Одномерные магнитофотонные кристаллы с модифицированным магнитоактивным слоем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского

МИХАЙЛОВА ТАТЬЯНА ВЛАДИСЛАВОВНА

УДК 537.6

ОДНОМЕРНЫЕ МАГНИТОФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ С МОДИФИЦИРОВАННЫМ МАГНИТОАКТИВНЫМ СЛОЕМ

01.04.11 Физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Симферополь - 2014

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Таврическом национальном университете имени В. И. Вернадского, г. Симферополь

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор

Бержанский Владимир Наумович,

Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского, г. Симферополь, заведующий кафедрой экспериментальной физики

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

Любчаискнй Игорь Леонидович,

Донецкий физико-технический институт имени A.A. Галкина HAH Украины, г. Донецк ведущий научный сотрудник

доктор физ.-мат. наук, профессор Беляева Алла Ивановна, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков профессор кафедры общей и экспериментальной физики

Защита состоится «05» декабря 2014 г. в 12.00 часов на заседании специализированно! и у чёниги совега Д 52.051.02 в Таврическим национальном университете имени В. И. Вернадского по адресу: 295007, г. Симферополь, проспект академика Вернадского, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таврического национального университета имени В. И. Вернадского по адресу: 295007, г. Симферополь, проспект академика Вернадского, 4. На сайте: http://science.crimea.edu/zashita/mikhailova/index.html

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу: Учёному секретарю Таврического национального университета имени В.И.Вернадского, 295007, г. Симферополь, проспект академика Вернадского, 4.

Автореферат разослан «30 » С^С^^иЛ^ьЛ,_2014 г.

Учёный секретарь специализированного учёного совета Д 52.051.02, кандидат

физ.-мат. наук _< /_ А.Ф. Рыбась

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованию актуальных вопросов магнитооптики тонких и наноразмерных плёнок висмут-замещённых ферритов-фанатов (bismuth-substituted iron garnet - Bi: IG) и одномерных магнитофотонных кристаллов (one-dimensional magnetophotonic crystals - 1D-MPC) на их основе. 1D-MPC вызывают значительный интерес как искусственные наноструктурированные среды для создания микроминиатюрных устройств оптоэлектроники, систем отображения, хранения и передачи информации, магнитной голографии, сенсоров [1].

Современная история фотонных кристаллов (photonic crystal - PC) началась с работ Е. Яблуновича [2], в которых впервые введён в научный обиход термин «фотонный кристалл», сформулирована концепция фотонной запрещённой зоны (photonic band gap - PBG) и проведена аналогия между свойствами PC и кристаллических материалов. PC представляет собой пространственно неоднородную структуру, характеризующуюся периодическим изменением диэлектрической проницаемости с с периодом, допускающую брэгговскую дифракцию света. Периодичность изменения с создают в одной, двух, или трёх пространственных координатах, формируя, одно-, двух- или трёхмерные PC (1D-, 2D- или 3D-PC, соответственно). За счёт явлений интерференции и дифракции при определённых параметрах структуры (геометрических размерах и оптических свойствах составляющих элементов) в некотором фиксированном диапазоне формируется PBG, в пределах которой распространение света подавлено во всех («полная» PBG) или в некоторых избранных направлениях («неполная» PBG, или псевдо-PBG, или стоп-зона). Растущий интерес к уникальным свойствам PC и магнитооптическим (МО) свойствам плёнок Bi: IG, получаемых методами вакуумного осаждения из паровой фазы послужил основанием к созданию группой японских исследователей первых структур магнитофотонных кристаллов (magnetophotonic crystals - MPC), PC содержащих магнитные материалы [3].

Сегодня создано целое направление магнитооптики, магнитофотоника, которое занимается разработкой новых идей и МО устройств на основе MPC. Большинство устройств сконструировано на использовании МО эффектов Фарадея и Керра, возникающих во входящих в MPC ферримагнитных Bi: IG и усиленных структурой за счёт явлений интерференции и дифракции. Наибольшие достижения по увеличению интенсивностей эффектов Фарадея и Керра были получены именно для 1D-MPC [1]. На основе 1D-MPC с Bi: IG созданы МО пространственные модуляторы света с высокой скоростью переключения (несколько ГГц) [1], макеты матрицы отдельных пикселей для МО дисплея с низкими полями управления [4], полутоновый и пространственно-фазовый модуляторы [1] и устройства для МО памяти [5]. Основной проблемой проектирования структур 1D-MPC для различных применений является увеличение МО добротности и нахождение оптимального соотношения величины угла поворота плоскости поляризации и интенсивности света, распространяющегося через кристалл. Решение данной проблемы усложняется особенностями синтеза плёнок ферритов-гранатов с высоким содержанием Bi, имеющих высокие значения углов фарадеевского и керровского

вращений. Свойства наноразмерных плёнок Вг. ГС существенно зависят от условий синтеза, типа подложки и характеристик интерфейса. Качество структуры в целом будет зависеть от качества выполнения и свойств её структурных элементов.

Таким образом, поиск новых типов структур Ш-МРС и технологий их создания на основе магнитных плёнок многокомпонентных Вг ГС с оптимальными оптическими и МО свойствами является важной практической и теоретической задачей современной магнитооптики и магнитофотоники. Актуальность данной работы состоит в разработке Ш-МРС нового типа на основе многокомпонентных В1: ГС и в выявлении особенностей МО эффектов, возникающих в магнитоактивных слоях и структурах 1П-МРС.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена на кафедре экспериментальной физики в сотрудничестве с Отделом функциональных материалов и волоконной оптики Таврического национального университета имени В.И. Вернадского в рамках следующих научно-технических и научно-исследовательских работ по проектам Министерства образования и науки Украины: «Взаимодействие электромагнитных полей различных диапазонов с магнитными монокристаллами, микро- и наноструктурами» (№ госрегистрации 0112Ш00449); «Статистические и динамические эффекты в магнитоупорядоченных кристаллах и структурах» (№ 0113и004207); «Синтез многослойных тонкопленочных структур для одномерных магнитофотонных кристаллов» (№ 0109Ш07293); «Плазмонные магнитофотонные кристаллы на основе тонкоплёночных многослойных гетероструктур для нанофогоники» (№ 0113Ш04422).

Цель и задачи исследования. Цель данной работы состоит в разработке 10-МРС с магнитоактивным слоем из многокомпонентных Вк ГС и оптимальными оптическими и МО параметрами и выявление особенностей МО эффектов, возникающих в магнитных слоях и структурах Ш-МРС. Для достижения данной цели в рамках диссертации поставлены и решаются следующие задачи:

1. Исследование оптических и МО свойств плёнок многокомпонентных Вг ГС для структурных элементов Ш-МРС в зависимости от условий синтеза.

2. Исследование структуры переходного слоя «плёнка - подложка» и магнитных фазовых состояний в наноразмерных однослойных и двухслойных плёнках В1: ГС, синтезированных на ионно-обработанных подложках.

3. Решение уравнений Максвелла для Ш-МРС с магнитоактивным слоем из многокомпонентных Вк ГС, определение оптимальных оптических и МО параметров магнитоактивных слоев и конфигураций Ш-МРС.

4. Выявление особенностей линейных по намагниченности МО эффектов в Ш-МРС с магнитоактивным слоем из многокомпонентных Вк ГС в полярной геометрии, сравнение теоретических расчётов и экспериментальных данных.

Объект и предмет исследования. Объект: тонкие и наноразмерные плёнки многокомпонентных В1: ГС и Ш-МРС на их основе. Предмет: эффекты взаимодействия электромагнитных полей оптического и ближнего инфракрасного диапазона с магнитными плёнками Вк ГС и Ш-МРС на их основе.

Методы исследования. Основными методами определения влияния условий кристаллизации, материала и ионной обработки подложки на состав и свойства тонких и наноразмерных плёнок Bi: IG и исследования свойств 1D-MPC являются методы МО и оптической спектроскопии. Для моделирования структуры и свойств 1D-MPC использован метод матриц переноса 4x4 решения основных электродинамических уравнений Максвелла с тензорами диэлектрической проницаемости функциональных слоев 1D-MPC. Решение уравнений Максвелла и аппроксимация экспериментальных зависимостей оптических и МО спектров реализованы с использованием численных методов.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту, состоит в следующем:

1. Впервые для создания структур 1D-MPC с негранатовыми немагнитными слоями и высоким содержанием Bi предложен модифицированный магнитоактивный слой, состоящий из Bi: IG с низким (буферный слой) и высоким (основной магнитоактивный слой) содержанием Bi.

2. Впервые МО методами идентифицированы структура переходного слоя «плёнка - подложка» и магнитные фазовые переходы (МФП) в наноразмерных плёнках Bi: IG и структурах на их основе. Обнаружены магнитное упорядочение и МО активность в плёнках толщиной несколько элементарных ячеек.

3. В результате модельных расчётов и исследований свойств полученных структур 1D-MPC на основе модифицированных слоёв впервые определены эффективные конфигурации 1D-MPC с максимальными значениями угла поворота плоскости поляризации, добротности и коэффициентов усиления МО эффектов. Полученные значения фарадеевского вращения превосходят в 2-3 раза известные экспериментальные и теоретические результаты для структур 1D-MPC микрорезонаторного типа с негранатовыми немагнитными слоями.

4. Впервые экспериментально и теоретически исследованы спектральные зависимости эффекта магнитного кругового дихроизма (Magnetic circular dichroism - MCD) микрорезонаторных структур 1D-MPC. В результате моделирования свойств рассмотрено влияние MCD в магнитоактивном слое на асимметрию форм резонансных пиков спектров МО эффектов микрорезонаторных 1D-MPC.

Достоверность результатов подтверждается воспроизводимостью полученных экспериментальных зависимостей и их соответствием теоретическим обоснованиям и расчётам. Основные результаты согласуются с экспериментальными и теоретическими данными, полученными ведущими зарубежными, украинскими и российскими научными группами в данной области.

Практическая значимость полученных результатов. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты показали, что характеристики МО устройств магнитооптики и магнитофотоники - вращателей и переключателей, созданных на основе 1D-MPC с плёнками Bi: IG - можно значительно улучшить, используя в структурах 1D-MPC модифицированный магнитоактивный слой. Уникальные свойства наноразмерных слоёв Bi: IG могут быть задействованы в устройствах плазмоники и спинтроники (для создания спиновых токов и вентилях).

Личный вклад автора диссертационной работы. Соискатель в составе авторского коллектива принимал участие в постановке целей и задач исследования, обработке и интерпретации экспериментальных результатов, представленных в диссертации и публикациях [1-28], в написании текстов и подготовке научных статей [1-6], представлял доклады на конференциях и семинарах. Соискатель проводил измерения оптических спектров пропускания плёнок и структур 1D-MPC. Все расчёты спектральных характеристик плёнок Bi: IG и многослойных структур на их основе, были выполнены автором самостоятельно.

Апробация результатов диссертации. Результаты работы были представлены на следующих международных конференциях, семинарах и симпозиумах: Международные конференции "Oxide Materials for Electronic Engineering" [7, 8, 18], V Международная конференция молодых учёных "Low Temperature Physics" [9], XIV Международная конференция "Physics and Technology of Thin Films and Nanosystems" [10], 6-я Международная конференция "Conference on Advanced Optoelcctonics and Lasers" [11], Международные конференции "Functional Materials" [12-15, 24, 25, 28], Украинско-японской конференции по вопросам научно-промышленного сотрудничества [16], Научный международный симпозиум "Magnetics and Optics Research International Symposium" [17, 22], lV-я и V-я Международные научные конференции «Функциональная база наноэлектроники» [19, 23], Симпозиум "Advanced Electromagnetics Symposium" [20], международном научно-практическом форуме «Наука и бизнес - основа развития экономики» [21], Ш-я Международная научная конференция «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники» [26], Международный семинар для молодых учёных "Optics, Photonics and Metamaterials" [27]. Представление результатов на Международной конференции "Functional Materials -2011" [24] отмечено дипломом за лучший доклад молодых учёных.

По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе 6 статей в реферируемых и международных журналах, 22 статьи в сборниках трудов и тезисов международных конференций, семинаров, симпозиумов и научно-практических форумов.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, благодарностей, списка использованных источников и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка и 9 таблиц. Список использованных источников содержит 140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснованы актуальность темы, новизна и практическая значимость работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел диссертации носит обзорный характер. Рассмотрены особенности синтеза Bi: IG и их основные свойства. Существенное внимание уделено 1D-MPC на основе прозрачных плёнок Bi: IG.

Параграф 1.1 состоит из двух частей. В первой части описана кристаллическая структура и приведён анализ основных методов синтеза поликристаллических и монокристаллических плёнок Bi: IG. Получение Bi: 1G со значительным или полным замещением Bi в виде гранатовой фазы возможно только методами вакуумного осаждения из паровой фазы при строгом соблюдении оптимальных режимов синтеза [6]. Существенно на формирование гранатовой фазы влияет материал подложки. Основная проблема, требующая применений новых способов и технологий синтеза, состоит в получении стехиометрических образцов Bi: IG со значительным или полным замещением Bi на экономически выгодных для серийного производства негранатовых слоях, стеклянных или кварцевых подложках. Во второй части представлены магнитная структура, оптические и МО свойства Bi: IG. Чистый Bi: IG - двухподрешёточный ферримагнетик (FIM). В случае заполнения додекаэдрических позиций магнитными ионами структура феррита-граната содержит три магнитные подрешётки. Спины внутри подрешёток сонаправлены, намагниченность октаэдрической а-подрешётки М„ параллельна намагниченности додекаэдрической с-подрешётки Мг и противоположна намагниченности тетраэдрической ¿/-подрешётки Md. Наличие магнитного поля и намагниченности в феррите-гранате приводят к различию распространения право и лево циркулярно поляризованных (соответственно, right circular polarized - RCP и left circular polarized - LCP) компонент света и МО эффектам. МО эффект Фарадея наблюдается при прохождении через магнитную среду и заключается в повороте плоскости поляризации линейно поляризованной волны, распространяющейся вдоль вектора намагниченности среды. При наличии поглощения возникает эффект MCD, который заключается в различии поглощения LCP а и RCP а компонент - Да. Полярный эффект Керра возникает при отражении волны от намагниченной в плоскости падения света среды и заключаются во вращении плоскости поляризации и появлении эллиптичности отражённой волны.

В параграфе 1.2 изложены основные свойства и критерии эффективности существующих 1D-MPC разного типа. Обычно 1D-MPC формируют прозрачные магнитные и немагнитные слои с максимальным контрастом диэлектрической постоянной е. Наиболее широко известны микрорезонаторные [Ta205/Si02]"VBi:YIG/[Si02/Ta205r или периодические [Si02/Bi:YIG]'" [1] 1D-MPC, где Bi:YIG - поликристаллическая плёнка Bi: IG с содержанием Bi меньше или около 1 ат./ф.е. Другим примером 1D-MPC являются микрорезонаторные [BIG/YIG]"7BIG4/[YIG/BIG]'" [7] и периодические [BIG/GGG]'" [8] полностью гранатовые структуры на основе монокристалических плёнок BIG. 1D-MPC формируют новые спектральные зависимости МО эффектов. При этом происходит

их усиление по сравнению с тонкими плёнками в окрестности краёв PBG и находящихся в центре PBG резонансных длин волн ÁR (для микрорезонаторных 1D-МРС). Рекордные значения усиления МО эффектов и угла поворота плоскости поляризации получены для ID-MPC с микрорезонаторной структурой. Для оценки эффективности 1D-MPC для различных применений используют МО добротность (или МО фактор качества) [1,7, 8]:

Q = 2-\0f]/а [°], или (1)

F = К, ■ sin(2 • ) [%], (2)

где 0| - удельное FR 1D-MPC, определённое нормированием на суммарную толщину

магнитоактивных слоёв Лм, а = _ коэффициент поглощения 1D-MPC.

йм

В параграфе 1.3 представлены выводы первого раздела, определяющие цели и задачи диссертационной работы.

Второй раздел посвящен методам и условиям синтеза и характеризации свойств исследуемых в диссертационной работе плёнок Bi: IG и многослойных структур 1D-MPC на их основе.

В параграфе 2.1 подробно изложены все стадии получения образцов тонких и наноразмерных плёнок Bi: IG и структур 1D-MPC. В первой части рассмотрено получение висмутсодержащих гранатовых мишеней. Во второй части приведены оптимальные режимы и способы синтеза плёнок Bi: IG. Оптимальными для применений в 1D-MPC оказались плёнки составов Bii.oYo.sGd].sFe^Alo.eO^ (Ml), BÍ2.8Yo.2Fe5Oi2 (M2) и Bi1.5Gd1.5Fe4.5Gao.5O12 (МЗ), которые получены методом ионно-лучевого распыления (reactive ion beam sputtering - RIBS) в Ar-0 смеси на холодные подложки с последующей кристаллизацией в воздухе при атмосферном давлении и температуре 680 °С в течение 15-20 минут. На основе ферритов-гранатов Ml, М2 и МЗ возможно создание модифицированных магнитоактивных слоёв с высоким содержанием Bi и разными магнитными и МО параметрами для структур 1D-MPC, содержащих негранатовые слои диоксидов кремния Si02 и титана TiOj. Для получения таких слоёв используется двухэтапная технология синтеза. На слой SÍO2, кварцевую или ситалловую подложку наносится буферный слой (подслой) состава с меньшим содержанием Bi Ml. Затем после отжига и кристаллизации буферного слоя проводится напыление, отжиг и кристаллизация слоя с высоким содержанием Bi М2 или МЗ. С целью исследования свойств модифицированных слоёв были синтезированы образцы однослойных Ml, М2, МЗ, двухслойных М1/М2 и трехслойных Si02/Ml/M2 плёнок на подложках GGG или КМЦГГГ с ориентацией (111) и плёнки М1 различной толщины на подложках из ситалла или плавленого кварца. Влияние скорости нагрева при отжиге исследовалось на образцах Bi: IG, кристаллизованных со скоростями нагрева ~2°/мин (тип А) и ~40°/мин (тип В).

Для идентификации структуры переходного слоя «плёнка - подложка» были получены две серии плёнок с толщинами от 92,8 до 1,5 нм, распылённых с мишени состава BÍ2,8Yo.2Fe5Oi2 (М2) и синтезированных на подложках GGG ориентации (111). Предварительно подложки были обработаны низко-энергетической плазмой Аг и плотностью тока 1 мА-см"2 (плёнки I типа) или пучком ионов Аг с энергией

1 кэВ и плотностью тока 2,5 мА-см"2 (плёнки II типа). На основе плёнки с толщиной 8,2 нм II типа созданы двухслойные структуры общей толщиной от 8,7 до 11,2 нм. Верхний слой структуры представляет собой слой граната, который распылён и синтезирован с мишени того же состава М2.

В третьей части представлены методы и условия синтеза образцов 1D-MPC. Всего в работе рассмотрено 13 образцов 1D-MPC периодической и микрорезонаторной структуры с обычными и модифицированными магнитоактивными слоями на подложках GGG ориентации (111) или плавленого кварца марки КУ-1. Основным методом получения магнитных слоёв и некоторых структур 1D-MPC является RIBS. Диэлектрические слои 9 микрорезонаторных 1D-МРС с количеством пар слоёв в зеркалах Брэгга (Brag Mirrors - ВМ) m = 4, 7 изготовлены методом электронно-лучевого испарения с применением оптического контроля толщины в процессе напыления.

Параграф 2.2 содержит описание методов исследований оптических, МО и магнитных свойств плёнок Bi: IG и многослойных структур на их основе. Параграф состоит из четырёх частей. В первой части описаны экспериментальные установки для измерения оптических спектров пропускания и отражения, изложены методики определения показателя преломления п, поглощения а и толщины h тонких плёнок по спектрам пропускания. Во второй части приведено описание установок для измерения спектральных зависимостей фарадеевского вращения (Faraday rotation -FR), MCD и магнитооптических петель гистерезиса (Faraday hysteresis loops - FHL). По измеренным на длине волны 655 нм FHL определялись тип магнитной анизотропии, коэрцитивная сила Нс. напряжённость магнитного поля насыщения #s, температуры Кюри Тс и компенсации 7"сотр плёнок и структур 1D-MPC. Величина MCD ДА в эксперименте определялась как

M = [(Г-Г)/(Г + Г)]/Л(см-'), (3)

где Г и Г - интенсивности право и лево циркулярно поляризованного света; h - толщина плёнок без учёта немагнитного при комнатной температуре переходного слоя. Измеренные значения MCD АА имеют противоположный истинным значениям MCD Да знак.

Третья часть посвящена феноменологическому и микроскопическому описанию МО эффектов, возникающих в Bi: IG. Компоненты тензора диэлектрической проницаемости ём могут быть связаны с экспериментально определяемыми величинами в случае нормального прохождения света через магнитную плёнку Bi: IG [9]:

е'„ =п~ -к:, е=2 - п к, (4)

= (- л/Jaj, fi", = (-л/к-^ndaj,

(5)

где л - длина волны света в вакууме, п - показатель преломления, к - коэффициент затухания, 6>р - удельный угол FR, Аа - МСО. Для А выше 500 нм, где поглощение В4: УЮ мало, следующие приближения уравнений (5) могут быть использованы

е лп^■ = - А п & г /к , е £ = Л и Д а /4 п . (6)

Для Я ниже 500 нм приближения (6) не выполняются, но можно говорить о качественном совпадении форм линий е(А) и £» (л) и измеряемых спектральных зависимостей 0Р (л) и Аа (Я). Согласно рассмотренной модели электро-дипольных переходов с диамагнитной формой линией [9] спектры 0Р (л) и Аа (л) В1: Ю формируют 3 МО активных перехода, резонансные частоты и интенсивности которых зависят от концентрации В1 и Ие. Благодаря этому плёнки Вк Ю с высоким содержанием В1 становятся идеальными объектами для исследований структуры переходного слоя «плёнка - подложка» методами МО спектроскопии.

В четвёртой части кратко изложен метод решения основных электродинамических уравнений Максвелла для многослойной структуры - метод матриц переноса [10]. Уравнения Максвелла для диэлектрических сред (магнитной и немагнитной) в оптическом диапазоне частот записываются в виде:

V х Е(г,/) = ¡(¡>{¡0 Н(г,0. V х Н(г,Г) = -/'ш£о £ Е(г,Г), (7)

где Н(г,о и Е(г,о - вектора магнитного и электрического полей электромагнитной волны, г - радиус-вектор, Г - время, е0 и ра - диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума. Для представления уравнений (7) в матричной форме вводится вектор состояния, компонентами которого являются проекции векторов электрического и магнитного полей

Р=(е„а.и (8)

где ех = еьЕх , еу =ЕоЕу, и, = цаН, /с. А, = роНу /с, с - скорость света в вакууме. Для магнитного и немагнитного слоя записываются матрицы переноса, связывающие компоненты электромагнитного поля на границах этих слоёв. За счёт условий непрерывности для векторов состояний на границах разделов сред в рассматриваемой системе формируется уравнение, численное решение которого определяет коэффициенты пропускания К, и отражения Кг, углы ИЯ 0Р и КЛ 0К 10-МРС. При этом рассматривается, что ТМ поляризованный свет падает перпендикулярно поверхности Ш-МРС. Спектральная зависимость МСЭ Ш-МРС вычислялась как

АЛ = (9)

{к; + кг)

где КГ и КГ - коэффициенты пропускания ЯСР и ЬСР волн, соответственно.

В параграфе 2.3 представлены выводы второго раздела.

Третий раздел содержит результаты исследований свойств магнитоактивных слоёв для Ш-МРС. Особое внимание уделено влиянию на свойства плёнок скорости нагрева при кристаллизационном отжиге, материала и ионной обработки подложки.

В параграфе 3.1 описываются характеристики плёнок и модифицированных слоёв Вк ГС. В первой части обсуждается кристаллическое качество и стехиометрия получаемых плёнок Вк ГС. Для модифицированного слоя М1/М2, предлагаемого в качестве магнитного дефекта Ш-МРС и кристаллизованного на 8102, слой М2 имеет параметр решётки а = 1,2620 нм и монокристаллическое качество, слой М1 -поликристаллический. Во второй части приведены спектры Кх для плёнок В1: Ю, кристаллизованных с разными скоростями нагрева и на подложках с разной ионной

обработкой. Обсуждаются спектральные зависимости оптических постоянных МО активных слоев М1, М2 и МЗ, полученных в результате расчёта спектров К,. В третьей части приведены зависимости угла РЯ 0Г от температуры кристаллизационного отжига Та для составов ферритов-гранатов М1 и М2, РНЬ и используемые для расчётов свойств Ш-МРС спектральные зависимости удельного угла ЕЯ и МСО МО активных слоев М1, М2 и МЗ. Полученные данные расчётов оптических спектров и МО спектры подтверждают происходящие «красный сдвиг» и увеличение интенсивности оптических и МО переходов с ростом содержания Вь Исследования МСО к К в плёнках М1 разной толщины на подложках из оптического ситалла показали, что формирование гранатовой фазы М1 происходит при толщинах плёнок больших 60 нм. Данный факт ограничивает толщины используемого буферного слоя в модифицированном слое 10-МРС.

В параграфе 3.2 представлены результаты исследований влияния ионной обработки подложек на МО свойства наноразмерных плёнок Вк Ю и структур на их основе. МО методами исследованы сгруктуры переходных слоев «плёнка -подложка» и магнитных фазовых переходов (МФП). Параграф состоит из двух частей.

В первой части приведены спектры МСО в диапазоне длин волн А от 270 до 850 нм и РЯ на / = 655 нм для полученных на обработанных ионно-лучевым методом подложках двух серий плёнок М2 I и II типов. Спектры МСО плёнок I и II типов в исследуемом диапазоне толщин (по крайней мере для И > 5,8 нм) имеют форму, типичную для Вк ГС с большим содержанием Вк два пика противоположных знаков и точка пересечения с осью длин волн (далее будем называть её «точкой нуля», А = 0). Положение и амплитуда коротковолнового (/.^ длинноволнового (/.|Л. и Апиков, а также значения длин волн точки нуля зависят от резонансных частот, полуширины и интенсивности (плотности активных ионов и силы осцилляторов) МО переходов. МО свойства плёнок I и II типов с Л больше 12 нм изменяются незначительно. Размерные эффекты (значительные изменения МО и магнитных свойств плёнок) наблюдаются при толщинах меньше критической Игг~ 11 нм. На рис. 1 представлены спектры МСО плёнок I или II типа с А = 8,7, 5,8 и 2,9 нм. В случае плёнок II типа при Лг, = 11 нм происходит инверсия знаков МО эффектов, а в спектрах плёнок с Л = 8,7, 5,8 и 2,9 нм появляются признаки диамагнитного разбавления ¿/-подрешётки феррита-граната. В сравнении со спектрами МСО плёнок I типа в спектрах МСО плёнок II типа возникает уширение коротковолнового пика в окрестности 320 нм и изгиб длинноволнового пика в окрестности 425 нм. Происходящее с уменьшением толщины диамагнитное разбавление приводит к инверсии знака МСО плёнок II типа. Относительное изменение значений намагниченностей а- и ¿/-подрешёток феррита-граната являются причиной их переориентации во внешнем магнитном поле, так называемого, спин-переориентационного МФП из одной Р1М фазы в другую (ФП типа «порядок - порядок») [11]. Рис. 2 демонстрирует изменения интенсивности МО эффектов 0Р и А\п и наблюдаемые магнитные фазовые состояния при увеличении толщины плёнок I и II типа от 1,5 до 23,2 нм и темперетуре Т = 300 К.

Рис. 1. Спектральные зависимости MCD ДА плёнок М2 толщиной 8,7 и 5,8 нм I и II типов при температуре Т = 300 К (а) и толщиной 2,9 нм I типа при Т = 300 К и II типа при разных Г (б). Значения сигнала MCD ДЛ на рис. (б) для плёнки II типа при Т= 200 и 250 К увеличены в два раза.

Рис. 2. Зависимости удельного угла РЯ 0Р (а) и амплитуды длинноволнового пика спектров МСИ Аы наноразмерных плёнок М2 I и II типа от их толщины И, полученные при полях насыщения Н5 и Т = 300 К. На вставках рис. (а) показаны ЯНЬ некоторых плёнок (в разных шкалах). На рис. (б) приведена и магнитная фазовая диаграмма плёнок II типа.

Для плёнок II типа толщиной 5,8 им (рис. 1 и 2) слабая МО активность наблюдается при 300 К. Для плёнок толщиной меньше 5,8 нм МО активность отсутствует. При толщинах менее 5 нм в таких плёнках происходит ФП типа «порядок - беспорядок» из И1М состояния в парамагнитный (РМ), при этом температура этого ФП снижается при уменьшении толщины. При уменьшении толщины плёнок II типа до 1,5 нм одновременно с изменениями интенсивности происходит «синий сдвиг» частоты МО переходов и спектров МСО (рис. 3). Для плёнок I типа, синтезированных на подложках с минимальной ионной обработкой, МО активность и Р1М упорядочение при 300 К наблюдается во всем исследуемом диапазоне толщин, вплоть до 1.5 нм. Для них слабо выражен «синий сдвиг» и отсутствует инверсия знака МО спектров, хотя при толщинах меньше к„ ~ 11 нм наблюдается слабое уменьшение интенсивности МО переходов и амплитуды пиков в спектрах МСО.

Плёнки II типа имеют «левые» FHL и перпендикулярную анизотропию (К, = 0,8 - 0,9) при h < hlT и ((правые» FHL при h > Л„ (рис. 2, а). Зависимость коэрцетивной силы Нс от толщины для плёнок II типа имеет максимум в окрестности hrr= 11 нм, характерный для температурных зависимостей Нс в окрестности Гсотр. Плёнки I типа характеризуются «правыми» FHL и плоскостной или частично плоскостной магнитной анизотропией во всём диапазоне толщин, как и толстые (Л > 100 нм) плёнки Bi: IG. С уменьшением h плёнок 1 типа Н% увеличивается 4-5 раз по сравнению с толстыми плёнками и составляет 4,5 кЭ для наноразмерных плёнок.

Рис. 3. «Синий сдвиг» особых точек спектров MCD: длинноволновых пиков (линии 1 и 2),

коротковолновых пиков Ashw (линии 5 и 6) и точек нуля л^, (линии 3 и 4) при изменении толщины плёнок М2 I и II типа, соответственно, и температуре Г = 300 К. Соответствующие

координаты для плёнок II типа толщиной 5,8 и 2,9 нм при 8 К показаны звёздами.

Отличие свойств плёнок двух серий связано с влиянием ионной обработки поверхности подложки GGG на формирование переходного слоя «плёнка -подложка». Обработка поверхности пучком Аг с энергией 1 кэВ (плёнки II типа) приводит к образованию аморфного слоя на поверхности GGG толщиной несколько нанометров. Как результат, в процессе кристаллизационного отжига образуется плёнка феррита-граната с общим составом (BiGdY)3(FeGa)5Oi2 и неоднородным распределением элементов по толщине. Состав плёнок I типа соответствует составу мишени М2 и его изменение при уменьшении толщины незначительно.

Во второй части показано, что контролируемую инверсию знаков МО эффектов можно реализовать посредством создания двухслойных структур М2 II типа / М2, состоящих из плёнок с разными знаками МО эффектов. Нижний слой структуры представляет собой пленку М2 II типа толщиной 8,2 нм и имеет положительный О у, «левую» FHL и Тс = 100 "С. Верхний «тонкий» слой толщиной от 0,5 до 3 нм имеет отрицательный знак 0F и Тс > 400 °С. Инверсия знака МО эффектов возникает в двухслойной структуре с h = (8,2 + 0,5) нм в больших полях (Н > 4 кЭ) при Гсотр ~ 40 °С, а в малых полях (до 300 Э) - при более высоких Т. Как и в случае плёнок II типа инверсия знака МО эффектов связана со СПМФП, который происходит в окрестности суммарной толщины структуры hCI= 10,6 нм. СПМФП связан с изменением интегрального содержания ионов ВГ и Fe' в структуре при нанесении и кристаллизации верхнего слоя или возникновением между слоями антиферромагнитного обменного взаимодействия. В первом случае инверсия суммарной намагниченности происходит во всём объёме структуры, во втором -только в нижнем слое.

X

Л 400

В параграфе 3.3 представлены выводы третьего раздела.

В четвёртом разделе предложены и исследованы периодические и микрорезонаторные Ш-МРС на основе диоксидов 8Ю2 и ТЮ2 и модифицированного магнитоактивного слоя - двухслойной феррито-гранатовой плёнки М1/М2 илиМ1/МЗ.

Параграф 4.1 описывает оптические и МО свойства Ю-МРС периодической структуры с модифицированным магнитоактивным слоем М1/М2: М2/8Ю2/[М1/М2/8Ю2]4, полученный на подложке вСО. На экспериментальном и рассчитанном без учёта влияния подложки и поглощения слоёв спектрах К, (рис. 4, а) присутствуют три РВв с центрами Я0 на 484, 745 и 1575 нм. Вторая РВО с До = 745 нм выражена менее чётко. Периодические структуры подобного типа отличаются сложностью синтеза и невысокой эффективностью усиления МО эффектов: максимальное значение в исследуемом диапазоне длин волн 0Р =-3,7 ° (-6,7 °/мкм) наблюдается для Я = 710нм (рис.4, б). Усиление эффекта Фарадея ? в сравнении со слоем М1/М2 для этой Я составляет 2,6 раз; МО добротности (1) и (2) - 0 = 8,1 и /г=5,15. РНЬ для л = 655 нм (рис.4, в) Ю-МРС свидетельствует об анизотропии типа «лёгкая плоскость» составляющих магнитных слоёв и наличии обменных связей между ними.

Рис. 4. Спектральные зависимости коэффициента пропускания К{ (а, эксперимент - пунктирная линия, теория - сплошная линия) и угла FR 0F (б) и FHL на л = 655 нм (в) 1D-MPC периодической структуры GGG(111)/M2/Si02/[M1/M2/Si02]4: суммарная толщина магнитных слоёв hM = 1172 нм; общая толщина слоёв D = 1602 нм.

В параграфе 4.2 представлены результаты оптимизации и исследований свойств 1D-MPC микрорезонаторной структуры с модифицированным магнитоактивным слоем и негранатовыми ВМ [Ti02/Si02]"'. Параграф состоит из трех частей.

В первой части с целью определения эффективности микрорезонаторных 1D-МРС на основе модифицированного магнитного слоя проведено моделирование различных конфигураций 1D-MPC с общей формулой [Ti02/Si02]"'/M/[Si02/Ti02]"', где M - однослойная или двухслойная магнитная плёнка:

- Mbîl с низким содержанием Bi и оптической толщиной /м = Яо/2 (MPC 1 );

- MniL/MBiH с /м = Яо/2 (МРС2), где Мшн - слой с высоким содержанием Bi;

- MBiL/MBiH с /м = Яо (МРСЗ).

На рис. 5 (а и б) приведено сравнение добротностей Q (1) МРС1, МРС2 и МРСЗ при разном поглощении основного МО активного слоя в зависимости от числа пар диэлектрических слоев в ВМ m на резонансной длине волны ÀR, совпадающей с центром PBG Ао, Ло = Âr. Зависимость добротности F от m (2) имеет аналогичный характер. Максимальные значения (Утах и F1^ соответствуют оптимальным числам m'op, (i- индекс 1D-MPC: i=l для МРС1, i = 2 для МРС2, i=3 для МРСЗ) и удовлетворяют условиям: Q]m<QLt<QLx и ^Lx < fL* < F™,. Увеличение оптической толщины магнитоактивного слоя от /</2 до Âo приводит к уменьшению m'Dpt без уменьшения значения Q^ или Fmax. Эффективность 1D-MPC с модифицированным магнитным слоем зависит от соотношения добротностей магнитных слоев /= QBîl ! É?bîh- Добротность 1D-MPC при /< 1 уменьшает основной магнитоактивный слой и применение модифицированного слоя в данном случае не выгодно. Добротность 1D-MPC с m < wop, понижает использование подложки с высоким показателем преломления. На добротность 1D-MPC с m > mop, наличие подложки не влияет.

Рис.5. Добротность Q МРС1 (1), МРС2 (2) и МРСЗ (3) со слоем M1/BIG на подложке из GGG в зависимости от числа пар слоёв в ВМ т при/= 2,1 (а) и/= 1,05 (б) и добротность F 1D-MPC со слоем М1/М2 на подложке из плавленого кварца в зависимости от толщины основного магнитоактивного слоя М2 Лмг на резонансных длинах волн aRi (г) и Ящ (в).

Исследование эффективности 1D-MPC в зависимости от толщины магнитоактивного слоя /¡м при других равных параметрах слоёв структуры показало, что добротность микрорезонаторных 1D-MPC с модифицированным слоем может быть увеличена за счёт использования конфигураций 1D-MPC с оптической толщиной магнитного слоя /У2 < /м < Яс или ло < < Зло/2 и двумя резонансными пиками внутри PBG на /.ri и /.щ (при /о Ф /.r). Оптимальными являются 1D-MPC с наибольшей добротностью на /.ri и и /м «3/.о/4 или 5Яо/4. На рис. 5 (в, г) представлены зависимости добротности F на Ящ и /.ri от /м при изменении /м от /^2 до /о-

Во второй части рассмотрено формирование спектральных зависимостей эффекта Фарадея, полярного эффекта Керра и MCD, а так же особенности распространения RCP и LCP света в микрорезонаторных 1D-MPC в зависимости от компонент е'„ и е"ху магнитоактивных слоёв. Показано, что наличие разности поглощения RCP и LCP компонент Аа в магнитоактивном слое приводит к асимметрии форм линий резонансных пиков. Приведены зависимости углов FR и

КЯ и VIС О для Ш-МРС от соотношения г = е'х>/е"ц основного магнитоактивного слоя и числа т. Для случаев, представленных на рис. 4.6: (а)-(с!) - эффект двулучепреломления Ап± * 0, Да=0 и резонансные пики пропускания равной амплитуды расположены на разных длинах волн Ая+ Ф (е)-(Ъ) - \п± = 0, Да * О и резонансные пики пропускания разной амплитуды расположены на одной длине волны /.[*+ = /.[[_, 0)-(т) - Ап± 0 и Да ^0, резонансные пики пропускания разной амплитуды расположены на разных длинах волн Ф Яя_.

685 690 695 700 705 " 685 690 695 700 705 " 685 690 695 700 705 Л,нм Л,нм Я,нм

Рис. 6. Спектры коэффициентов пропускания RCP и LCP компонент, углов FR &v и KR вк и MCD модельного 1D-MPC [Ti(VSi02]'7Ml/[Si02/Ti02]"' на подложке из плавленого кварца с m = 4 и 7 в окрестности /R = 695 нм; отношение компонент êM слоя Ml г = е'„/е"„ = 0,5. Значения К^ and А",- для 1D-MPC с m = 1 увеличены в 20 раз.

В третьей части рассматриваются оптические и МО свойства синтезированных микрорезонаторных 1D-MPC.

Спектральные характеристики 1D-MPC [Ti02/Si02]5/M/[Si02/Ti02]5 (М = М1,

М1/М2 и М1/МЗ) на подложках из GGG демонстрируют наибольшую эффективность струкгур со слоем М1/М2 (1</<2). Слой М1/МЗ в 1D-MPC показал большее оптическое поглощение. МО добротности и усиление эффекта Фарадея данных 1D-MPC со слоем Ml и М1/М2 соответственно составили Q = 5,3°, F= 2,6%, / = 21 и 2=11°, F= 4,3 %, /=13. Представленные на рис. 7 FHL 1D-MPC указывают на то, что 1D-МРС различного типа магнитной анизотропии могут быть реализованы в зависимости от состава магнитного слоя.

1.0 0.5

о

•0.5 ■1.0

1 3

/у —2

•1.6 -0.8

о

Я, кЭ

0.8

1.6

Рис. 7. FHL

1D-MPC

[TiOj/SiOi] /M/[Si02/Ti02] со слоями Ml (1), М1/М2 (2) и М1/МЗ (3).

Полученные Ш-МРС со слоем М1 характеризуется анизотропией тина «лёгкая ось», со слоем М1/М2 - «лёгкая плоскость». Ш-МРС со слоем М1/МЗ имеет промежуточные значения магнитных характеристик.

Рекордные значения угла РЯ и МО добротности были достигнуты для микрорезонаторных Ю-МРС [ТЮз/ЯЮ^Г/МЬ'Мг/^Ю/ГЮз]"' на подложках из плавленого кварца с 1м~ 5Ао/4 и т = 7 = -20,6 0 (-66°/мкм) и с т = 4 0 = 15,1 0 на л = 625 нм. Наибольшее усиление эффекта Фарадея ? = 44 — для 1Б-МРС с /м « Зло/5 и от = 7 л «731 нм. Данные показатели обусловлены распределением интенсивности электромагнитного поля световой волны внутри 1Б-МРС. Как было отмечено ранее для таких конфигураций 1В-МРС, внутри РЕЮ возникают два резонансных пика с длинами волнлщ иЯяг (рис. 8, 9 и 10).

Л,нм Л, им

Рис. 8 Экспериментальные (линия и символы) и рассчитанные (линия) спектры коэффициента пропускания К, и угла РЯ 0Р 1П-МРС с т = 4 (а) и 7 (б) и оптической толщиной слоя М1/М2 л0 < (/м ® 5/.0/4) < Зл0/2.

Л,нм Я,им

Рис. 9. Экспериментальные (линия и символы) и рассчитанные (линия) спектры коэффициента отражения К, и угла КЯ 0к ' О-МРС с т = 4 (а) и с т = 7 (б) и оптической толщиной слоя М1/М2 Яо < (/м ~ 5Яо/4) < Зло/2.

В спектрах 0/г 1О-МРС с т = 4 в окрестности Лщ формируется область л с положительным значениям (рис. 8, а), а с т = 1 - плато в РВС между /.щ и Дщ. Асимметрия резонансных пиков и наличие отрицательных значений 0Р является следствием наличия существенного МСО в магнитном слое. Отношение г для М1 и М2 на /.щ в структуре Ш-МРС принимает соответственно значения 0,24 и 0,28.

Возможными факторами, влияющими на возникновение «эффекта плато», являются образование дополнительных локализованных состояний света и нелинейные эффекты. Спектры угла полярного KR демонстрируют наличие основного отрицательного пика на Ar и два дополнительных положительных пика в его окрестности. Максимальные значения угла KR 0К = -8,9° получены для 1D-MPC с /м * 5Ао/4 и m = 4. Экспериментальные (линия и символы) и рассчитанные (линия) спектры MCD для 1D-(линия и символы) и рассчитанные MPC с ш = 4 и со слоем оптической толщины (линия) спектры M CD 1D-MPC с ;.0 < (/м = ЗА»/5) < 3V2 представлены на рис.10, m = 4 и оптической толщиной слоя резонансные пики MCD S-образной формы М1/М2 Яо < (/м = ЗАо/5) < Зло/2. формируются в окрестности лк| и ÀR2-

В параграфе 4.3 представлены выводы

четвёртой главы.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, в которой впервые:

1. Предложены, оптимизированы и исследованы оптические и МО свойства 1D-MPC на основе диоксидов Si02 и ТЮ2 с модифицированным магнитоактивным слоем -двухслойной феррит-гранатовой плёнкой с низким ( 1 ат./ф.е., буферный слой) и высоким (1,5-3 ат./ф.е., основной магнитоактивный слой) содержанием Bi.

2. Экспериментально показано, что периодические 1D-MPC с модифицированным магнитоактивным слоем являются недостаточно эффективными для усиления МО эффектов.

3. Моделирование оптических и МО свойств микрорезонаторных 1D-MPC показало, что использование модифицированного слоя приводит к увеличению МО фактора качества 1D-MPC, если соотношение МО добротностей составляющих плёнок ферритов-гранатов с низким и высоким содержанием Bi £)BiH/gBjL > 1. Определены эффективные конфигурации 1D-MPC с модифицированным магнитоактивным слоем и максимальными значениями угла поворота плоскости поляризации, добротности и усиления МО эффектов. Показано, что асимметрия форм резонансных пиков спектров МО эффектов в микрорезонаторных 1D-MPC связаны с наличием магнитного кругового дихроизма в модифицированном магнитоактивном слое.

4. Предложенные и синтезированные конфигурации микрорезонаторных 1D-MPC с модифицированным магнитоактивным слоем Bi i .oYo.sGd i -5Fe4,2 Al0.gO 12/ Bb.sYo.iFesOio оптической толщины /м « 5Яо/4 на AR| « 625 нм продемонстрировали рекордные значения при m = 7 угла фарадеевского вращения 0F = -20,6 0 (-66°/мкм) и при m = 4 МО добротности Q = 15,1 0 и угла керровского вращения 0К = - 8,9°. Наибольшее усиление эффекта Фарадея t = 44 получено для ID-MPC с /м ~ ЗЯо/5 и m = 7. Данные значение &F превосходят в 2-3 раза известные экспериментальные и теоретические результаты для структур 1D-

550 600 650 700 750 Л, нм

Рис. 10. Экспериментальные

MPC на основе негранатовых слоев. Экспериментально показано, что в зависимости от состава магнитного слоя 1D-MPC могут иметь различную величину и тип магнитной анизотропии.

5. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных спектральных зависимостей эффекта магнитного кругового дихроизма микрорезонаторных структур 1D-MPC и показано, что S-образная форма резонансных пиков является следствием различия резонансных условий для право и лево циркулярно поляризованных компонент. Показано, что усиление эффекта Фарадея внутри фотонной запрещённой зоны в 1D-MPC с модифицированным магнитоактивным слоем и числом пар слоёв в зеркалах Брэгга m = 7 не может быть интерпретировано в рамках рассматриваемой модели многослойных структур с магнитными плёнками Bi: IG.

6. В результате исследований оптических и МО свойств плёнок многокомпонентных Bi: 1G для структурных элементов 1D-MPC показано, что оптимальные оптические и МО характеристики плёнок ферритов-гранатов, полученных методом ионно-лучевого распыления в Аг-О смеси на холодные подложки с последующей кристаллизацией, могут быть достигнуты при использовании низких скоростей кристаллизационного отжига. Оптимальная толщина буферного слоя в двухслойной структуре должна быть не меньше толщины Ло/4п.

7. Методами МО спектроскопии произведена идентификация структуры переходных слоев «плёнка - подложка» и МФП в плёнках Bii.eYojFesOii толщиной от 92,8 до 1,5 нм. Обнаружено, что при уменьшении толщины наноразмерных плёнок, синтезированных на подложках с высокоэнергетической ионной обработкой и с максимально нарушенным поверхностным слоем, происходит «синий сдвиг», уменьшение интенсивностей и инверсия знаков МО эффектов при достижении критической толщины ha = 11 нм. С уменьшением толщины данных плёнок при температуре Т= 300 К происходят два МФП: спин-переориентационный переход из одной ферримагнитной фазы в другую при Лсг = 11 нм и переход в парамагнитное состояние при h » 5 нм. Происходящие МФП объясняются замещением Bi1+ и Fe3+ ионами Ga3+ и Gd1 из нарушенного поверхностного слоя подложки и образованием градиентного распределения элементов по толщине плёнки. Установлено, что для наноразмерных плёнок, синтезированных на подложках с низкоэнергетической ионной обработкой и с минимально нарушенным поверхностным слоем, МО активность и FIM упорядочение наблюдается во всём исследованном диапазоне толщин. В таких плёнках слабо выражен «синий сдвиг» и отсутствует инверсия знака МО спектров, а состав соответствует составу мишени. Впервые обнаружены магнитное упорядочение и магнитооптическая активность в плёнках толщиной несколько элементарных ячеек.

8. В исследованных двухслойных наноструктурах обнаружены эффект управляемого инвертирования знака МО эффектов и СПМФП в «толстом» нижнем слое (BiGdY)j(FeGa)5Oi2 (Л = 8,2 нм) при контакте с «тонким» верхнем слоем стехиометрического состава Bii.gYo^FesOi: (Л = 0,5-3 нм). Предложены, концентрационный и обменный механизмы спин-переориентационного МФП.

Список цитируемой литературы

1. Inoue М. Magnetophotonic Crystals: Experimental Realization and Applications/ M. Inoue, A. V. Baryshev, T. Goto [et al.]; M. Inoue et al. (eds.) // Magnetophotonics. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg. - 2013. - P. 163.

2. Yablonovitch E. Photonic band-gap structures / E. Yablonovitch // JOSA B. - 1993. -Vol. 10, Issue 2. -P. 283.

3. Magneto-optical properties of one-dimensional photonic crystals composed of magnetic and dielectric layers / M. Inoue, K. Arai, T. Fujii, M. Abe // J. Appl. Phys. -1998. - Vol. 98. - No. 11. - P. 6768(1-3).

4. Grishin A. M. Low field driven latching-type BijFesO^/GdjGasOu magneto-optical display / A. M. Grishin, S. I. Khartsev, S. Bonetli // Appl. Phys. Lett. - 2006. -Vol. 88, No. 24. - 242504.

5. Пат. 2001194639 Япония, МПК7 G02F1/09. Magneto-optical body / Inoue M„ Fujii Т., Takayama A., [et al.]. № 20000232020 ; заявл. 31.07.00 ; опубл. 19.07.01.

6. New magneto-optical garnet Bi3Fe.sOi2 / T. Okuda. T. Katayama, K. Satoh, [et al.] ; eds. H. L. Huang & P. C. Kuo // Fifth Symposium on Magnetism and Magnetic Materials "Recent Advances in Magnetism and Magnetic Materials" : Proceedings. -P. 61-76.

7. Kahl S. Bismuth iron garnet film for magneto-optical photonic crystals : doct. diss, condensed matter physics / S. Kahl. - Stockholm, 2004. - 133 p.

8. Khartsev S. I. [Bi3Fe50i2/Gd3Ga5012]nl magneto-optical photonic crystals / S. I. Khartsev and A. M. Grishin // Appl. Phys. Letters. - 2005. - Vol. 87. - P. 122504.

9. Dionne G. F. Magnetic Oxids / G. F. Dionne. - New York : Springer Science + Business Media, LLC, 2009. - 466 p.

10.Theoretical analysis of optical and magneto-optical properties of one-dimensional magnetophotonic crystals / H. Kato, T. Matsushita, A. Takayama, [et al.] // J. App. Phys. - 2003. - Vol. 93, No 7. - P. 3906.

И.Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках / К. П. Белов, А. К. Звездин, А. М. Кадомцева, Р. 3. Левитин. - Москва : Наука, 1979. - 318 с.

Список печатных работ по теме диссертации Статьи в реферируемых и международных журналах:

1. Modification of Bi: YIG film properties by substrate surface ion pre-treatment / A. N. Shaposhnikov, A. R. Prokopov, A. V. Karavainikov, V. N. Berzhansky, Т. V. Mikhailova, V. A. Kotov, D. E. Balabanov, I. V. Sharay, O. Y. Salyuk, M. Vasiliev, V. O. Golub // Materials Research Bulletin. - 2014. - Vol. 55. - P. 19.

2. Magneto-optics of nanoscale Bi:YIG films / V. Berzhansky, T. Mikhailova, A. Shaposhnikov, A. Prokopov, A. Karavainikov, V. Kotov, D. Balabanov, and V. Burkov // Appl. Opt. - 2013. - Vol. 52. - P. 6599.

3. The Effect of Faraday Rotation Enhancement in Nanolayered Structures of Bi-substituted Iron Garnets / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, Т. V. Mikhailova, N. F. Kharchenko, I. N. Lukienko, Yu. N. Kharchenko, О. V. Miloslavskaya, V. A. Kotov and V. I. Belotelov // Solid State Phenomena. - 2013. - Vol. 200. - P. 233.

4. Microcavity One-Dimensional Magnetophotonie Crystals with Double Layer Iron Garnet / V. N. Berzhansky, Т. V. Mikhailova, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov, I. N. Lukienko, Yu. N. Kharchenko, О. V. Miloslavskaya, N. F. Kharchenko Hi. Magn. Soc. Jpn. - 2012. - Vol. 36, No 1_2. - P. 42.

5. One-dimensional magnetophotonie crystals based on double-layer Bi-substituted iron garnet films / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, A. R. Prokopov, A. V. Karavainikov, Т. V. Mikhailova, E. Y. Semuk, M. I. Sharipova, Т. V. Dolgova, A. A. Fedyanin, V. A. Kotov, V. O. Golub // Mat.-wiss. u. Werkstofftech. - 2011. -Vol.42, No l.-P. 19.

6. Synthesis and properties of substituted ferrite-gamets films for one-dimentional magnetophotonie crystals / V. N. Berzhansky, A. V. Karavainikov, E. T. Milyukova, Т. V. Mikhailova, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov // Functional materials. -Vol. 17, No 1.-2010.-P. 120.

Тезисы в трудах международных конференций:

7. Temperature Dependence of Faraday Rotation in Microcavity 1D-MPC with Compensation Temperature / V. N. Berzhansky, A. V. Karavainikov, Т. V. Mikhailova, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov, M. F. Kharchenko, 1. M. Lukienko,

0. V. Miloslavskaya and Yu. M. Kharchenko // Intern. Conf. on Oxide Materials for Electronic Engineering (OMEE-2014), Lviv, Ukraine, May 26-30, 2014 proceedings. - P. 215.

8. Optical and Magneto-Optical Responses of 1D-MPC with Double Layer Iron Gamet Films in Transmission and Reflection / V. N. Berzhansky, Т. V. Mikhailova, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov,Yu. M. Kharchenko,

1. M. Lukienko, О. V. Miloslavskaya, M. F. Kharchenko, V. O. Golub // Intem. Conf. on Oxide Materials for Electronic Engineering (OMEE-2014), Lviv, Ukraine, May 2630, 2014: proceedings.-P. 199.

9. Faraday Rotation of the Microcavity One-dimensional Magnetic Photonic Crystals with Magneto-active Layers Having the Temperature Poin of Magnetic Compensation / V. Sydorenko, Yu. Kharchenko, Т. V. Mikhailova, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov // V International Conference of Young Scientist "Low Temperature Physics", June 2-6, Kharkov, Ukraine, 2014 : Conference Program & Abstracts book. - P. 92.

10.Design and Realization of Microcavity One-Dimensional Magnetophotonie Crystals with Double Layer Iron Gamet / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, M. F. Kharchenko, I. M. Lukienko, Y. N. Kharchenko, О. V. Miloslavskaya // XIV International Conference "Physics and Technology of Thin Films and Nanosystems", Ivano-Frankivsk, 20-25, May, 2013 : Materials. - P. 299.

11.Magneto-Optical Spectra of Microcavity One-Dimentional Magnetophotonie Crystals with Double Layer Bismuth-Substituted Iron Garnet / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, A. R. Prokopov, A. V. Karavainikov, Yu. M. Kharchenko, 1. M. Lukienko, О. V. Miloslavskaya, M. F. Kharchenko // 6th International Conference on Advanced Optoelectonics and Lasers CAOL'2013, Sudak, Ukraine, 9-13, September, 2013: Proceedings. - P. 82.

12.Microcavity 1D-MPC: Making the Best Structures / V. N. Berzhansky, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, Yu. M. Kharchenko, I. M. Lukienko, О. V. Miloslavskaya, M. F. Kharchenko, O. Y. Salyuk / International Conference "Functional materials-2013" (ICFM'2013), Ukraine, Crimea, Yalta, Haspra, 29 September - 5 October 2013 : Abstracts. - P. 212.

13.Faraday and Kerr Effects in Microcavity lD-MPCs with Double Layer Bi: YIG Films / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, Т. V. Mikhailova, Yu. M. Kharchenko, I. M. Lukienko, О. V. Miloslavskaya, M. F. Kharchenko, V. O. Golub // International Conference "Functional materials-2013" (ICFM'2013), Ukraine, Crimea, Yalta, Haspra, 29 September - 5 October 2013 : Abstracts. - P. 213.

14.Magnetic Circular Dichroism in Microcavity 1D-MPC with Double Layer Iron Garnet / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, Yu. M. Kharchenko, I. M. Lukienko, О. V. Miloslavskaya, M. F. Kharchenkon// International Conference "Functional materials-2013" (ICFM'2013), Ukraine, Crimea, Yalta, Haspra, 29 September - 5 October 2013 : Abstracts. - P. 214.

15.Morphology of Bi: YIG Films Crystallized at Different Heating Rates / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, A. R. Prokopov, A. V. Karavainikov, Т. V. Mikhailova, V. G. Baryakhtar, I. V. Sharay, V. O. Golub, O. Y. Salyuk // International Conference "Functional materials-2013" (ICFM'2013), Ukraine, Crimea, Yalta, Haspra, 29 September - 5 October 2013 : Abstracts. - P. 215.

16.Magneto-Optical Materials and Sensors / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, A. R. Prokopov, V. G. Vishnevskij, G. D. Basiladze, A. I. Dolgov, A. V. Karavainikov, Т. V. Mikhailova, A. S. Nedviga, F. N. Pankov, N. V. Lugovs'kyy// International Ukrainian-Japanese Conference on Scientific and Industrial Cooperation, Ukraine, Odessa, 24-25, October, 2013 : Proceedings. - P. 13.

17.Plasmonic magnetophotonic crystals / N. E. Khokhlov, V. I. Belotelov, D. A. Bykov, V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, A. R. Prokopov, A. V. Karavainikov, Yu. M. Kharchenko // Magnetics and Optics Research International Symposium (MORIS 2013) : book of abstracts, Omiya, Japan, Dec. 2-5, 2013.-P. 52-53.

18.The effect of FR enhancement in reactive ion beam sputtered Bi, Gd, A1-substituted iron garnets: Bi203 nanocomposite films / V. Berzhansky, A. Shaposhnikov,

A. Karavainikov, A. Prokopov, T. Mikhailova, I. Lukienko, Yu. Kharchenko, O. Miloslavskaya and N. Kharchenko // Intern. Conf. on Oxide Materials for Electronic Engineering (OMEE-2012), Lviv, Ukraine, September 3-7, 2012 : proceedings. - P. 257.

19.Магнитооптические эффекты в двухслойных наноразмерных структурах ферритов-гранатов / А. Н. Шапошников, А. Р. Прокопов, А. В. Каравайников,

B. Н. Бержанский, Т. В. Михайлова, В. А. Котов, В. И. Белотелое // V-я Междунар. науч. конф. «Функциональная база наноэлектроники» : сб. науч. тр. -Харьков : ХНУРЭ, 2012. - С. 173.

20.MCD Effect in ultrathin Bi: YIG films intended for magnetophotonic crystals / V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, A. R. Prokopov,

А. V. Karavainikov, V. A. Kotov. V. G. Shavrov, L. N. Alyab'eva, V. I. Burkov,

D. E. Balabanov, and A. S. Baturin // Advanced Electromagnetics Symposium (AES 2012), Paris-France, 16-19 April, 2012 : edited by Said Zouhli and Xavier Begaud - P. 31.

21.Тонкие и сверхтонкие плёнки для магнитооптических устройств приёма и обработки информации / В. Н. Бержанский, В. Г. Вишневский, А. С Недвига, Т. В. Михайлова. А. В. Каравайников, А. Р. Прокопов, А. Н. Шапошников II 1Мжнародний науково-практичний форум «Наука i 6i3Hec - основа розвитку економжи», Днтропетровськ, 11-12 жовтня 2012 : Тези доповщей. - С. 114.

22.Microcavity One-Dimensional Magnetophotonic Crystal with Double-Layer Iron Garnet / V. N. Berzhansky, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova И Magnetics and Optics Research International Symposium 2011 (MORIS 2011), Nijmegen, The Netherlands, 21-24 June 2011 : Book of abstracts. - P. 158.

23.Магнитооптические свойства тонких и сверхтонких плёнок ферритов-гранатов / Т. В. Михайлова, В. Н. Бержанский, А. Н. Шапошников, А. Р. Прокопов, А. В. Каравайников, В. А. Котов, Л. Н. Алябьева, В. И. Бурков, Д. Е. Балабанов, А. С. Батурин // IV-я Международная научная конференция «ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БАЗА НАНОЭЛЕКТРОНИКИ», Харьков-Кацивели, 30 сентября - 3 октября, 2011 : сб. науч. тр. - С. 226.

24.Giant Faraday Effect in Microcavity 1D-MPC with Double Layer Bi: YIG Films / V. N. Berzhansky, A. V. Karavainikov, A. R. Prokopov, A. N. Shaposhnikov, Т. V. Mikhailova, Yu. N. Kharchenko, I. M. Lukienko, О. V. Miloslavskaya, N. F. Kharchenko // International Conference "Functional materials" (ICFM'2011), Ukraine, Crimea, Partenit, 3-8 October 2011 : Abstracts. - P. 177.

25.Magnetic Circular Dichroism of Thin and Ultrathin Iron Gamet Films / Т. V. Mikhailova, V. N. Berzhansky, A. N. Shaposhnikov, A. R. Prokopov, A. V. Karavainikov, V. A. Kotov, L. N. Alyab'eva, V. I. Burkov, D. E. Balabanov, A. S. Baturin // International Conference "Functional materials" (ICFM'2011), Ukraine, Crimea, Partenit, 3-8 October 2011 : Abstracts. - P. 186.

26.Магнитофотонные кристаллы на основе двухслойных плёнок замещённых ферритов-гранатов / В. Н. Бержанский, А. В. Каравайников, Т. В. Михайлова, А. Р. Прокопов, А. Н. Шапошников, В. А. Котов, М. И. Шарипова, Т. В. Долгова, А. А. Федянин // Ш-я Международная научная конференция «ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА МИКРО-, ОПТО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ», Харьков-Кацивели, 2010 : сб. науч. тр. - С. 115.

27.Berzhansky V. N. Femte gamet films Yj,r.vBiTR,.Fe5.;:Mr012 (R - Gd, Lu; M = Ga, Al) for creation one dimensional magnetophotonic crystals / V. N. Berzhansky, Т. V. Mikhailova II International Young Scientist Workshop on "Optics, Photonics and Metamaterials" (OPAM 2009), September 25-27, Kharkov, Ukraine, 2009. - P. 65.

28.Preparation and properties of magneto-optical films Yj.x.yBixRyFe5.zMzOi2 for one-dimensional magneto-photonic crystals / V. N. Berzhansky, A. V. Karavainikov,

E. T. Milyukova, A. R. Prokopov, Т. V. Mikhailova, A. N. Shaposhnikov // International Conference "Functional Materials" (ICFM - 2009), Crimea, Partenit, 5-10 October 2009 : Abstracts. - P. 196.

АННОТАЦИЯ

Михайлова Т.В. Одномерные магнитофотонные кристаллы с модифицированным магнитоактивным слоем. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - физика магнитных явлений. - Таврический национальный университет имени В. И. Вернадского, Симферополь, 2014.

Диссертационная работа посвящена исследованию актуальных вопросов магнитооптики тонких и наноразмерных плёнок висмут-замещённых ферритов-фанатов (Bi: IG) и одномерных магнитофотонных кристаллов (1D-MPC) на их основе. Впервые для создания структур 1D-MPC с негранатовыми немагнитными слоями (Si02 и TiOj) и высоким содержанием Bi предложен модифицированный магнитоактивный слой, состоящий из Bi: IG с низким (буферный слой) и высоким (основной магнитоактивный слой) содержанием Bi. В результате модельных расчётов и исследований свойств полученных периодических и микрорезонаторных структур 1D-МРС с предложенным магнитным слоем определены эффективные конфигурации 1D-МРС с максимальными значениями угла поворота плоскости поляризации, добротности и усиления МО эффектов. Синтезированные оптимальные конфигурации микрорезонаторных 1D-MPC с модифицированным магнитоактивным слоем Bi i.oYosGdi sFe^AlogOji/BbsYoiFesOi:; и зеркалами Брэгта [Ti02/Si02]m имеют оптическую толщину магнитного слоя /м ~ 5л<)/4 (Яо - центр фотонной запрещённой зоны зеркал Брэгга), максимальную МО добротность Q = 15,1° и угол керровского вращения 6>к = - 8,9° на длине волны л = 625 нм при т = 4 и максимальный угол фарадеевского вращения 0F = - 20,6° (- 66 °/мкм) на л = 625 нм при от = 7. Наибольшее усиление эффекта Фарадея 1D-MPC в сравнении с магнитным слоем t = 44 получено для 1D-MPC с /м « ЗАо/5 и от = 7 на Я = 731 нм.

Рассмотрены особенности линейных по намагниченности МО эффектов в 1D-МРС с модифицированным магнитоактивным слоем в полярной геометрии. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных спектральных зависимостей эффекта магнитного кругового дихроизма микрорезонаторных структур 1D-MPC и показано, что S-образная форма резонансных пиков является следствием различия резонансных условий для право и лево циркулярно поляризованных компонент. В результате моделирования свойств рассмотрено влияние магнитного кругового дихроизма в магнитоактивном слое на асимметрию форм резонансных пиков спектров МО эффектов микрорезонаторных 1D-MPC.

Впервые МО методами исследованы структуры переходных слоёв «плёнка -подложка» и магнитные фазовые состояния в наноразмерных плёнках Bi: IG и структурах на их основе. Обнаружено, что при уменьшении толщины h наноразмерных плёнок, синтезированных на подложках с высокоэнергетической ионной обработкой и с максимально нарушенным поверхностным слоем, происходит «синий сдвиг», уменьшение интенсивностей и инверсия знаков МО эффектов при достижении критической толщины й„ = 11 нм. С уменьшением толщины данных плёнок при температуре Г =300 К происходят два магнитных фазовых перехода (МФП): спин-переориентационный МФП из одной

ферримагнитной фазы в другую при Лсг = 11 им и МФП в парамагнитное состояние при А « 5 нм. Происходящие МФП объясняются замещением Вг' и Ре1+ ионами Оа3+ и С(1,+ из нарушенного поверхностного слоя подложки гадолиний галиевого граната и образованием градиентного распределения элементов по толщине плёнки. Впервые обнаружены магнитное упорядочение и магнитооптическая активность в плёнках толщиной несколько элементарных ячеек.

Ключевые слова: висмут-замещённые ферриты-гранаты, одномерные магнитофотонные кристаллы, эффект Фарадея, полярный эффект Керра, магнитный круговой дихроизм, магнитооптическая добротность, магнитные фазовые переходы.

Подписано в печать 24.10.2014. Формат 60x90/16. Бумага печатная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0.9 Тираж 100 экз. Заказ № 180-А

Информационно-издательский отдел Таврического национального университета имени В.И. Вернадского 295007, г. Симферополь, пр. академика Вернадского, 4.

201

4168526

2014158525