Особенности перемагничивания феррит-гранатовых пленок в чувствительных элементах магнитных сенсоров с внешней модуляцией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

005535126

Ветошко Петр Михайлович

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРИТ-ГРАНАТОВЫХ ПЛЕНОК В ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ МАГНИТНЫХ СЕНСОРОВ С ВНЕШНЕЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 7 ОКГ 2013

Москва-2013

005535126

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Шавров Владимир Григорьевич

Официальные оппоненты: Звездин Анатолий Константинович,

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник теоретического отдела ФБГУН Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН

Пудонин Федор Алексеевич,

доктор физико-математических наук, зав. лабораторией физики неоднородных систем ФБГУН Физического института им. П.Н.Лебедева РАН

Ведущая организация: Национальный исследовательский технологический

Университет (НИТУ) «МИСиС» (г. Москва).

Защита состоится 8 ноября 2013 г., в 11-30 на заседании диссертационного совета Д 002.231.01 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова

Автореферат разослан 4 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор

С.Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в мире идут интенсивные поиски явлений и способов, позволяющих регистрировать магнитные поля с высокой чувствительностью и пространственным разрешением. Это диктуется потребностью таких актуальных областей как системы безопасности, спинтроника и медицина. Например, бурное развитие медицинских методов диагностики с применением магнитных наночастиц, таких как иммуноферментный анализ, гипертермия и транспорт лекарств обуславливает вновь возникающие потребности в сверхчувствительных магнитных измерениях для диагностики "1п-муо" магнитных наномаркеров для обнаружения и локализации патологий. Самыми чувствительными датчиками магнитного поля на сегодняшний день являются охлаждаемые сверхпроводящие квантовые магнитометры (СКВИД-магнитометры), работающие при гелиевой температуре, но эти приборы дороги и мало технологичны.

Особое место среди средств регистрации магнитных полей занимают магнитомодуляционные сенсоры с использованием магнитоупорядоченного материала, поскольку они обеспечивают наибольшую энергию взаимодействия с исследуемым полем, и потенциально, чрезвычайно высокую чувствительность, не требуют охлаждения, дешевы и технологичны.

Принцип действия магнитомодуляционного датчика (феррозонда) основан на регистрации нарушения симметрии петли гистерезиса магнитного сердечника в присутствии внешнего измеряемого поля, возникающей вследствие нелинейности процесса намагничивания. Нарушение симметрии порождает четные гармоники сигнала перемагничивания, амплитуда которых пропорциональна величине измеряемого поля.

Чувствительность феррозондов определяется флуктуациями магнитной энергии сердечника, возникающими в процессе перемагничивания, которые, как правило, на много порядков превышают энергию взаимодействия магнитного сердечника с измеряемым магнитным полем. Причина этого состоит в том, что физическая картина процесса перемагничивания сердечника феррозонда чрезвычайно сложна. Это неравновесный и нестационарный процесс, сопровождающийся, как правило, образованием доменных структур, динамических неустойчивостей и т.д. Традиционным

способом решения этой проблемы является использование магнитных сердечников с высокой намагниченностью и малой анизотропией на основе железо-никелевых сплавов. Это позволяет уменьшить размер и увеличить число доменов в пределах магнетика и тем самым получить более гладкое усреднение кривой перемагничивания. Однако, при этом сохраняется стохастический характер возникновения и уничтожения доменов в процессе перемагничивания, сама кривая зависимости намагниченности от приложенного к магнетику поля будет состоять из множества ступенек, связанных с процессами перестройки доменной структуры - скачками Баркгаузена.

Существует альтернативный подход к решению этой проблемы, который заключается в контроле процесса перемагничивания в основном объеме чувствительного элемента магнитометра. Такой контроль может бьпъ осуществлен посредством насыщения магнетика в каждый момент времени процесса перемагничивания. С практической точки зрения интерес к этим сенсорам связан с тем, что в них чувствительность и пространственное разрешение приближаются к теоретическому пределу, обусловленному тепловыми флуктуациями в мапнитоупорядоченной среде.

До сих пор исследования процессов перемагничивания когерентным вращением намагниченности в основном проводились на тонких пермаллоевых пленках, однако для насыщения пермаллоевой пленки толщиной более 100 нм перпендикулярно краю пленки требуется приложить поле сравнимое с намагниченностью самой пленки. Это ограничивало угол поворота намагниченности и соответственно применение принципов симметрии для измерения магнитного поля. Очевидно, что дисперсия анизотропии, характерная для поликристаллических материалов, и высокая намагниченности пермаллоя стали основными препятствиями при реализации детерминированных процессов перемагничивания. В результате чувствительность датчиков на основе пермаллоя составляет, в лучшем случае, 10"7 Э/Гц05.

В этой связи использование в качестве сердечников магнитометров высокосовершенных монокристаллических эпитаксиапьных пленок феррит-гранатов представляется весьма перспективным для повышения чувствительности сенсоров. Помимо высокого структурного совершенства и отсутствия дефектов, такие пленки обладают стабильными и однородными по

4

объему параметрами магнитной анизотропии, что особенно важно для обеспечения малошумящего вращения вектора намагниченности. Кроме того, многие ферриты-фанаты отличаются рекордно низким параметром затухания, а как следует из флуктуационно-диссипационных соотношений, этот параметр определяет предельную чувствительность сенсора.

Тем не менее, несмотря на очевидные преимущества перемагничивания когерентным вращением намагниченности феррит-граната, существует лишь крайне ограниченное число работ, посвященных созданию и исследованию таких элементов. Это связано, прежде всего, со специфическими требованиями налагаемыми условиями монодоменности на материальные константы феррит-фаната и форму рабочего элемента сенсора.

Прежде всего, необходимо определить состав и кристаллофафическую ориентацию монокристаллической пленки феррита-фаната, чтобы скомпенсировать влияние кубической анизотропии на вращение вектора наматиченности в плоскости пленки. Также достижение монодоменного состояния требует детального анализа распределения намагниченности, возникающего в объеме рабочего тепа сенсора, в зависимости от формы элемента, величины намагниченности и приложенного магнитного поля. Для оптимального выбора режима возбуждения сенсора необходимы экспериментальные данные о магнитной восприимчивости чувствительного элемента магнитного сенсора в зависимости от частоты вращения и величины возбуждающего поля.

Цель работы:

Создание новых чувствительных элементов феррозондовых магнитометров и исследование механизмов их перемагничивания, обеспечивающих повышение чувствительности этих магнитометров до уровня 10~9 Э/Гц05.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование статической и динамической восприимчивостей феррит-гранатовой пленки с плоскостной магнитной анизотропией в плоскости (111) в диапазоне полей 0 -100 Эрстед с учетом первой и второй констант кубической магнитной анизотропии.

2. Экспериментально исследована комплексная магнитная восприимчивость феррит-гранатовых пленок в диапазоне частот 105 -106 Гц и в интервале величины магнитного поля в плоскости пленки 10° -102 Эрстед.

3. Методами микромагнитного моделирования исследована зависимость поля насыщения в плоскости магнитной пленки в зависимости от формы профиля края образца.

4. Реализована конструкция магнитометра, обеспечивающего предельную чувствительность 10"9 Э/Гц05 в режиме вращения вектора намагниченности.

Научная новизна и практическая значимость работы.

В диссертации предложен и реализован новый чувствительный элемент матитомодуляционного сенсора магнитного поля на основе циркулярного вращения намагниченности в плоскости монокристаллической пленки феррит-фаната. Предложена и реализована конструкция магнитометра, обеспечивающего предельную чувствительность 10"9 Э/Гц05 в режиме вращения вектора намагниченности. Выявлены условия, при которых наступает компенсация вкладов от кубической анизотропии четвертого и шестого порядков в эффективную анизотропию в плоскости (111) кубического магнетика. Определены критерии минимизации уровня магнитного шума сенсора с учетом вкладов от магнитного материала и возбуждающего резонатора.

Практическая значимость обусловлена применением результатов работы в разработке и применении в ходе работ по фанту МНТЦ 3134 «Демонстрация использования магнитно-индукционных методов в системах обнаружения и противодействия контрабанде оружия» 20-канапьной системы магнитометров для системы безопасности.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Установлено, что на основе прямых измерений собственных шумов магнитометра, использующего циркулярное вращение намагниченности в плоскости тонкой пленки феррита-фанагга, уровень собственных шумов составляет 10"9 Э/Гц05, что на два порядка ниже уровня существующих магнитомодуляционных сенсоров. Увеличение чувствительности достигнуто благодаря высокой степени насыщения магнетика, а также низкому уровню диссипации в феррит-фанате.

6

2. Установлено, что в результате анализа магнитной анизотропии эпитаксиальных пленок ферритов-фанатов составов Tm3Fe4.3Sco.7Oi2, Lu1.5Y1.5Fe44Sco.6O12 и Lu2.15Pro.85Fe50i2 величина анизотропии в плоскости пленки (111) линейно падает с ростом абсолютного значения отрицательной по знаку константы одноосной анизотропии и квадратично с уменьшением константы кубической анизотропии.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование трехмерного отклика магнитного сенсора на внешнее квазистационарное поле. Отклик на нормальную к плоскости пленки компоненту матитного поля в ориентации (111) обусловлен кубической анизотропией магнетика, при этом наведенная анизотропия в плоскости пленки может быть скомпенсирована соответствующим выбором констант кубической анизотропии четвертого и шестого порядков. Таким образом, возможно получение информации обо всех трех компонентах измеряемого поля от одного рабочего тела магнитного сенсора.

4. Метод разделения вкладов в магнитный шум дискового чувствительного элемента от материала эпитаксиапьной пленки и возбуждающей электромагнитной системы. Условия минимизации уровня магнитного шума с учетом обоих факторов.

5. Результаты микромагнитного моделирования распределения намагниченности в сенсорном элементе, показавшие, что величина поля насыщения элемента в форме диска может быть существенно снижена путем плавного уменьшения толщины в направлении края диска. Уменьшение поля насыщения происходит из-за изменения соотношений обменного и магнитостатического полей с уменьшением толщины пленки.

Личный вклад автора. При выполнении работы автором сделан определяющий вклад в постановку задач исследования, в проведение экспериментов и выполнение теоретических выкладок и расчетов.

Апробация работы. Результаты исследований, вошедших в диссертацию, докладывались на:

- XII Всесоюзная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", г. Новгород, 30 сентября - 6 октября, 1990г.;

- 38-th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials.

Minneapolis, Minnesota, november 15-18, 1993;

- 6-th Eropean Magnetic Materials and Applications Conference. Vien, Austria, September 4-8, 1995;

- 7-th International Symposium on Non-linear Electromagnetic Systems. Cardiff, Wales, September 17-20, 1995;

- Первая объединенная конференция по магнетоэлектронике. Москва, 19-21 сентября, 1995;

- 7th International conference on ferrites. Bordeaux, France, September 3-6, 1996;

-1st European Conference on Magnetic Sensors & Actuators, lasi, Romania, July 22- 24,1996;

- 3rd European Conference on Magnetic Sensors & Actuators. Dresden, Germany, July 19-21, 2000;

- International Scientific Scholl: High Sensitivity Magnetometer-Sensors & Applications. Port- Bail, France, November 4-8, 2002;

- Moscow International Symposium on Magnetism (MISM'2002). Moscow, Russia, June 20-24, 2002;

- 4th European Conference on Magnetic Sensors & Actuators. Athens, Greece, July 3-5, 2002;

- Eurosensors XVII Conference. Guimaraes, Portugal, September 21-24, 2003;

- Юбилейной XX международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", приглашенный доклад. Москва, 12-16 июня, 2006;

- Ninth World Congress "Biosensors-2006",oral talk. Toronto, Canada, May 10-12, 2006;

- 6th European Conference on Magnetic Sensors and Actuators "EMSA-2006", oral talk. Bilbao, Spain, July 2-5, 2006;

- Доклад на заседании секции "Магнетизм" Научного совета РАН по физике конденсированных сред. Москва, 8 декабря, 2006;

- 6th European Conference on Magnetic Sensors and Actuators, "EMSA-2008",oral talk, Caen, France, 30 June-2 July,2008;

- 11th international Conference on Advanced Materials. Rio de Janeiro, Brasil, Sept.20-25, 2009;

- MPMNS'10. Donetsk,Ukraine May, 29 ,2010;

- 8th European Magnetic Sensors Conference (EMSA). Bodrum, Turkey, July 4-7, 2010;

- 9th European Magnetic Sensors & Actuators Conference. Prague, Czech., 1-4 of July, 2012;

Публикации. По результатам работы опубликовано 40 работ, из них -

15 статей в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК

Минобразования и науки РФ, 3 патента РФ и 22 тезиса докладов на научных

международных и российских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы из 106 наименований. Диссертация изложена на 109 страницах, содержит 4 таблицы, 75 формул и 63 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведено краткое описание состояния проблемы, сформулирована цель работы, научная новизна, описана структура диссертации, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор магнитных материалов и способов перемагничивания чувствительных элементов магнитных сенсоров с внешней модуляцией. Показано, что порог чувствительности магнитного сенсора с внешней модуляцией может быть уменьшен вплоть до предельных значений при перемагничивании путем когерентного вращения намагниченности. Выявлены преимущества применения железо-иттриевого граната в качестве рабочего материала магнитного сенсора.

Вторая глава содержит теоретические и экспериментальные исследования магнитной восприимчивости кубического магнетика при перемагничивании путем когерентного вращения намагниченности в плоскости монокристаллической тонкой магнитной пленки.

В первом параграфе обоснован выбор кристаллографической ориентации пленки, и выведены уравнения движения намагниченности в плоскости (111) монокристаллического магнетика, показан векторный характер восприимчивости к внешнему квазистационарному магнитному полю, найдено соотношение первой и второй констант кристаллографической анизотропии, при которых анизотропный вклад в коэрцитивность равен нулю.

Как было показано в [1], для кубического магнетика перемагничивание

в плоскости (111) является изотропным по первой константе кубической анизотропии, т.е. разложение свободной энергии магнетика по углу поворота в плоскости (111) начинается со второй константы кубической анизотропии. Однако данный вывод был сделан в

9

предположении, что вектор намагниченности не покидает этой плоскости.

В реальности траектория движения вектора намагниченности при вращении в плоскости (111) более сложная, кристаллографическая анизотропия выводит вектор намагниченности из плоскости, и возникают дополнительные анизотропные силы пропорциональные углу выхода из плоскости. Чтобы корректно описать движение вектора намагниченности необходимо учесть квадратичные члены по углу выхода из плоскости и первые две константы кубической анизотропии [А13].

Для монокристаллической пленки кубического магнетика с ориентацией (111) во вращающемся в плоскости пленки магнитном поле Н (рис. 1) с точностью до членов второго порядка по 9 плотность свободной энергии и может быть представлена в виде [А9]:

U - —МН cos{<p — <рц) - Mhи cos(<p — V) cos в + -£-cos 6tp — 6Mhz —

108

в у (к1 + у) cos 3<р + в2 (гпМ2 -Ки + \мн cos{tp - <Рн)); (1)

где М - намагниченность, в - угол выхода намагниченности из плоскости, Ки- константа одноосной анизотропии, Кг и К2 - константы кубической анизотропии четвертого и шестого порядков, ф - угол между проекцией намагниченности на плоскость пленки и осью (211), ср= cot, где ш - круговая частота насыщающего поля Н , a hx, hY и hz -ортогональные компоненты вектора измеряемого магнитного поля h.

Выражения для Н иЬ. в декартовой системе координат имеют вид: Нх = Н cos cat, HY — Я sin wt,Hz = 0; (2)

hx = ft|| cos V, hY = ft|| sin V; (3)

где - проекция вектора h в плоскости XY. Комплексная восприимчивость магнетика в плоскости пленки X = х' ~jx" получается путем решения уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта в сферических координатах[2,3]:

л — . , -.2 , , . \у)

(Ü>R-<02) + (0ц<02

„ _ ЫМЫРЬ> . /с\

Л ~ I 2 212 . 2 1 ' \ '

где частоты u)R, tuD и шм выражаются в виде:

1

«д = у((47гМ + Я)(Я + Chz cos 3<р + Нс cos 6<р))2; (6)

o)d = aY (2(Я + 2лM) + Chz cos 3<р + Нс cos 6<р ); (7)

о>м = г(М(4лМ + ЮУ; (8)

где, у- гиромагнитный фактор, а - константа затухания, константы Нс С равны:

„ »(*!+£)' . т С 3М М(4пМ2-2Ки+МН)' ^ '

С =__/101

4тгМ2-2Ки+МН ' v '

Эти константы слабо зависят от магнитного поля и могут считаться константами материала. Упростив выражения для поскольку, сэи » со, получаем:

Х\<Р) = (11)

Как следует из уравнения (11), измеряя магнитную восприимчивость в зависимости от угла между направлением [211] и проекцией вектора намагниченности на плоскость (111), можно определить величины

Их, Иу, СИ.2 и Нс путем выделения Фурье компонент из

зависимости х'(.Ф)--

(13)

(14)

(15)

Полученные соотношения (12-14) дают возможность построить алгоритм одновременного измерения всех трех компонент магнитного поля путем измерения компонент тензора восприимчивости тремя катушками, окружающими магнитную пленку [А16].

Величина Нс представляет собой поле анизотропии в плоскости вращения пленки и может принимать нулевое значение даже при ненулевом значении константы С , что позволяет убрать из сигнала неинформативную 6-ую гармонику по частоте накачки, сохранив при этом чувствительность сенсора по трем направлениям [А24]. В частном случае применения магнитных материалов без ярко выраженных анизотропных свойств, например, Бс-замещенного ЖИГа или других изотропных материалов, константы К1мКг = 0. Тогда согласно (9) и (10) величины С и Нс равны нулю, и возможно только измерение компонент и Лу. Экспериментальные данные по измерению зависимостей х'{Ф) приведены на рис.2 - рис. 4. Определенные из эксперимента и вычисленные по формулам (9-10) значения С и Нс сведены в таблице 1. Исходя из соотношений (9-10) и данных в таблице 1 можно сделать вывод что уменьшение наведенного поля анизотропии в плоскости (111) Рг -замещенных и Бс- замещенных феррит-гранатов происходит по разным сценариям: в случае замещения Бс происходит уменьшение константы Кг и как следствие квадратичное падение величины Нс , в случае Рг -преимущественно за счет увеличения плоскостной анизотропии Ки < 0 , что вызывает линейное по Ки уменьшение поля анизотропии в плоскости пленки Нс.

— УКЗ, Н=40 Э, Ьх=Иу=Иг=0 О

|1х=+10 Э

- Ьг=-ЗОЭ - Иг=+30 Э

О

- Иу=-10 Э - 11у=+10Э

О

— Ь|Х=-10 Э — О

Рис 2. Измеренные угловые зависимости магнитной восприимчивости в плоскости пленки х'(<Р) во вращающем поле Н=40 Э и различных постоянных полях /1х, Ьу и Ьг, для феррит-граната У3Ре5012 во вращающем поле Я=40 Э.

При воздействии нормального к плоскости пленки - Ьг и плоскостных - Лх и /?у полей, в зависимости х\ф) углу (р появляются дополнительные гармонические составляющие на третьей и первой гармониках, согласно формуле (11).

Рис. 3 - Экспериментальные угловые зависимости х'(.Ф) во вращающем поле Н=40 Э и нулевом постоянном (Лх=/7у=/)г=0) для феррит-гранатов трех различных составов: У3Ре5012 (УЮ), 1_и215Рга85^е6012 (Рг!_иЮ) и Tm3Fe4.3Sco.7Oi2 (ТтЭсЮ).

Рис. 4 - Измеренные зависимости величины Ск2 от напряженности магнитного поля /и, приложенного по нормали к плоскости пленки для пленок составов УЮ, РгЫЮ и ТтЭсЮ.

Таблица 1. Сравнение теоретических и экспериментальных значений величин Нс и С [А11].

Химическая Формула К1, 3 эрг/см Ки, 3 эрг/см 4ттМ, г Не, Э Теор. Не, Э Эксп. С Теор. С Эксп.

У3Ре5012 -6*10-3 0 1750 2.5 2.5 0.095 0.1

Ьи2.15РГ0.85ре5О12 -6*1 оа -1.5*10" 1800 0.9 0.92 0.045 0.036

Tm3Fe4.3sco.7012 -0.6*1 0 1600 0.026 0.03 0.012 0.011

Экспериментальные величины Нс определялись по формуле (15) из зависимостей х'(.Ч>) представленных на рис. 4, а величины С из рис.5. Величины Кг, Ки и 4ттМ определены по составу феррит-граната [4-7].

Рис. 5: а). Магнитооптическое изображение остаточных доменов

на краю одноступенчотого диска Рг-замещенного ЖИГа.

Ь). Результаты моделирования распределения намагниченности.

—

1

Рис. 6: а). Результаты симуляции для одноступенчатого диска в поле 53 Э.

Ь). Результаты симуляции для трехступенчатого диска в поле 53 Э.

Рис. 7: а). Результаты симуляции для одноступенчатого диска в поле 15 Э.

Ь). Результаты симуляции для трехступенчатого диска в поле 15 Э. Трехступенчатый диск находится в насыщенном состоянии, в то время как на краю одноступенчатого образовался вихрь намагниченности.

Рис. 8. Внешний вид рабочего элемента сенсора с трехступенчатым профилем толщины пленки и зависимость усредненного в полосе 1-10 Гц магнитного шума сенсора от величины вращающегося поля насыщения (51ер_3). По горизонтальной оси - поле Эрстед, по вертикальной - плотность магнитного шума в Эрстед/Гц05 . Для сравнения приведены данные для одноступенчатого диска (51ер_1).

1Е-5-1Е-6-1Е-7-1Е-8-1Е-9

1Е-10 ,

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0

Рис. 9. Спектральная плотность магнитных шумов сенсора

измеренная в магнитном экране с оценкой усредненных шумов в

диапазоне частот 5-45 Гц. По горизонтальной оси - частота в Гц,

по вертикальной - плотность магнитного шума в Эрстед/Гц0 5.

Третья глава посвящена оценке термодинамических флуктуации в сенсоре с учетом тепловых возбуждений в магнетике и возбуждающих катушках. Оценка шумов производилась исходя из флуктуационно-диссипационных соотношений [7]:

(Н2\ - т х"(ы'н) - /1й\

после подстановки выражений для магнитной восприимчивости (4-5):

(И1\ _ _1_ . 5го£> _ _Т___а_

\"Г>0>~лшу ы2м ~ 2пу уМ ■ и /)

Формула (17) не содержит в явном виде частоты перемагничивания ш и напряженности насыщающего поля Н. Обе эти величины содержатся в феноменологическом факторе затухания Гильберта - а.

На практике для оценки диссипации энергии в ферритах-фанатах часто используется параметр АН - ширина линии ферромагнитного резонанса. Обычно АН представляют в виде суммы вкладов в ширину линии от различных механизмов диссипации [3]:

АН = АН0+АН1п+ АН с + ...; (18)

где АН0 - уширение линии связанное, с неоднородностью распределения намагниченности и анизотропии в объеме образца,

АН1п - рассеяние на дефектах с образованием спиновых волн, АНС - уширение, вызванное эффективным полем сил вязкого трения, это поле пропорционально скорости изменения намагниченности и выражается через константу а [2]:

... а дМ аш . л

Приведем оценку эффективного стороннего магнитного поля, вызванного термомагнитными флуктуациями (н})ш для ЖИГ пленки с параметрами АН = 1 Эрстед на частоте 1 МГц, М = 140 Гаусс, У = 2.5-10"4 см3 (1 см в диаметре и толщиной 3.2 мкм), Т= 4.2-10"14 эрг (300 к), у = 2.8 МГц/Э.

Согласно (17), величина , определяющая шумовой вклад

магнитного материала, при данных параметрах составляет 2,2* 1С11 Э/Гц05 (2.2 фТл/Гц1/2). Примечательно, что {Щ)ы явно не зависит от величины насыщающего поля, это связано с предположением о постоянстве величины а(ш, Н), что верно только при достаточно больших величинах насыщающего

17

поля, при уменьшении насыщающего поля до величин, близких к порогу насыщения, а будет возрастать в связи с нарушением однородности распределения намагниченности в образце.

Приведенные обстоятельства потребовали экспериментального уточнения величин о(ш, Я) в диапазоне полей и частот, реализуемых в магнитном сенсоре [А20.А21].

Рис.10 - зависимость параметра диссипации АН от насыщающего поля в пленках составов 1и2.15Рго.85ре5012 и Tm3Fe4.3Sco.7O12 на частоте 100 КГц.

Рис.11 - зависимость параметра диссипации АН от частоты в пленках составов Ш2 ^РговбРебО^ и ТгпзРе4зЗсо7012 в поле 40 Эрстед.

Как видно из рис. 10 и рис. 11, параметр диссипации АН практически не зависит от величины приложенного поля для составов 1_и215Рго85ре50-12 и Tm3Fe4.3Sco.7O12. В то же время, наблюдаемые зависимости от АН частоты для составов 1и215Рго.85ре5012 и Tm3Fe4.3Sco.7O12 существенно отличаются. Состав Tm3Fe4.3Sco.7O12 демонстрирует линейную зависимость АН частоты возбуждающего поля, что соответствует зависимости (19). Экстраполяция этой зависимости на частоту 1 ГГц приводит к величине АН порядка 200 Эрстед, что совпадает с имеющимися данными о ширине линии резонанса в гранатах состава Тт3Ре5012 [8].

Таким образом, можно сделать вывод, что диссипация в пленках состава Tm3Fe4.3Sco.7O12 подчиняется уравнению Ландау-Лифшица-Гильберта, а величина АН определяется соотношением (19).

В пленках состава Lu2.i5Pro.85Fe5012 на частотах ниже 400 КГц, параметр диссипации АН перестает зависеть от частоты, что означает доминирование дополнительных механизмов релаксации.

При наличии реальных измерительных катушек ситуация несколько усложняется, выражение для флуктуационного поля принимает вид [А9]:

/Н2\ - 4Г f1 , Де0У/)~1\ _1__,ОГ1ч

где

Heff = 1 + 4TTXeff; (21)

xeff=(x'-jx"y~-. (22)

Vv\V0- объемы магнитного материала и резонатора, соответственно _ х'(о>.Н) _ о>Ъ~о>2 ГН . Оо\

*"(<».«) «в« ~ «а'

- добротность магнитного материала, Q0- значение добротности катушки без магнетика. Из полученного соотношения для частоты f = 150 кГц оценим порог чувствительности магнитометра на основе тонкой пленке ЖИГа с указанными выше параметрами: М = 140 Эрстед, Н = 10 Эрстед, АН = 1 Эрстед, QM = 3.4-104, Qo=10, толщина d0 = 640 мкм, объем V0 =5Ю"2 см"3, (V/V0=10"2). При комнатной температуре из (22) находим *е//=14, а из (21)

получим = 1.88. Тогда величина шумовых флукгуаций из (20)

будет составлять около 10"9 Э/Гц05 (0.1 пТл/Гц1й). Это значение на 2 порядка превышает величину, полученную из (19) для магнетика без резонатора.

В выражении (20) соотношение между слагаемыми в первых скобках, т.е. <Эо'1 и (Яе ^г^УОм, отражает отношение потерь в резонаторе к потерям в магнитном материале. Поскольку Ом » О0, выражение (20) может быть приведено к виду:

и с учетом (4-5) представлено как:

/г/2\ _.4Г Кр Я2

Рассмотрим по очереди все три сомножителя в выражении (25). Первый сомножитель может быть уменьшен путем увеличения рабочей частоты о, однако существует ограничение на а, связанное с конструкцией

19

проводов обмотки. Начиная с некоторой частоты (для современных проводов типа литцендрат порядка 1-3 МГц), потери в проводе начинают быстро возрастать. Это связано с уменьшением толщины скин-слоя, а также избыточным токами наведенным между отдельными жилами (proximity effect).

Второй сомножитель - отношение объема к добротности для плоской катушки практически является константой, определяемой параметрами проводов. Это обусловлено тем, что основная часть магнитной энергии контура располагается между плоскостями обмотки и пропорциональна толщине катушки, а активное сопротивление с изменением толщины практически не изменяется.

Третий сомножитель - по сути, обратный квадрат магнитной восприимчивости, обратно пропорциональный полю насыщения Н . Идеальным с позиции поля насыщения являлся бы образец в форме эллипсоида, однако реализация такого профиля в монокристалле феррит-граната с отношением полуосей порядка 100, довольно емкая технологическая задача. Чтобы обойти эти сложности был развит относительно простой технологический подход к оптимизации профиля чувствительного элемента посредством многослойной фотолитографии [А1].

Таким образом, оптимизация профиля краевой области феррит-гранатового чувствительного элемента открывает путь для дальнейшего повышения чувствительности датчиков на основе вращения намагниченности в магнитной пленке.

В главе 4 рассмотрены критерии перехода пленки в монодоменное состояние, описана установка для измерения степени насыщения магнетика, описана процедура оптимизации профиля толщины чувствительного элемента с целью уменьшения поля насыщения. Также приведена блок-схема магнитометра и результаты магнитных измерений.

Оптимизация профиля края диска проводилась методами микромагнитного моделирования [10].

Известно, что ширина доменных границ в тонких пленках с плоскостной анизотропией увеличивается с уменьшением толщины [9], и соответственно падает поле насыщения. Поэтому среди возможных профилей края диска был выбран ступенчатый, поскольку он легко может быть реализован с помощью многослойной литографии.

Результаты микромагнитного моделирования [А1] показывают, что для

20

материала типа ЭЫг-замещенного ЖИГа с намагниченностью 4гтМ=ЛООО Гаусс, константой неоднородного обмена А = ЗпДж/м , анизотропией Ки = ~-1000Дж/м3и К,= ~0Дж/м3 в базовой плоскости (111) для датчика диаметром 1 см и толщиной 6 мкм ступенчатая форма края пленки приводит к снижению порога насыщения с 25-30 Эрстед до 5-7 Эрстед.

Получено хорошее совпадение размеров и форм доменов, наблюдаемых в реальном образце и полученных в ходе симуляции.

На рис. 5.а изображен снимок реального образца празеодим-замещенного феррит-граната в поляризационном микроскопе, на рис. 5.Ь показано распределение намагниченности, полученное в ходе симуляции.

На рис. б.а и рис. 5.Ь изображены распределения намагниченности в одноступенчатом и трехступенчатом дисках при одинаковом поле 53 Эрстед.

Насыщающее мапнитное поле направлено вдоль оси X , отклонения намагниченности от направления X представлены изменением цвета, красным вдоль +У и синим вдоль -У Из рис. 6 видно, что даже в насыщающем поле вдоль оси X, остаются небольшие отклонения намагниченности от X направления вблизи краев диска. Для трехступенчатого диска эти отклонения повторяются на каждой ступени и имеют меньшую амплитуду.

На рис. 7 изображены распределения наматиченности в одноступенчатом и трехступенчатом дисках после уменьшения внешнего поля до величины 15 Эрстед. Как видно из рис. 6 и 7 состояние однородного намагничивания сохраняется с уменьшением поля намагничивания до 15 Эрстед для трехступенчатого диска, в то время как в одноступенчатом уже виден вихреподобный зародыш обратной намагниченности.

На рис. 8. показан вид рабочего элемента сенсора с трехступенчатым профилем толщины пленки и зависимость усредненного в полосе 1-10 Гц магнитного шума сенсора от величины вращающегося поля насыщения (31ер_3). Для сравнения приведены данные для одноступенчатого диска фер_1).

Спектральная плотность магнитных шумов сенсора представлена на рис. 9. Измерения проводились в трехслойном пермаллоевом экране с коэффициентом экранирования на частоте 1 Гц более 60 с1Ь. В качестве оценочной характеристики на монитор выводилось усредненное в диапазоне частот 5 -45 Гц значение плотности магнитных шумов.

21

Отсутствие вплоть до 0,1 Гц 1Я-составляющей в спектре собственных шумов магнетометра указывает на практически полностью насыщенное состояние магнитной пленки. Величина измеренной плотности шума составляет 1,22* 10"9 Э/Гц05(122 фТл), что в пределах точности расчетов и измерений совпадает с теоретически предсказанной.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. На основе процесса циркулярного вращения намагниченности в плоскости тонкой пленки феррит-граната построен магнитометр с уровнем собственного шума 10"9 Э/Гц05 (100 фТл/Гц05). Полученный результат на два порядка величины лучше уровня существующих магнитомодуляционных сенсоров.

2. Изготовлены эпитаксиальные феррит-гранатовые пленки составов Tm3Fe4.3Sco.7Oi2, LiH.5Yi.5Fe4.4Sco.6Oi2 и 1_и2.15Рго.85ре5012 с ориентацией (111), для которых величина анизотропии в плоскости пленки не превосходит 1 Эрстед. Это позволило реализовать режим однородного перемагничивания магнетика циркулярным вращением намагниченности в плоскости пленки.

3. Теоретически определен и экспериментально измерен трехмерный отклик магнитного сенсора на внешнее квазистационарное поле. Отклик на нормальную к плоскости пленки компоненту магнитного поля в ориентации (111) обусловлен кубической анизотропией магнетика. При этом влияние наведенной анизотропии в плоскости пленки может быть скомпенсировано соответствующим выбором констант кубической анизотропии четвертого и шестого порядков. Таким образом, получена информация о всех трех компонентах внешнего измеряемого поля от одного рабочего тела магнитного сенсора.

4. Разработан метод разделения вкладов в магнитный шум дискового чувствительного элемента от материала эпитаксиальной пленки и возбуждающей электромагнитной системы. Определены условия минимизации уровня магнитного шума с учетом обоих факторов.

5. Методом микромагнитного моделирования предсказана и экспериментально реализована схема снижения поля насыщения сенсорного элемента в форме диска путем плавного уменьшения толщины в направлении края диска. Уменьшение поля насыщения происходит из-за изменения соотношений обменного и магнитостатического полей с уменьшением толщины пленки.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в журналах из списка ВАК:

A1. Petr Vetoshko, Vladimir Skidanov, and Alexander Stempkovskiy. Magnetization Distribution Near Edge of YIG Film Core in Fluxgate Magnetometer. Sensor Letters, 11,59-61 (2013).

A2. Skidanov VA, Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Hysteresis Loop Design by Geometry of Garnet Film Element with Single Domain Wall. Journal of Physics: Conference Series. V. 266. 012125 (2011). doi:10.1088/1742-6596/266/1/012125

A3. Skidanov, V., Vetoshko, P. Ultrasensitive core for magneto-optical fluxgate magnetometer with high space resolution. Procedia Engineering, 5, pp. 989-992 (2010). doi:10.1016/j.proeng.2010.09.275.

A4. Maxim Nikitin, Mikhail Yuriev, Nikolai Bmsentsov, Petr Vetoshko, and Petr Nikitin. Noninvasive in vivo Mapping and LongTerm Monitoring of Magnetic Nanoparticles in Different Organs of Animals. AIP Conf. Proc. 1311, pp. 452-457 (2010). doi: 10.1063/1.3530055

A5. M.P. Nikitin, P.M. Vetoshko, P.I. Nikitin, NA Bnjsentsov. Highly Sensitive Room Temperature Method of Non-Invasive in vivo Detection of Magnetic Nanoparticles. J. Magn. Magn. Mater., vol 321. pp. 165&-1661 (2009).

A6. P.M.Vetoshko, M.V. Valeiko and P.I. Nikitin. Novel static criterion for magnetic sensor film saturation. Sensor Letters, Vol. 5, pp. 189-191 (2007).

A7. P.I. Nikitin, P.M. Vetoshko and T.I. Ksenevich. New Type of Biosensors Based on Magnetic Nanoparticle Detection. J. Magn. Magn. Mater. Vol. 311, pp. 445-449 (2007).

A8. P.I. Nikitin, P.M. Vetoshko, T.I. Ksenevich. Magnetic Immunoassays. Sensor Letters, Vol. 5, pp. 296-299 (2007).

A9. P. M. Vetoshko, M.V. Valeiko P.I. Nikitin, Epitaxial iron garnet film as an active medium of an even-harmonic magnetic field transducer. Sensors and Actuators A, Vol. 106/1 -3, pp 270-273 (2003).

A10. P.I. Nikitin, S.I. Kasatkin, A.M. Muravjov, P.M. Vetoshko, M.V.Valeiko, V.I. Konov, T.

Meydan. Magnetic field sensors based on thin film multi-layer structures. Sensors and

Actuators A, Vol 106/1-3 pp 26-29 (2003).

A11. A.Ya.Perlov,P.M.Vetoshko,V.B.Volkovoy. Three component magnetic field measure-

ments using cubic anisatropy in (111) YIG films. Journal of Applied Physics, V75..N10, p.5922 (1994).

А12. Валейко М.В., Ветошко П.М., Перлов АЯ., Топоров АЮ. Влияние констант анизотропии на магнитную восприимчивость материалов с кубической кристаллической структурой. Физика твердого тела, т.36, N10, С.3067-3070 (1994).

А13. Валейко М.В., Ветошко П.М., Кононов Р.И., Перлов А.Я., Топоров А.Ю., Шаронов М.Ю. Магнитооптический визуализатор сильных магнитных полей. Приборы и техника эксперимента, N2,0.115-121 (1994).

А14. Ветошко П.М., Кононов Р.И., Топоров А.Ю. Магнитооптический визуализатор

микроскопических магнитных полей. Приборы и техника эксперимента, N5, С.151-156 (1993).

А15. Vetoshko P.M., Volkovoy V.B., Zalogin V.N., Toporov A.Yu. Measuring of the low alternating magnetic fields by means of Bi-contained rare earth ferritegamet films with planar anisotropy. J.App!.Phys„ v.70, N10, P.6298-6300 (1991).

Патенты:

A16. Ветошко П.М. Магнитометер .патент 2100819 приоритет 30 сентября 1996, дата по ступления 30 сентября 1996, Заявка 96119690 зарегистрирована 27 декабря 1997

А17. Никитин П. И., Ветошко П.М. "Измеритель магнитной восприимчивости" Патент Российской Федерации N 2177611. Приоритет от 9 марта 2000 года. Опубликован 27.12. 2001. Бюл. N36.

А18. Ветошко П.М., Назаров А. А, Новак В. P., SkidanovVA, Стемпковский А.Л.

Способ и устройство для создания магнитного поля, локализованного в нанометровой области пространства (№2447527). Номер 2447527, приоритет от 27.04.2011, зарегистрирован 10.04.2012

Материалы международных и национальных конференций:

А19. P.I. Nikitin, P.M. Vetoshko and M.V. Valeiko. YIG magnetometers. Proceedings of International Scientific Scholl "High Sensitivity Magnetometers- Sensors & Applications" Port-Bail, France, November 4-8,2002, pp. 23-24.

A20. P.M. Vetoshko, M.V.Valeiko, P.I.Nikitin, S.B. Ubizskii and I.M.Syvorotka. Rotational dissipation measurements for optimization of materials for high-sensitive magnetic field sensors. Proceedings of Moscow International Symposium on Magnetism (MISM'2002) June 20-24, Moscow, Russia, p. 24 P011-39.

A21. P. M. Vetoshko, S.B. Ubizskii, I.M. Syvorotka, M.V. Valeiko and P.I.Nikitin. Epitaxial iron gar net film as an active medium of an even-harmonic magnetic field transducer. Proceedings of the 4th European Magnetic Sensors and Actuators Conference, 3-5 July, 2002, Athens, Greece, Paper S6_04.

A22. P.I. Nikitin, S.I. Kasatkin, A.M.Muravjov, P.M. Vetoshko, M.V. Valeiko, V.I. Konov, T. Meydan. Magnetic field sensors based on thin film multi-layer structures. Proceedings of the 4th European Magnetic Sensors and Actuators Conference, 3-5 July, 2002, Athens, Greece, Paper S1_P2.

A23. P I. Nikitin, P.M. Vetoshko, M.V. Valeiko. Magnetometric biosensors. Book of Abstracts of 47th Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Tampa, Florida, November 11-15, 2002. AS-09.

А24. P.M.Vetoshko, M.V. Valeiko and P.I. Nikitin. Novel 3D "Flux-Spin" Magnetometer. Proceedings of the 5h European Magnetic Sensors and Actuators Conference, 4-7 July, 2004, Cardiff, UK, page M-P.18.

A25. P.M.Vetoshko, M.V. Valeiko and P.I. Nikitin. Novel static criterion for magnetic sensor film saturation. Proceedings of the 6th European Conference on Magnetic Sensors and Actuators "EMSA-2006", Bilbao, Spain, July 2-5,2006, p.141.

A26. P.M.Vetoshko, M.V. Valeiko, P.I. Nikitin and I.I.Syvorotka. Multe-channel module system of highly sensitive room-temperature magnetometers. Proceedings of the 6th European Conference on Magnetic Sensors and Actuators "EMSA-2008", Caen, France, Abstract MoP60.

A27. M. Nikitin, P. Vetoshko, P. Nikitin. Non-Invasive In Vivo Detection of Magnetic Nanoparticles for Biomedical Applications. Oral Talk and Abstract is published in Proceedings of the 6th European Conference on Magnetic Sensors and Actuators "EMSA-2008", Caen, France, Abstract We2.9.

A28. M.P. Nikitin, P.M. Vetoshko, P.I. Nikitin, N.A. Bmsentsov. Highly Sensitive Room Temperature Method of Non-Invasive in vivo Detection of Magnetic Nanoparticles. Oral Talk and Abstract is published in Proceedings of 7th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, Vancouver, Canada, 20-24 May 2008.

A29. P. Nikitin, P. Vetoshko, M. Nikitin, T. Ksenivich. Magnetic Immunoassays -New Methods of Biochemical Diagnostics Based on Detection of Magnetic Nanoparticles by Non-Linear Magnetization. Oral Talk and Abstract is published in Proceedings of INTERMAG 2008 Conference, Madrid, Spain, 4-8 May 2008.

A30. M.B. Валейко, П.М. Ветошко, П.И. Никитин. Нанослойные чередующиеся магнитные пленки и высокочувствительные магнетометры на их основе. Приглашенный

секционный доклад и опубликованные тезисы в трудах Международного форума по нанотехнологиям. Москва. 3-5 Декабря, 2008 г. Т. 1. стр 728-730.

А31. P.M.Vetoshko, M.V. Valeiko, I.I.Syvorotka.S.B Ubizskii. differential susceptibility measurements for magnetic materials characterization. mpmns'10donetsk,Ukraine may, 29. posters 4. pp. 195-196, http://r.donnu.edu.ua:8080/jspui/handle/123456789/306

A32. V. A. Kotov, K. Alameh, D.E. Balabanov.V.I. Burkov, M. Vasiliev, V.V. Koledov, V.G. Shavrov, P. M. Vetoshko. magnetic photonic crystals - technological considerations, mpmns'10 donetsk, Ukraine may, 27.posters -1. pp. 48-49.

url: http://rdonnu.edu.ua:8080/ispui/handle/123456789/377

A33. P. M. Vetoshko, I.I. Syvorotka, V. A. Kotov,V. V. Koledov, V. G. Shavrov. Omnidirectional ani-sotropy in nanoparticles. mpmns'10 Donetsk, Ukraine, May, 27. Posters-1. pp. 154-155. URL: http://r.donnu.edu.ua:8080/jspui/handle/123456789/432

A34. Skidanov VA, Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Hysteresis Loop Design by Geometry of Garnet Film Element with Single Domain Wall. 2nd International Symposium on Advanced Magnetic Materials and Applications. Sendai, Japan, July 12-16,2010. p. 178.

A35. Vetoshko P.M., Skidanov VA., Stempkovsky A.L. Magnetization distribution near edge ofYIG film core in fluxgate magnetometer. Book of Abstracts 8 th European Magnetic Sensors Conference (EMSA). Bodrum, Turkey, July 4-7,2010, p. 78.

А36. Skidanov VA, Vetoshko P.M. Ultrasensitive Core for Magnetooptical Fluxgate Magnetometer with High Space Resolution. Proceedings of Eurosensors XXIV Conference. September 5-8, 2010, p. B5L-D Linz, Austria. 1877-7058, doi:10.1016/j.praeng.2010.09.275

A37. Skidanov VA, Vetoshko P.M. Effects of reversibility and irreversibility in uniaxial garnet elements magnetized by elastic domain wall motion. Abstracts of 20th International Conference on Soft Magnetic Materials. Kos, Greece. September 18-22,2011. P. 448

A38. Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. High Sensitive Micrasensor for Magnetic Nanoparticle Detection in Biochip Channels and Vascular System. Proceedings of 2011 International Conference on Microtechnologies in Medicine and Biology. Lucerne, Switzerland. 4-6 May, 2011. P. 207-208.

A39. Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Magnetooptical Sensitive Elements for Single Magnetic Nanoparticle Detection. Book of Abstracts European Magnetic Sensors & Actuators Conference. 1-4 of July, 2012. Prague, p. 71.

A40. Skidanov V.A., Vetoshko P.M., Stempkovsky A.L. Uniaxial Ferrite Gamet Elements with Two Domain Walls. Abstracts of III International Non Exchange Bias in Conference on Superconductivity and Magnetism. 29 of April -4 of May 2012, Istanbul, p. 310.

Список цитировавшийся литературы:

[1] С.Тикадзуми. "Физика магнетизма". Москва, Мир(1987).

[2] Г.В.Скроцкий, Л.В.Курбатов. Феноменологическая теория ферромагнитного резонанса, в сборнике "Ферромагнитный Резонанс" под ред. С.В.Вонсовского, Москва(1961).

[3] А.Г. Гуревич. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, Наука(1973).

[4] A. Gangulee and R. J. Kobliska. Magnetocrystalline anisotropy in epitaxially grown (Gd,Tm,Y)3(Fe,Ga)5012 gamet thin films. J. Appl. Phys.51,3333 (1980).

[5] Antonio Azevedo, C. Cinbis, and M. H. Kryder. Magnetic properties of praseodymiumsubstituted

iron gamet films. J. Appl. Phys. 74,7450 (1993).

[6] S. E. G. Slusky, J. F. Dillon, Jr., C. D. Brandle, M. P. Norelli, and V. J. Fratello. Magnetic properties of praseodymium iron gamet and neodymium iron gamet. Phys.Rev.B. 34,7918-7923 (1986).

[7] LD.Landau and E.M.Lifshitz. Theoretical Physics. Vol.8. Solid State Electrodynemics, Moscow., Nauka (1992).

[8] Tomano Miyadai. Ferrimagnetic Resonance in a Single Crystal of Thulium Gamet (Tm3Fe50i2). J. Phys. Soc. Japan 17, pp. 1899-1900(1962).

[9] Hubert A. Stray-Field-Free and Domain Wall Configurations in Magnetic Films (II) phys. stat sol. 38,699 (1970)

[10] http://math .nist.gov/oommf/

Заказ №07-а/10/2013 Подписано в печать 02.10.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1.2

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-тай: info@cfr.ru