового В {-содержащего флюса;

- механизмы зарядовой компенсации сверхстехиометрических ионов Са2+ в монокристаллах У3Ре5012 и эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов