Ориентационный магнитооптический эффект в ферромагнитных металлах и диэлектриках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И Р Г ОорДЕН0 ^РУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАШШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 1, •, ., „ , иа. У. В. ЛОШ1ЮСОВА

; а я? . ш

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

За правах рукописи

УДК 537.632

КУЗНЕЦОВА ИРИНА ЕЙГА&ЕЕНА

ОРШГОЩИОННКЙ НАПОШЮПТКЧЕСККЙ ЭКЕЭТ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ МЕТАЛЛАХ И ДйЗЛЕКГРИКАХ

-.Л > \V.

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТ0РЕ52РЛТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ктучккэ

доктор физико-математических наук "* профзссор Кркнчкх Георгин Сергеевич, доктор фэтнко-уатекатическзк наук в. н. с. Шаяыгина Елена Евгеньевна

И О С г: 3 А - !934г.

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

Научные руководители: доктор физико-математических наук

профессор Г.С. Кринчик; доктор физико-математических наук в. н. с. Е.Е. Шалыгина Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор А.И. Попов; кандидат физико-математических наук доцент B.C. Гущин Ведущая организация: Воронежский Государственный университет им. Ленинского комсомола

Защита диссертации состоится " /У " 1994 г.

в /5 часов минут на заседании специализированного

совета N 3 (К 053.05.77) в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ст

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

Автореферат разослан "/о " Оре^^ли-Сх^ г.

Ученый секретарь специализированного совета N 3 ОФТТ (К 053.05.77) в МГУ им. М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук

Т.М. Козлова

I. Общая хараюяериатика рзбоея

Актуальность теш: Магнитооптические методы успешно применяются в физике магнитных явлений для исследования энергетического спектра магнитоактивных ионов в ферромагнитных диэлектриках, антиферромагнетиках, а также для изучения электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов.

Существенные преимущества магнитооптических методов -перед оптическими заключается в их высокой чувствительности к величине и ориентации намагниченности в кристалле. Они незаменимы при исследовании сложных полос энергетического спектра магнетиков, состоящих из отдельных перекрывающихся компонент, которые оптическими методами разрешить не удается даже при низких температурах. Кроме того, они чувствительны к знаку спина, что дает возможность выяснить к какой спиновой подзоне относится данный переход. Перечисленные достоинства магнитооптических методов способствуют решении многих фундаментальных задач физики иагнитоупоря дачных' систеи.

Обычно при этом, используются линейные по намагниченности Ц эффекты Керра и Фарадея, полярный и меридиональный интенсив-ностные эффекты, а также квадратичные по " магнитооптические эффекты, обусловленные магнитный дгаейнш двулучепреломлением света (К1ЩЩ). ШЩП является более чувствительным к микроскопическим свойства»! магнитоупорядочешшх систем, что позволяет получать дополнительную инфармацкз с5 энергетической структуре магнитных ионов, проясняя характер и роль различных механизмов, ответственных за взаимодействие света с кристаллами. Изначально исследования МЛДП проводились на проходящем через об-

разец свете, что заведомо накладывало ограничение на толщину изучаемых материалов и допустимый спектральный диапазон. Позже был открыт новый ориентадионный магнитооптический эффект (ОМЭ) на отраженном свете, обусловленный ШЩП. ОМЭ возникает при'повороте вектора намагниченности в кристалле. Было доказано, что ОМЭ есть не что иное,ка*изменение интенсивности отраженного от перемагничиваемого магнетика света, обусловленное квадратичными по намагниченности компонента® тензора диэлектрической проницаемости.

Обнаруженная большая величина ОЮ в монокристаллах железа и никеля, сравнимая по порядку с линейными по намагниченности эффектами, позволила эффективно использовать.его при проведении магнитооптических исследований этих магнетиков. Установленная необычная угловая зависимость ОЮ дала возможность применять его при решении задач прикладного характера.

Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что подробное экспериментальное исследование ориентационного магнитооптического эффекта (ОМЭ) для различных с точки зрения магнитного упорядочения материалов является актуальным и имеет научную и практическую значимость.

о

Исследование ОМЭ чрезвычайно не'бходимо и для популярных в последнее время расчетов физических свойств веществ из "первых принципов", т.е. из строгих уравнений квантовой и статистической механики, решаемых численно с малым числом приближений.

Целью диссертационной работы являются: - проведение комплексных исследований и установление особенностей поведения дисперсионных, угловых и ориентационных зависимостей квадратичного по намагниченности эффекта отражения (ОЮ) в различных

с точки зрения магнитного упорядочения материалах,'

- расчет на основе измерений ОМЭ квадратичных по намагниченности добавок в тензор диэлектрической проницаемости изучаемых материалов.

Научная новизна работы:

1) Проведение измерений дисперсионных, угловых и ориента-ционных зависимостей квадратичного по намагниченности ориента-циснного иагнитооптического эффекта (ОМЭ) в монокристаллических пленках железа и никеля, аморфных ).'?гнитомягких сплавах на основе кобальта, гематите и висмут-содержзщих феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания, лежащей в плоскости образца.

2) Установление особенностей поведения дисперсионных и ориентацио;;;ц:х сагисимостей в изучаемых материалах.

3) Расчет квадратичных по намагниченности компонент тензора диэлектрической проницаемости для монокристаллических пленок железа и никеля, гематита и феррит-гранатовых пленок в области анергии кгаятсз падгзкдзго света 1.6-4.5 эВ.

4) Обнаружение в области прозрачности феррит-гранатовых пленок магнитооптической интерференции, обусловленной МДЦП.

Практическая ценность:

Результаты, полученные в ра£оте( расширяют представления о природе магнитного двулучепреломления в различных> с точки зрения магнитного упорядочения) иатериалах. Большая величина изучаемого эффекта (СЮ) предопределяет использование его в магнитооптических устройствах, принципы действия которых основаны на отражении света. Существование магнитооптической интерференции, обусловленной МЩШ, позволяет разработать новые магни-

тооптические методики изучения магнитных кристаллов.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы докладывались на:

XII Всесоюзной школе "Новые материалы микроэлектроники", Новгород - SO.

На Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, Ташкент - 01.

Кроме того, материалы диссертации докладывались на международных конференциях: INTERMAG-93 (Stockholm) и МММ-93 (Mine-apolis, Minnesota).

Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах С1-43.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Объем диссертации составляет 137 страниц машинописного текста' Екшочаю-щих S7 рисунков и одну таблицу. Библиография содержит 155 наименований.

II. Содержание рзбоаы

Во введении определены актуальность, цель, новизна, научная и практическая значимость работы. Сформулированы основные положения выносимые на защиту. Кратко изложено содержание диссертации по главам.

Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. В ней рассмотрена феноменологическая теория линейных и квадратичных магнитооптических аффектов. Приведены общие положения микроскопической теории магнитного линейного двулучепре-

- Б -

ломления, перечислены основные взаимодействия, ответственные .за возникновение МВДП в ферромагнитных металлах и диэлектриках. Дается обзор работ, в которых для объяснения природы МДДП и его большой величины в различных материалах используются те или иные микроскопические механизмы: обменный, спин-орбитальный, ыагнитострикционный. Обосновываются задачи диссертационной работы.

Во второй глазе описаны методики эксперимента и магнитооптическая установка для измерения линейных и квадратичных эффектов отражения, приведены характеристики изучаемых образцов, проанализированы ошибки эксперимента.

В работе использовался динамический метод регистрации магнитооптического сигнала, заключающийся в модуляции интенсивности лияейко-поляриаованпого света, отраженного от образца при перемагничивании его внешним переменным магнитным полем.

Регистрировалось относительное изменение интенсивности отраженного света 5»Д1/10; где 10 - постоянная составляющая, пропорциональная интенсивности отраженного света в отсутствии магнитного поля, а Д1 - переменная, пропорциональная глубине модуляции света с частотой переиагничивания образца за счет магнитооптического эффекта.

С целью повышения отношении "сигнал/пун" обработка результатов проводилась по большому количеству измерений (3<И<50) с помощью микрокалькулятора МК-64. Уровень наводок контролировался в процессе эксперимента. Чувствительность установки составляла 5*10 ~5. Общая сшибка измерений не превышала 10-151.

Переиагкичизание изучаемых образцоз осуществлялось с .тс-

мощью специального электромагнита, позволяющего создавать взаимно- перпендикулярные поля, соориентированные параллельно и перпендикулярно плоскости падения света. В обмотки электромагнита одновременно могли подаваться переменный и постоянный токи. При определенном соотношении величин этих токов осуществлялся поворот вектора намагниченности от направления параллельного плоскости падения света последовательно на ±90°, т.е. компонента намагниченности, перпендикулярная плоскости падения света, изменялась от 0 до ± Ms (Ms-намагниченность насыщения). При этом измерялись максимально возможные значения ОМЭ. Кроме того, вектор намагниченности Ms мог вращаться в плоскости образца по кругу. В этом случае, ОМЭ регистрировался на частоте, удвоенной по сравнении с частотой перемагничивающего поля.

Экваториальный эффект Керра (ЭКК) измерялся в поле, перпендикулярном плоскости падения света и параллельном поверхности образца.

Исследования магнитооптических эффектов ОМЭ и ЭКК проводились для широкого класса магнитоупорядоченных кристаллов: ыонокристаллических пленок железа и никеля, гематита (а -Fe20s); висмут-содеркащих феррит-гранатовых пленок с легкой осью намагничивания, параллельной поверхности образцов и магки-•гомягких сплавов CoZrV.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования дисперсионных, угловых и ориентационных зависимостей ОМЭ и ЭКК на ыонокристаллических пленках Fe, Ni, Bi-co-держащих феррит-гранатовых пленках с легкой осью намагничивания параллельной поверхности образцов,монокристалле гематита (a-FegOa) и аморфных магнитомягких лентах CoZrV в области

энергий квантов падающего излучения 1.6-4.5 эВ. Измерения проводились на р- и s- поляризованном свете при углах падения его на образцы <р = 22°-7а°.

Анализ угловых и поляризационных зависимостей СМЭ подтвердил обнаруженные ранее в другом спектральном диапазоне особенности его поведения:

- величина ОМЭ для р- волны с уменьшением угла падения света на образец падает, а для s- волны растет.

- при нормальном падении света на образец значения ОМЭ для р- и s- волн одинаковы, но противоположны по знаку.

При исследовании ориентационных зависимостей ОМЭ в изучаемых материалах было установлено следующее. В Ni и Fe монокристаллических пленках кривые 5(uh), измеренные вдоль [1003 и С1103 кристаллографических осей, сильно различаются, т.е. в отличие от ЭКК ОМЭ является анизотропным; (си. приведенные для примера на рис. 1 зависимости 5(uh) для монокристаллической пленки Fe, птрихпунктирная кривая отражает зависимость ЭКК 5Эч(Ьи) на тси хе образце). В Bi-содердапих феррит-гранатовых пленках, поверхность которых совпадает с кристаллографической плоскостью (111), ОМЭ изотропен, что согласуется с феноменологической теорией этого эффекта. В аморфных магнитомягких сплавах на основе Со зависимости 5(hu), измеренные вдоль различных направлений в плоскости образца, практически не различаются, т.е. ОМЭ является в них слабо анизотропным. Такое поведение ШЭ согласуется с существующими представлениями о микроскопических свойствах этих материалов.

Изучение ОМЭ для исследуемых кристаллов в широком диапазоне углов падения света на образец предопределило возможность

расчета квадратичных по намагниченности М компонент тензора диэлектрической проницаемости. Из соображений симметрии следует, что квадратичные по Н диагональные компоненты тензора Д£д=Д£гд-иД£)Д, могут быть найдены из спектральных зависимостей 5(001)Е1003 (1ти), а неднагональныг зависимости Ле^Дег1"1-1Д£1НД - из кривых б{оои 11103 (Ы). Были получены соотношения для расчета искомых квадратичных элементов тензора е. Затем с помощью этих формул, магнитооптических данных и значений оптических констант еог= п2-к2 и с01=2пк для изучаемых материалов, были рассчитаны Ае^ гд(Ьи) и Де^ г^СЬа). Для примера на рис. 2 приведены зависимости Де^ Г11Д(Ы), полученные для Ре и N1 пленок.

Заслуживающими внимания являются следующие результаты. На рис. 3 представлены зависимости (сплошная линия) и

Д£1 (Ы) (пунктир), полученные для Уз(Реос)5012 феррит-гранатовой пленки. Ранее в нашей лаборатории были измерены зависимости б(001)Е1003 (Ь<1>) и 5(001)С110:! (Ьш) для иттриевого феррит-граната.

Для проверки феноменологического соотношения

б = 1/3 б11003 +2/3 5С1103 (111) ' (001) (001)

были рассчитаны зависимости 5(ш) (Ьа) для УзРе5012, а затем квадратичные по Ы компоненты тензора диэлектрической проницаемости. Полученные таким образом кривые /кг. 1 (Ьо>) приведены на рис. 3 штрихпунктирными линиями. Видно, что зависимости, полученные непосредственно из измерении ШЭ и рассчитанные по фе-

номенологической формуле, достаточно хорошо совпадают. Таким образом, наии расчеты очередной раз подтвердили справедливость существующей теории квадратичных по намагниченности магнитооптических эффектов для кубических кристаллов.' Следует указать, что наличие Зс приводит к уменьпению величины ОКК в Уз(Ге5с)5012 по сравнению с ЭКК в УэГе5012 не более, чем и;, 30£' и слабо влияет на величину ОМЭ. Незначительное различиз обсуждаемых зависимостей Д£2,г(1ти) можно связать с тем, что они были получены на разных образцах.

Сопоставление величин ОМЭ для * Уз(РеЗс)5О12 и (УЬРг6с1)2.2бВ1о.74(!геА1)5012 и сравнение соответствующих значений Дег. 1 позволили сделать вывод о слабом влиянии В1 на квадратичные по Л компоненты тензора диэлектрической проницаемости.

Для контроля с помощью найденных нами компонент тензора диэлектрической проницаемости были проведены вычисления ОМЭ о(Ьи) для углов, отличных от используемых в предыдущих расчетах. Пунктирной линией ка рис. 1 изображена зависимость б(Ы) рассчитанная для пленки Ге вдоль оси С1003 при 9 = 63°.

Видно, что экспериментальные и рассчитанные значения ОМЭ в пределах ошибки эксперимента хорошо согласуются.

Четвертая глаза посвящена результатам исследования СЮ в области прозрачности висыут-содержащих феррит-гранатовых пленок с легкой осью намагничивания, параллельной поверхности образцов. Изучаемый эффект регистрировался как относительное изменение интенсивности отраженного света, на частоте, удвоенной по сравнению с частотой перемагничивзощего поля.

Дисперсионные и угловые зависимости ОМЭ 5(Ьъ>) измерялись для пленок, имеющих различную толщину. Поляризация падакщег?

света соответствовала р-компоненте (вектор Е лежит в плоскости падения света). На рис. 4 представлена зависимость fi(hu), полученная на (Yb Pr Gd)2.26Bio'.74(FeAl)50i2 - пленке толщиной 2 мкм при углах падения света на образец ф=60° и 70°. Аналогичные измерения были выполнены для пленок других толщин.

Анализ кривых 5(ho) показал, что они имеют знакопеременный вид, причем нулевые значения одинаково удалены друг от друга. Осциллирующий характер кривых может быть обусловлен магнитооптической интерференцией света.

Расчет интерференционного эффекта проводился с помощью, матричного метода Джонса в приближении двух волн: (1) - отраженной от поверхности пленки и (2) - вышедшей из пленки после ее отражения от границы пленка-подложка. Анализ полученного соотношения показал, что при взаимодействии р-поляризованного света с тонкопленочным образцом магнитооптический эффект определяется как линейными по намагниченности компонентами тензора диэлектрической проницаемости, так и квадратичными. Поскольку, ОМЭ измерялся на второй гармонике перемагничивающего поля, то эффекты первого порядка по U в регистрируемую величину магнитооптического сигнала вклада не вносили. Это позволило дальнейшее рассмотрение величины наблюдаемого ОМЭ проводить с точки зрения двух вкладов - пропорционального квадратичному значению гиротропнок компоненты тензора е, и пропорционального квадратичным по намагниченности компонентам (/к), обуславливающим МЛДП. С учетом того, что в области прозрачности феррит-гранатовых пленок k<n, к<1 (пик- показатели преломления и поглощения пленок), обсуждаемое здесь соотношение было приведено к следующему виду:

Ь}Г12РЬ12Р£21РГ'Р2351ПД " (ГР12)2+(^21112РГ23Р)2+2ГР121Р12^Э21ГР2Э СОБД'

где Г12р,Г23рД12рД21р - соответственно коэффициенты отражу ния и преломления Френеля р- поляризованных волн.

.-— / £оз1П2Ф

й--/ есгБ^р ; Ь1=--;

Я \ е0

.где е0=п2 (п- показатель преломления магнитоактивной пленки); Х- длина волны падающего света, I- толщина пленки.

Анализ полученного выражения для 5(Ьи) позволяет сделать следующие выводы. Обсуждаемый здесь магнитооптический эффект отражения обусловлен квадратичными по намагниченности компонентами тензора Да, а, следовательно, знакопеременные кривив-являются результатом наблюдаемой магнитооптической интерференции, возникающей за счет линейного магнитного двулучепреломле-ния. Величина регистрируемого эффекта пропорциональна толщине образца I, а вид спектральной зависимости 5(Ы) в значительной мере зависит от множителя 31пД, являющегося, в свою очередь, функцией длины волны падающего света \ (соответственно Ьо>). 3 случае монотонной зависимости измеряемый эффект становится равным 0, когда бхпД = 0, при'этом расстояние между ближайшими нулевыми значениями 5 мажет быть найдено из соотношения Д2-Д1=11, где ¿1 и ¿2 рассчитываются для ближайших значений X. при которых 6=0.

Сопоставление полученных кривых показывает, что увеличение толщины образца сопровождается уменьшением расстояния между нулевыми значениями 5: для образцов t=1.5; 1.7; 2.0; 3.9; 10 мкы получены соответственно значения ühw- 0.13, 0.10, 0.05, 0.022 эВ, т.е. величина периода осциллирующей кривой 5 (hu) обратно пропорциональна толщине образца t. Сравнение величин измеряемых эффектов подтверждает сделанный ранее еывод, о том, что- Bi не оказывает существенного влияния на величину квадратичного по намагниченности эффекта.

В заключении кратко сформулированы основные результаты и выводы.

III. Резудышаг и вмводо

1) Впервые для монокристаллических пленок железа и никеля, аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта, гематита и висмут - содержащих феррит-гранатовых пленок с легкой осью намагничивания в плоскости образца исследованы дисперсионные угловые и ориентационные зависимости квадратичного по намагниченности ориентационного -магнитооптического эффекта (ОМЭ) в области энергии квантов падающего света 1.6-4.5 эВ.

2) Подтверждены ранее обнаруженные особенности поведения угловых и поляризационных зависимостей ОМЭ:

- величина ОМЭ для р-волны с уменьшением угла падения света на образец падает, а для s-волны - растет;

- при нормальном падении света на образец значения <ЖЭ для р- и s- волн одинаковы, но противоположны по знаку.

3) Установлены особенности ориентационных зависимостей ОМЭ в изучаемых материалах:

- в железной и никелевой монокристаллических пленках ОМЭ, измеренный вдоль С1003 и [110] кристаллографических направлений, существенно различается, т.е. является резко анизотропным;

- в висмут-содержащих феррит-гранатовых пленках, поверхность которых совпадает с кристаллографической плоскостью (111), ОМЭ изотропен, что согласуется с феноменологической теорией этого эффекта;

- в аморфных магнитомягких сплавах на основе кобальта ОМЭ является слабоанизотропным (вдоль различных направленный в .плоскости образца ОМЭ различается не более чем на 10-20 Z).

4) Впервые в области энергии квантов падающего света •1.6-4.5 эВ для монокристаллических пленок железа и никеля, гематита и феррит-гранатовых пленок рассчитаны квадратичные по

' намагниченности компоненты тензора диэлектрической проницаемости.

5) При исследовании дисперсионных зависимостей ОМЭ в области прозрачности феррит-гранатовых пленок обнаружена, магнитооптическая интерференция, обусловленная магнитным линейным двулучепреломлением света (МЛДП).

6) Установлено, что наличие висмута в феррит-гранатовых пленках слабо влияет на МЛДП и соответственно, на величину ОМЭ.

IV. Спасал опуйшковапннх psSovt

1. Кринчик Г.С., Чепурова Е.Е., Кузнецова И.В. Квадратичные магнитооптические эффекты отражения в области прозрачности

феррит-гранатовых пленок. - Тез. доклада на XII Всесоюзной шк. Новые материалы микроэлектроники, Новгород-90, u.II, с. 17-18.

2. Кринчик Г.С., Чепурова Е.Е., Кузнецова И.В., Кузнецова K.M. Ориентационный магнитооптический эффект в ферромагнетиках. - Тез. доклада на Всесоюзной конференции по физике магнитных .явлений. Ташкент-91, ч. I, с. 99.

3. Vedijaev А.V., Chepurova Е.Е., Kuznetsova I.V. Magnetoop-tical Investigation of Mulilayers. Dijest INTERMAG-93,Stockholm, AR-02.

4. Chepurova E.E., Krinchik G.S., Kuznetsova I.V. Even Mag-netooptical Reflection Effect in Ferromagnets. 38-th Digests Annual. Conf. on Magn. and Magn. Mater. FS-12.

Ркс. • 1 Дисперсионные зависимости ОМЭбСЫ). измерении' л - вдоль оси [100] при ф = 70°, о - вдоль оси [100] при ф = 63°, д - вдоль оси ШО] при ?> = 70°.

Штрихпунктир - ЭКК при ф - 70°.

Пунктир - расчет СШ при ф - 63°.

Рис. 2 Дисперсионные зависимости Ле,. для Ре и N1 мс-

.• кристаллических пленок.

-£

х/01

Г

л

| /;

/

/

л

< I ' 1

I \

'Л1 \»

I

м

и VI

I \ '

'¿¿-•'ад

*/

гд 3.0 3,5- <о 45" А

Ркс. 3 Дисперсионные зависимости й£1, г(Ьо) для Уз^езО^ пластинки и УзСГеБс^О^ пленки.

2 •

-1

-2

1.7 1.9 2,1 2.3 %агЗВ

ркс. 4. Дисперсионная зависимость СМЭ 6(М ли

(УЬ Рг 0<1)2.2бВ1о.74(РеА1)5010 гленки с 2.0 мкм, при Ф-60° - пунктир и 9=70° - сплошная линия