Влияние параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса

Бакулин, Максим Анатольевич

Влияние параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Бакулин, Максим Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саранск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса»

Автореферат диссертации на тему "Влияние параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса"

На правах рукописи

БАКУЛИН МАКСИМ АНАТОЛЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА СПЕКТРЫ СПИН-ВОЛНОВОГО РЕЗОНАНСА

Специальность: 01.04.07 — Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск-2008

003454018

Работа выполнена на кафедре общей физики Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук профессор А. М. Зюзин

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Д. И. Семени,ов

доктор физико-математических наук профессор В. Д Кревчик

Ведущая организация:

Институт Радиотехники и Электроники. Фрязинское отделение

Защита состоится "10 "декабря 2008 года в _ часов _ минут на заседании диссертационного совета Д 212.278.01 при Ульяновском государственном университете по адресу: 432970, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета.

Автореферат разослан " 8 " ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.278.01 кандидат физико-математических наук

О. Ю. Сабитов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задача изучения спин-волнового резонанса (СВР) в тонких пленках представляет несомненный научный интерес, являясь частью общей проблемы магнитного резонанса и еще более фундаментальной проблемы взаимодействия излучения с веществом. Будучи яркими эффектами, подтверждающими многие представления современной физики, ферромагнитный (ФМР) и спин-волновой резонансы одновременно являются весьма тонкими и эффективными методами изучения вещества. С их помощью могут быть получены сведения о магнитной структуре магнитоупорядо-ченных веществ, о природе взаимодействий в них, измерены их основные характеристики.

Явление резонансного взаимодействия электромагнитного поля с ферромагнетиками имеет и важное прикладное значение, поскольку лежит в основе функционирования многочисленных СВЧ устройств: преобразователей частоты; резонансных вентилей и фильтров; параметрических усилителей; ограничителей мощности; линий задержки. В связи с этим особую значимость приобретает задача построения теоретических моделей, позволяющих описать особенности возбуждения колебаний в магнитных пленках, в том числе и в многослойных, которые находят все более широкое применение в современных СВЧ-устройствах.

Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям СВР, многие вопросы остаются невыясненными. Не все экспериментальные результаты по спин-волновому резонансу в тонких пленках могут описываться теорией Киттеля, основанной на модели полного или частичного закрепления спинов за счет поверхностной анизотропии или моделью, предложенной Портисом и Шлеманом и основанной на предположении о неоднородности намагниченности по толщине пленки. Мало исследованы механизмы закрепления спинов в пленках имеющих сложный тип анизотропии. Остаются не исследованными особенности спин-волнового резонанса при дис-сипативном и смешанном механизмах закрепления спинов в многослойных пленочных структурах при малых значениях толщин слоев закрепления. Поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Целью настоящей работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса.

В работе решены следующие основные задачи:

1. предложена модель, позволяющая рассчитывать основные характеристики спектров спин-волнового резонанса в многослойных пленках при дисси-пативном или смешанном механизмах закрепления спинов;

2. изучено влияние разности полей однородного резонанса на эффективность закрепления спинов на межслойной границе;

3. исследована трансформация спектров СВР и структуры СВ-мод в трехслойных магнитных пленках при переходе слоя (слоев) закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную;

4. исследовано влияние толщины слоя закрепления на параметры спектра СВР при различной ориентации внешнего постоянного магнитного поля относительно плоскости пленки.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Показано, что при увеличении разности резонансных полей в двухслойной пленке происходит возрастание степени закрепления спинов. Это имеет место как для слоя, находящегося в состоянии реактивной, так и диспер-сивной среды.

2. Установлено наличие пространственной дисперсии спиновых волн в трехслойных пленках, механизм которой связан с действием слоев закрепления.

3. Экспериментально показано существование двух областей пространственной дисперсии в трехслойных пленках с различными значениями магнитных параметров слоев закрепления.

4. Обнаружена периодическая зависимость ширины и интенсивности пиков поглощения спектра СВР от толщины слоя закрепления.

5. Обнаружено резкое возрастание степени закрепления спинов при нано-размерных толщинах слоя закрепления.

Практическая ценность работы.

- Предложенная в работе модель позволяет рассчитать основные параметры спектров спин-волнового резонанса в многослойных пленках.

- Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке приборов на спиновых волнах.

Основные положения и результаты, выносимые автором на защиту.

1. При увеличении разности полей однородного резонанса е. слоях двухслойной пленки происходит увеличение степени закрепления спинов.

2. Установлен новый тип пространственной дисперсии спиновых волн в трехслойных магнитных пленках.

3. Предложена модель, объясняющая периодическую зависимость зависимости ширины и интенсивности линий СВ-мод и резкое возрастание степени закрепления спинов при наноразмерных толщинах слоя закрепления.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XVII Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2004), международных конференциях: «Е8ТМАС-2007» (Казань, 2007), «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 2003), Всероссийской молодежной научной школе «Материалы на-но-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2007).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 работах, список которых приведен в заключении.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 134 страницы, включая 35 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы.

В первой главе проведен обзор литературы, посвященной исследованиям спин-волнового резонанса. В параграфах 1.1, 1.2 кратко изложена теория ферромагнитного и спин-волнового резонансов, методы анализа этих явлений. В параграфе 1.3 рассмотрено возбуждение стоячих спиновых волн в тонких магнитных пленках однородным СВЧ-полем при различных механизмах закрепления: в условиях наличия поверхностной анизотропии [1] , динамического [2] и диссипативного [3] механизмов закрепления. Следующий параграф посвящен анализу работ, в которых исследуется влияние граничных условий, параметров закрепления и толщины составляющих структуру слоев на спектр спин-волнового резонанса при различных ориентациях внешнего магнитного поля относительно плоскости пленки.

Во второй главе, которая является методической, дано описание методик экспериментов и измерения основных параметров спектров, кратко описан модернизированный радиоспектрометр магнитного резонанса, позволяющий производить регистрацию и обработку спектров с применением компьютера. Описаны способ получения эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов и методики измерения их основных характеристик.

В третьей главе рассмотрено влияние параметров многослойных пленок ферритов-гранатов на спектры спин-волнового резонанса.

Отмечено, что в большом количестве работ расчет спектров СВР производится для однослойных пленок [4,5]. При этом теоретические модели расчета основаны на представлении о поверхностной анизотропии, где степень закрепления спинов описывается с помощью трудно измеряемой и плохо контролируемой феноменологической характеристики - константы поверхностной анизотропии, являющейся интегральной функцией нескольких параметров (толщины, намагниченности и поля анизотропии) поверхностного слоя [6]. Это во многих случаях приводит к расхождению экспериментальных и расчетных результатов. В таких моделях не учитывается зависимость степени закрепления от номера п или волнового числа к ~ п спин-волновой (СВ) моды, а также не принимается во внимание возможность переходов слоя закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную или наоборот. Кроме того, в большом числе работ с помощью дисперсионного соотношения определяются моды колебаний и их резонансные поля и рассчитывается относительная интенсивность линий поглощения мод с помощью интеграла возбуждения.

В настоящей работе расчет спектров СВР в двухслойных пленках, основывался на получении выражения для ВЧ-восприимчивости. Однако закрепление описывалось не с помощью константы поверхностной анизотропии, а использовались соответствующие граничные условия на свободной и межслойной границах двухслойной пленки.

Переменная намагниченность в каждом слое представлялась в виде [1]:

т(г) ~ В ехр (гкг) + С ехр (-¡кг) +

М„

Г \2 СО

Кг.

.со

со

где Ц = Я0 соб(вн -вм)+Нк соэ вм +1а~,

со

(1)

Э2 = Н0 С05(вн - 9Нк соэ26м + га —, у- гиромагнитное отноше-

ние, а- параметр затухания Гильберта, Н0и к (¡г « Н0) - внешнее постоянное и высокочастотное поля, со - частота высокочастотного поля, А -

константа обменного взаимодействия, вм и вн - углы между нормалью к

плоскости пленки и векторами М0 и На соответственно.

Для нахождения значений В и С нужно воспользоваться граничными условиями на свободных и межслойной границах.

На свободных поверхностях слоев должны выполняться условия:

(1щ

= 0,

<к

-0,

а на межслойной границе - обменные граничные условия:

т.

/и.

М, М,

А2 с1т7

2=0

4 <1т, Л/, (к М2 с!г

(2)

(3)

где с1х и йг- толщина первого и второго слоев соответственно.

Совместное решение уравнений (1) записанного для каждого слоя и граничных условий (2) и (3) позволяет найти усредненное по толщине пленки значение высокочастотной намагниченности:

(т) = -—Г щ + Гтг

с/, + ■} •

I 2 V -(/, О

= хЪ

(4)

где х~ тензор высокочастотной восприимчивости пленки.

Поглощаемая пленкой мощность высокочастотного поля определяется анти-эрмитовой частью высокочастотной восприимчивости Х~ л ~ ■

Если принять, что линейно-поляризованное поле И направлено вдоль оси х, то в этом случае поглощаемая мощность определяется компонентой Р ~ х'хх •

Расчетный спектр - (зависимость /¿ц С^О> в виде К0Т0Р°й чаще всего

производится регистрация спектров СВР) представлен на рис. 1 а).

На рис 1 б), также представлен экспериментальный спектр СВР (зависимость производной поглощаемой мощности от величины поля -

Как следует из соответствия расчетного и экспериментального спектров расчетные значения резонансных полей СВ-мод, их относительная интенсивность и ширина соответствуют экспериментальным значениям. Характер трансформации расчетного спектра СВР происходящей при изменении

угла вн так же соответствует изменениям экспериментального спектра на его угловой зависимости.

Данная модель расчета позволяет определять вид спектров СВР и его основные характеристики при различных значениях параметров слоев, составляющих двухслойную пленку. Также она позволяет производить расчет и для пленок состоящих из большего количества слоев.

При динамическом механизме закрепления спинов спектр СВР в двухслойных пленках наблюдается в интервале магнитных полей ограниченном полями однородного резонанса в одном и другом слоях [2,7]. В магнитных полях, меньших наименьшего из полей однородного резонанса в слоях, спиновые волны становятся объемными, то есть гармоническими как в одном, так и в другом слоях. Результирующий переменный магнитный момент всей пленки (интеграл возбуждения) в этом случае становится существенно меньшим. Данное обстоятельство и обуславливает тот факт, что объемные спин-волновые моды в большом числе работ не наблюдаются в спектре.

Однако при достаточно большом различии полей однородного резонанса в слоях двухслойной пленки, будут возбуждаться гармонические спин-волновые (СВ) моды, локализованные сначала в одном, а затем во втором слое и, соответственно, спектр СВР будет состоять из двух серий пиков поглощения соответствующих мод.

Это связано с тем, что амплитуда гармонической спиновой волны т, возбуждаемой однородным высокочастотным (ВЧ) полем в слое обратно пропорциональна волновому числу к, т0~ \jahk, где а - параметр затухания, к - толщина слоя. Большое различие полей однородного резонанса в слоях Н01 — Н0) обуславливает большие значения {кг/к^), а следовательно

и сильное различие амплитуд переменной намагниченности в одном и другом слоях. В наибольшей степени это различие будет проявляться в полях, при которых значения Лг, сравнительно малы. Данное обстоятельство приво-

Рис 1. Спектр СВР двухслойной пленки -^У^ц (И) : а) - расчет, б) - эксперимент.

дит к тому, что СВ-мода с большей амплитудой переменной намагниченности должна будет иметь узел на границе раздела слоев или вблизи нее. Тем самым будет обеспечиваться локализации доминирующей СВ-моды (спин-волновых колебаний с существенно большей амплитудой) в первом слое. Данное обстоятельство можно рассматривать как механизм эффективного закрепления спинов, обусловленного вторым слоем - слоем находящемся в состоянии дисперсивной среды.

Экспериментальные результаты подтверждают сделанные выводы. Как видно из рис. 2 , интервале углов от 0° до

30° спектр СВР состоит лишь из пиков поглощения, соответствующих гармоническим СВ-модам, локализованным в первом слое. Второй слой при этом находится в состоянии реактивной среды и обеспечивает эффективное закрепление спинов. В этом слое спиновая волна экспоненциально затухает от границы раздела слоев. В области магнитных полей, когда оба слоя одновременно являются дисперсивными средами, спин-волновые моды во втором слое не возбуждаются, что объясняется выше изложенными факторами и, в частности, не достаточным значением разности полей однородного резонанса в отмеченном интервале углов. Как показывает расчет в этой области отношение амплитуд переменной намагниченности в слоях близко к единице т\!тг ~ 1 • С увеличением угла дн происходит уменьшение интервала полей, ограниченного полями однородного резонанса и, как следствие - монотонное уменьшение числа возбуждаемых СВ-мод.

В интервале углов 40° < вн < 90° с увеличением разности Н02 -Я01 происходит увеличение числа возбуждаемых СВ-мод. При этом, как только отношение амплитуд спиновых колебаний в одном и другом слоях достигает определенного значения, становится возможным возбуждение СВ-моды более высокого порядка, локализованной в слое с меньшим значением поля од-

Рис 2. Угловые зависимости числа возбуждаемых СВ-мод и их резонансных полей Жирные линии - //„, (Оп ) Отрезки линий определяют область углов, при которых наблюдается возбуждение соответствующей моды

нородного резонанса. Отметим, что отношение амплитуд зависит не только от разности Н01 — Н0/, но и от значений поля Н. Из расчета и экспериментальных данных следует, что возбуждение моды более высокого порядка происходит при условии, когда значение > 8.

Таким образом показано, что при достаточно большом различии полей однородного резонанса в слоях двухслойной пленки, слой, находящийся в состоянии диспереивной среды также может обеспечивать эффективное закрепление спинов.

В § 3.3 исследована трансформация спектров спин-волнозого резонанса при переходе слоя закрепления из состояния реактивной среды в диспер-сивную. Исследовались трехслойные пленки с доминирующим действием диссипативного механизма закрепления спинов.

Плавный переход слоя закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную осуществлялся двумя способами: а) изменением угла 0ц между Н и нормалью к плоскости пленки; б) изменением температуры Т. При увеличении 6ц или Т происходит сближение полей однородного резонанса

в слое возбуждения Н{)1 и в слое закрепления //0( (г = 1,3). При некотором значении ви или Т поля сравниваются, а затем происходит изменение свойств слоя закрепления с реактивных на дисперсивные.

В качестве характеристики, наиболее чувствительной к вариациям резонансных полей СВ-мод использовалась разность резонансных полей нулевой и п -й мод Н0 - Нп. Эта величина в большинстве работ используется для построения дисперсионных кривых Я0-Я„ =/(«).

На экспериментальных угловых зависимостях трехслойных пленок, имеющих одинаковые по составу и параметрам слои закрепления, была обнаружена особенность, характер которой показан на рис. 3 б. Из рисунка

^0Н «1ее

Рис. 3 а) Угловые зависимости полей однородного резонанса в слое возбуждения (//) и слоях закрепления (/,///). б) Угловые зависимости Н0 - #„, числа у кривых - номера мод

видно, что отмеченная особенность наблюдается при значениях дн, при которых происходит пересечение полей однородного резонанса слоя возбуждения и слоев закрепления (рис. 3 а).

В трехслойных пленках, в которых слой возбуждения ограничен с обеих сторон слоями закрепления, имеющими различные значения гиромагнитного отношения, вышеотмеченная особенность на зависимостях Н0 - IIп наблюдалась дважды (рис. 4 б). Для всех исследованных трехслойных образцов, имеющих пересечения поля однородного резонанса слоя возбуждения с полями однородного резонанса слоев закрепления, особенности на зависимостях Н0 — Нп проявлялись в различной степени. Наиболее четко на зависимости Н0 — IIп проявлялся переход одного из слоев закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную, при котором другой слой закрепления уже находился в состоянии

дисперсивной среды.

Наблюдаемые зависимости Н0 — Ип - f (ви ), имеют вид аналогичный кривым дисперсии, наблюдаемым вблизи полос поглощения и имеющим участки "нормальной" и "аномальной" дисперсии. Существенное характерное отличие обнаруженного типа дисперсии заключается в том, что она обусловлена не свойствами среды, в которой происходит возбуждение гармонической волны, а связано с состоянием приграничной области, т.е. ее сущность связана с нелокальностью отклика среды на внешнее воздействие. Поэтому ее можно рассматривать как один из видов пространственной дисперсии спиновых волн.

В § 3.4 рассмотрена трансформация спектров СВР происходящая при уменьшении толщины слоя закрепления.

я;.

Юс

Ж а) /7

и,у -н„.

Ос

800

О 20 40 60 60

Рис. 4 а) Угловые зависимости полей однородного резонанса для трехслойного образца в слое возбуждения (II) и в слоях закрепления (/ и III) б) Угловые зависимости //„-#„, числа у кривых - номера мод

При плавном уменьшении толщины И2 было обнаружено, что начиная со значений /г2 «250пт интенсивность 1п линий поглощения СВ-мод при параллельной ориентации внешнего магнитного поля относительно пленки периодически изменяется с толщиной. Это иллюстрирует рис.5. Более того, как следует из рисунка, происходит сильное возрастание интенсивности в максимумах с уменьшением /г2. При толщине /г2 я 30 пт интенсивность линий поглощения СВ-мод возрастает по сравнению с интенсивностью /0 при исходной толщине слоя закрепления, примерно в 3.5раза для всех мод, за исключением нуле-Рис. 5 Зависимость 1п(/„//0)относи- вой Дальнейшее уменьшение кг тельной интенсивности а) и ширины лиНИИ СВ-мод 2Дн. б) от толщины слоя приводило уже к монотонному

закрепления при параллельной ориента- уменьшению ДО нуля интенсивности ции Н Точки - экспериментальные линий всех СВ-мод, кроме нулевой значения, сплошные линии - расчет, Положения максимумов и миниму-числа у кривых номера мод

мов на зависимостях /„ от 1\ для разных СВ-мод были несколько смещены друг относительно друга - с увеличением номера моды п экстремумы монотонно смещаются в сторону меньших значений Ьг .

Имеет место четкая корреляция зависимостей относительной интенсивности 1п(/„//0) и ширины 2АНп от Иг. Максимумы интенсивности соответствуют минимумам ширины линии и наоборот. С уменьшением толщины слоя закрепления происходит увеличение амплитуды осцидляций как интенсивности так и ширины линий.

На зависимостях 1п(1п/10) при перпендикулярной ориентации II относительно плоскости пленки (рис. 6.) подобной картины не наблюдалось В

О 100 200 300

!>,. пт

I-3-

а)

этом случае при уменьшении толщины /г2, интенсивности 1п оставались постоянными и, лишь начиная со значений И2 и 50 пт, несколько больших, чем при параллельной ориентации, также начинали монотонно уменьшаться. Затем все линии, кроме линии соответствующей нулевой моде СВР, переставали наблюдаться в спектре.

На зависимости 2 Д//п(/г2) (рис. 6.) при уменьшении толщины слоя закрепления от значений /¡^«150 пт происходит монотонное возрастание 2Л//„ и лишь начиная с й2 « 40 пт происходит ее быстрое уменьшение.

Периодическое изменение интенсивности линий СВ-мод с уменьшением толщины при параллельной ориентации внешнего поля относительно плоскости пленки можно связать с периодическим изменением степени закрепления спинов. Когда свободная поверхность слоя закрепления не совпадает с пучностью спиновой волны в этом слое, исходная, то есть соответствующая большой толщине к2 конфигурация спиновой волны перестает удовлетворять граничному условию на свободной поверхности 5/И,

б)

дг

:0.

(5)

Рис 6 Зависимость 1п(/„//0) относительной интенсивности а) и ширины линии СВ-мод 2Д#пб) от толщины слоя закрепления при перпендикуляр-нойой ориентации Н. Точки - экспериментальные значения, сплошные линии - расчет, числа у кривых номера мод

Поэтому волна трансформируется таким образом, чтобы удовлетворять граничному условию (5). Такая трансформация приводит к существенному уменьшению интеграла возбуждения и, как следствие, уменьшению интенсивности. Когда же свободная поверхность слоя закрепления попадает на пучность спиновой волны условие (5) выпол-

няется. Это обеспечивает максимальное значению интеграла возбуждения, и возрастание интенсивности линий поглощения СВ-мод.

Характер зависимостей 1п(/„//0) и 2ДНп{кг) (рис. 6 а, б) при перпендикулярной ориентации в области малых толщин И2 обусловлен изменением относительного вклада области экспоненциального затухания в слое с большим а в диссипацию энергии стоячих гармонических волн локализованных в слое возбуждения. Возрастание ширины линии 2АНп при толщинах Ь2 от 150пт до 25пт объясняется увеличением амплитуды т2 из-за уменьшения степени закрепления. Это приводит к возрастанию переменного магнитного момента в слое с большим а, и следовательно возрастанию его вклада в диссипацию энергии стоячих спиновых волн. Уменьшение ширины линии 2ДНп при толщинах /г2 < 25 пт связано с уменьшением переменного магнитного момента в слое с большим а но уже вследствие малых значений толщины /¡2. Поэтому ширина линий при уменьшении толщины слоя сначала возрастает, а затем начинает быстро убывать.

В заключении приведены краткие выводы по результатам исследований, проделанных в работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена модель, позволяющая рассчитывать основные характеристики спектров спин-волнового резонанса в многослойных пленках при диссипативном или смешанном механизмах закрепления спинов.

2. Показано, что при достаточно большом различии полей однородного резонанса в слоях двухслойной пленки слой, находящийся в состоянии дисперсивной среды, может обеспечивать эффективное закрепление спинов. Установлено возрастание степени закрепления спинов при увеличении разности резонансных полей в двухслойной пленке, причем для слоя, находящегося в состоянии как реактивной, так и дисперсивной среды.

3. Исследована трансформация спектров СВР и структуры СВ-мод в трехслойных магнитных пленках при переходе слоя (слоев) закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную;

4. Экспериментально показано наличие двух областей пространственной дисперсии спиновых волн в трехслойных пленках.

5. Исследовано влияние толщины слоя закрепления на параметры спектров СВР при различной ориентации внешнего постоянного магнитного поля относительно плоскости пленки. Обнаружена периодическая зависимость ширины и интенсивности пиков поглощения спектра СВР от толщины слоя закрепления.

6. Обнаружено резкое возрастание степени закрепления спинов при нано-размерных толщинах слоя закрепления, что может быть использовано при разработке "спиновых зеркал" с управляемыми магнитным полем характеристиками.

Список цитированной литературы:

1. А. Г. Гуревич, Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Физ-матлит, 1994. - 464 с.

2. Hoekstra В., Stapele R. Р., Robertson J. М. Spin-wave resonance spectra in inhomogenous bubble garnet films. // J. Appl. Phys. - 1977. Vol. 48, № 1. -P. 382.

3. Зюзин A. M., Куделькин H. H., Рандошкин В. В., Телеснин Р. В. Новый механизм возбуждения спин-волнового резонанса однородным полем в двухслойных магнитных пленках. // Письма в ЖТФ. - 1983. Т. 9, № 3. -С. 177-181.

4. Носов Р. Н., Семенцов Д. И. Модификация спектров спин-волнового резонанса в пленках с затуханием и конечным поверхностным закреплением // ФТТ. - 2000. Т. 42. № 8. - С. 1430-1436.

5. Василевская Т. М., Семенцов Д. И., Спин-волновой резонанс в продольно намагниченной тонкой пленке // ФТТ. - 2007. Т. 49. № 10. -С.1824-1830

6. Семенцов Д. И., Спектр спиновых волн в ферромагнитном слое с несимметричными граничными условиями // ФТТ. - 1974. Т. 16. № 3. -С. 938-941.

7. Wilts С. Н., Prasad S. Determination of magnetic profiles in implanted garnets using ferromagnetic resonance. // IEEE Trans. Magn. - 1981. -MAG-17.-P. 2405.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зюзин А. М., Бажанов А. Г., Бакулин М. А., Мастин А. А. Ширина линии мод спин-волнового резонанса в многослойных пленках // Фунда-

ментальные и прикладные проблемы физики: сб. тр. IV Междунар. на-учно-техн. конф. / Мордов. гос. пед. Ин-т. - Саранск, 2003. - С. 109.

2. Зюзин А. М., Бакулин М. А., Радайкин В. В. Расчет угловых зависимостей резонансного поля в пленках с ориентацией (111) с учетом кубической анизотропии // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Второй межрегион, научн. шк. для студентов и аспирантов. - Саранск, 2003. - С. 83.

3. Зюзин А. М., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Особенности спин-волнового резонанса в трехслойных пленках // Новые магнитные материалы микроэлектроники: сб. тр. XIX Междунар. шк.-семинара. -М., 2004.-С. 316-317.

4. Зюзин А. М., Бакулин М. А., Радайкин В. В. Влияние высокотемпературного отжига на магнитную анизотропию и параметры релаксации в пленках с одноосной анизотропией И Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Третьей межрегион. науч. шк. для студентов и аспирантов. - Саранск, 2004. - С. 92.

5. Зюзин А. М., Бакулин М. А., Температурная зависимость спектров СВР в пленках ферритов гранатов с точкой компенсации магнитного момента // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Четвертой межрегион, науч. шк. для студентов и аспирантов. - Саранск, 2005. - С. 85.

6. Зюзин А. М., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Расчет зависимости ширины линий мод спин-волнового резонанса от толщины слоя закрепления в двухслойных магнитных пленках // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Четвертой межрегион, науч. шк. для студентов и аспирантов. - Саранск, 2005. -С. 97.

7. Зюзин А. М., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Расщепление мод спин-волнового резонанса в двухслойных магнитных пленках // Физика металлов и металловедение. - 2006. - Т. 101. №4. - С.366-370.

8. Зюзин А. М., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Влияние поля анизотропии слоя закрепления на спектры СВР // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Пятой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2006. - С. 69.

9. Зюзин А. М., Бажанов А. Г., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Особенности температурной зависимости спектров спин-волнового резонанса в трехслойных магнитных пленках // Материалы

нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Пятой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2006. - С. 72.

Ю.Зюзин А. М., Бакулин М. А., Радайкин В. В. Механизм закрепления спинов при возбуждении СВР в двухслойных пленках с орторомбиче-ской анизотропией // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Пятой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2006. - С. 73.

11.Zyuzin А. М., Bakulin М. A., Radajkin V. V. The mechanism of spin pinning at excitation SWR in two-layer films with orthorhombic anisotropy // Easmag-2007 Abstract book. - Kazan, 2007. - P. 71.

12.Zyuzin A. M., Bajanov A. G., Bakulin M. A. Influence of the spin pinning symmetry on the mode line intensity of the spin-wave resonance // Easmag-2007 Abstract book. Kazan, 2007. - P 72.

13.Zyuzin A. M., Sabaev S. N., Bakulin M. A., Radajkin V. V. Intensity of absorption line of the spin wave resonance modes at nanothickness of the pinning layer // Easmag-2007 Abstract book. Kazan, 2007. - P 85.

14.Zyuzin A. M., Bajanov A. G., Bakulin M. A., Radajkin V.V., Janntsen N. V. Spectra SWR transformation in the phase transition temperature field of the pinning layer // Easmag-2007 Abstract book. Kazan, 2007. - P 96.

15.Zyuzin A. M., Sabaev S. N., Bakulin M. A., Radajkin V. V., Janntsen N. V. Influence of the uniform resonance field difference in layers on the spin-wave resonance spectrum of the two-layer film // Easmag-2007 Abstract book. Kazan, 2007. - P 97.

16.3юзин A. M., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н., Янцен Н. В. Исследование особенностей динамического закрепления спинов в двухслойных пленках // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Шестой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2007. - С. 69

17.3юзин А. М., Бажанов А. Г., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Влияние параметров слоя закрепления на релаксационные характеристики спиновых колебаний в многослойной пленке // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение- сб. тр. Шестой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2007. -С. 70

18.3юзин А. М., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Янцен Н. В. Влияние эллиптичности прецессии вектора намагниченности на закрепление спинов в двухслойных пленках // Материалы нано-, микро- и оптоэлектро-

ники: физические свойства и применение: сб. тр. Шестой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2007. - С. 76

19.3юзин А. М., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Эффект усиления отражения спиновых волн от слоя наноразмерных толщин // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение: сб. тр. Шестой всерос. молодежной науч. шк. - Саранск, 2007. -С. 77

20.3юзин А. М., Радайкин В. В., Бакулин М. А., Сабаев С. Н. Интенсивность линий поглощения мод спин-волнового резонанса при наноразмерных толщинах слоя закрепления // Письма в ЖТФ. - 2008. Т. 34, № 16-С. 53-57.

Бумага офсетная Формат 60x84 1/16 Гарнитура Тайме Печать способом ризографии. Усл. печ л. 1,16 Уч - изд. л. 1,06. Тираж 100 экз. Заказ № 335.

Отпечатано с оригинала-макета заказчика в ООО «Референт» 430000, г. Саранск, пр. Ленина, 21 тел. (8342) 48-25-33

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Бакулин, Максим Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

§1.1 Явление ферромагнитного резонанса.

§ 1.2 Спиновые волны.

§ 1.3 Возбуждение спин-волнового резонанса в тонких ферромагнитных пленках.

§ 1.4 Спин-волновой резонанс в многослойных пленках.

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

§ 2.1 Пленки ферритов-гранатов. Структура и физические свойства.

§ 2.2 Получение многослойных эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов.

Измерение основных параметров пленок. Химическое травление.

§ 2.3 Проведение температурных и угловых измерений.

§ 2.4 Радиоспектрометр магнитного резонанса. Регистрация и измерение параметров спектров спин-волнового резонанса.

ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА

СПЕКТРЫ СПИН-ВОЛНОВОГО РЕЗОНАНСА.

§ 3.1 Расчет спектров СВР при динамическом и смешанном механизмах закрепления спинов.

§ 3.2 Спектры СВР в двухслойных пленках с сильно различающимися значениями полей однородного резонанса в слоях.

§ 3.3 Дисперсия спиновых волн в трехслойных магнитных пленках.

§ 3.4 Влияние толщины слоя закрепления на интенсивность и ширину линий СВР.ИЗ

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса"

Магнетизм является универсальным свойством материи. На стыке магнетизма и радиофизики возникло новое направление — СВЧ магнитная динамика. Исследование динамических магнитных процессов обеспечивает возможность создания с использованием магнитных материалов невзаимных, а также управляемых устройств СВЧ- и оптического диапазонов. Созданные к настоящему времени такие магнитные устройства являются неотъемлемой частью систем в радиолокации, телекоммуникациях и экспериментальной физике. Поскольку применение металлических магнетиков неэффективно в СВЧ- и оптическом диапазонах из-за сильного скин-эффекта, в устройствах используются ферриты.

В СВЧ диапазоне проявляется динамика магнитных моментов вещества, как внутри доменов, так и в намагниченном до насыщения образце. Динамика магнитных моментов вещества в намагниченном до насыщения образце наиболее ярко проявляется в явлении ферромагнитного резонанса (ФМР).

Ферромагнитный резонанс проявляется в избирательном поглощении энергии электромагнитного поля ферромагнитным веществом и представляет собой разновидность более общего явления - электронного магнитного (спинового) резонанса [1-3]. ФМР был предсказан, исходя из классических соображений, Аркадьевым и, исходя из квантовых соображений, Дорфманом [4]. Начало современной теории ферромагнитного резонанса было положено работой JL Д. Ландау и Е. М. Лифшица [5], которая внесла ясность в вопрос о поведении ферромагнетика в сверхвысокочастотном (СВЧ) поле. Экспериментально ферромагнитное резонансное поглощение было обнаружено независимо Завойским [6] и Гриффитсом [7].

Наличие сильной корреляции между магнитными моментами атомов магнитоупорядоченных веществ обуславливает возможность существования в таких системах, кроме однородной прецессии, неоднородных магнитных колебаний — спиновых волн, существование которых было предсказано

Ф.Блохом. При малых значениях волнового числа (к <104сж-1) обменное взаимодействие в большинстве практически важных случаев не играет существенной роли в формировании спектра волн, исторически такие волны получили в литературе название магнитостатических волн (МСВ). Для нас же практический интерес представляют спиновые волны с большими значениями к, для которых влияние обменного взаимодействия существенно. В этом случае в твердом теле возбуждаются обменные спиновые волны, которые чаще всего называют просто спиновыми волнами (СВ). Большую роль в развитии теории этого явления сыграли работы Киттеля [8-10]. Им была предсказана и возможность возбуждения спиновых волн однородным переменным магнитным полем — спин-волнового резонанса (СВР) [9]. Эта возможность была экспериментально подтверждена Сиви и Танненвальдом [11] на пленках пермаллоя.

Удобным объектом для изучения ферромагнитного и спин-волнового резонансов являются тонкие магнитные пленки ферритов-гранатов (МПФГ). Наличие трех катионных позиций разных размеров позволяет вводить в состав МПФГ более половины химических элементов таблицы Менделеева, что обуславливает многообразие их физических свойств. В связи с этим особую значимость приобретают исследования свойств магнитных пленок, направленные на их использование в современной магнетоэлектронике в качестве элементов для записи и обработки информации, в том числе голографиче-ской, для устройств преобразования и обработки СВЧ-сигналов, шумопода-вителей, ограничителей мощности и др. Но чаще всего МПФГ применяются в частотно селективных ферритовых устройствах, для которых частота ферромагнитного резонанса в образце является центральной частотой либо полосы пропускания, либо полосы подавления сигнала. Применение именно ферритов-гранатов в таких устройствах обусловлено тем, что феррит-гранат в чистом виде имеет самую узкую резонансную кривую из всех известных магнитных материалов, ширина которой может варьироваться введением ионов редкоземельных металлов в кристаллическую структуру феррита-граната.

Применение же многослойных пленочных структур на основе данного материала с различными магнитными параметрами слоев (в том числе параметра диссипации) делает возможным создание управляемых полем (его величиной или пространственной ориентацией) устройств обеспечивающих эффективную частотную селекцию проходящих через них сигналов. Применение магнитных материалов в СВЧ- и оптическом диапазонах является мощным стимулом для фундаментальных исследований проблем магнитной динамики, и прежде всего поведения магнитоупорядоченных веществ в переменных электромагнитных полях.

Будучи яркими эффектами, подтверждающими многие представления современной физики, ферромагнитный и спин-волновой резонансы являются также эффективными методами изучения вещества. С их помощью могут быть получены сведения о магнитной структуре магнитоупорядоченных веществ, о природе взаимодействий в них, могут быть измерены их основные характеристики: намагниченность, константы обмена, анизотропии и магни-тострикции, времена релаксации, исследованы температурные свойства, магнитная и структурная однородность.

Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям СВР, многие вопросы остаются невыясненными. Мало исследованы механизмы закрепления спинов в пленках имеющих сложный тип анизотропии. Не все экспериментальные результаты по спин-волновому резонансу в тонких пленках могут описываться теорией Киттеля, основанной на модели полного или частичного закрепления спинов за счет поверхностной анизотропии или моделью, предложенной Портисом и Шлеманом и основанной на предположении о неоднородности намагниченности по толщине пленки. Это, прежде всего, касается особенностей резонансных свойств, присущих магнитным пленкам с различными механизмами закреплением спинов и имеющих различные значения параметров слоев. Остаются не' исследованными особенности спин-волнового резонанса при диссипативном и смешанном механизмах закрепления спинов в многослойных пленочных структурах при малых значениях толщин слоев закрепления. Поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Решаемые задачи:

1. разработка модели, позволяющей рассчитывать основные характеристики спектров спин-волнового резонанса в многослойных пленках при дисси-пативном или смешанном механизмах закрепления спинов;

2. изучение влияния разности полей однородного резонанса в слоях на эффективность закрепления спинов на межслойной границе;

3. исследование трансформации спектров СВР и структуры СВ-мод в трехслойных магнитных пленках при переходе слоя (слоев) закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную;

4. исследование влияния толщины слоя закрепления на параметры спектра СВР при различной ориентации внешнего постоянного магнитного поля относительно плоскости пленки.

Объекты и предмет исследования.

Объектом исследования являлись многослойные магнитные пленки ферритов-гранатов полученные методом изотермической жидкофазной эпи-таксии из переохлажденного раствора в расплаве на подложках из гадоли-ний-галлиевого граната. Предмет исследования — влияние параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса.

Научная новизна заключается в следующем: 1. Показано, что при увеличении разности резонансных полей в двухслойной пленке происходит возрастание степени закрепления спинов. Это имеет место как для слоя, находящегося в состоянии реактивной, так и диспер-сивной среды.

5. Обнаружено резкое возрастание степени закрепления спинов при нано-размерных толщинах слоя закрепления.

Практическая ценность работы.

- Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке приборов на спиновых волнах.

Основные положения и результаты, выносимые автором на защиту.

1. При увеличении разности полей однородного резонанса в слоях двухслойной пленки происходит увеличение степени закрепления спинов.

2. При определенных значениях параметров слоев многослойной пленки наблюдается пространственная дисперсия спиновых волн.

3. В условиях, когда слой закрепления находится в состоянии дисперсивной среды возникает периодическая зависимость ширины и интенсивности линий СВ-мод от толщины слоя закрепления. При наноразмерных толщинах слоя закрепления резко возрастает степень закрепления спинов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XVII Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2004), Международных конференциях:

ESTMAG-2007» (Казань, 2007), «Проблемы и прикладные вопросы физики»

Саранск, 2003), Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение»: (Саранск. 2007).

Достоверность результатов.

Результаты проведенных исследований являются достоверными, поскольку получены с использованием хорошо апробированных методов теории СВР и согласуются с экспериментальными данными.

Личное участие автора. Основные теоретические положения главы III разработаны профессором A.M. Зюзиным. Проведение экспериментов, а также расчеты выполнены автором самостоятельно.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 20 работах, список которых приведен в заключении.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Выводы

В главе II дано описание используемого измерительного оборудования и методики эксперимента:

- описан модернизированный радиоспектрометр магнитного резонанса, позволяющий производить регистрацию и обработку спектров с помощью компьютера и обеспечивающий существенно более высокую точность в определении параметров СВР;

- изложены способы получения эпитаксиальных двух- и трехслойных пленок ферритов-гранатов и методики измерения их основных характеристик;

- описана методика учета взаимного влияния пиков поглощения на их положение, интенсивность и ширину.

ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА СПЕКТРЫ СПИН-ВОЛНОВОГО РЕЗОНАНСА

§ 3.1 Расчет спектров СВР при динамическом и смешанном механизмах закрепления спинов.

В большом количестве работ расчет спектров СВР производится для однослойных пленок. При этом теоретическая модель расчета основана на представлении о поверхностной анизотропии [49, 54, 76, 79], где степень закрепления спинов описывается с помощью трудно измеряемой и плохо контролируемой феноменологической характеристики - константы поверхностной анизотропии, являющейся интегральной функцией нескольких параметров (толщины, намагниченности и поля анизотропии) поверхностного слоя. Это во многих случаях приводит к расхождению экспериментальных и расчетных результатов. В таких моделях не учитывается зависимость степени закрепления от номера п или волнового числа к ~ п спин-волновой (СВ) моды, а также не принимается во внимание возможность переходов слоя закрепления из состояния реактивной среды в дисперсивную или наоборот.

В работах [34, 36, 77] достаточно подробно изучены основные характеристики спектров СВР при динамическом механизме закрепления спинов. Данный механизм закрепления [34], проявляется в пленках с неоднородным распределением намагниченности, поля анизотропии или гиромагнитного отношения (в общем случае поля однородного резонанса) по толщине пленки (см. § 1.3). Авторами этих работ теоретически и экспериментально исследованы спектры СВР в двух- и трехслойных пленках. Анализ основан на решении однородного волнового уравнения и учете обменных граничных условий на свободных поверхностях слоев и межслойной границе (границах). Это позволило авторам рассчитать резонансные поля и интенсивность СВ-мод возбуждаемого спектра СВР, при этом интенсивность определялась косвенными методами по распределению переменной намагниченности в слоях. Необходимо отметить что, авторы [34] при расчете спектров пренебрегали затуханием.

Расчет спектра СВР, резонансных полей, ширины линий СВ-мод и их интенсивности с учетом затухания, проводился для однослойных пленок [50, 78], где получено выражение для высокочастотной магнитной восприимчивости продольно намагниченной пленки позволяющее определить основные параметры спектров СВР. В данных работах при расчете также была использована модель поверхностной анизотропии.

Для расчета спектров ФМР в двухслойных обменно-связанных пленках в работе [80] было использовано решение неоднородного уравнения Ландау-Лифшица в сферических координатах. Авторы получили выражение для высокочастотной магнитной восприимчивости для двухслойной магнитной пленки. Но в данной работе рассмотрен только ферромагнитный резонанс.

Целью настоящей работы, являлся расчет спектров СВР в двухслойных пленках, основанный на получении выражения для ВЧ-восприимчивости, в котором закрепление описывается не с помощью константы поверхностной анизотропии, а используются соответствующие граничные условия на свободной и межслойной границах двухслойной пленки. Расчет проведен для двухслойных пленок с различными наборами значений магнитных параметров в слоях.

Движение намагниченности М в магнитной пленке при наличии затухания в спиновой системе будем описывать уравнением Ландау-Лифшица с релаксационным членом в форме Гильберта [1] где у— гиромагнитное отношение, ОС— параметр затухания Гильберта. Эффективное магнитное поле Н ~определяется выражением:

3.1.1)

Heff =HQ- NejrM +—+ h exp (icot), (3.1.2)

M dz K J где HQи h {h //0 j — внешнее постоянное и высокочастотное поля, А — константа обменного взаимодействия, N* — тензор эффективных размагничивающих коэффициентов. Будем считать высокочастотное поле h однородным и перпендикулярным полю Н0. Поместим начало координат на одной из поверхностей пленки и направим ось z вдоль вектора М0.

Для случая малых колебаний т <SC М0:

М (z,^) = + MQ получим линеаризованное уравнение движения намагниченности:

О) г—т + тх

0z - N«M0) + (Neffm) х М0

Г Л (3-L3)

М0 хт) = -М0 х h

2 А

Мп V д ™ Г* У уМс v } где мп. вектор HQz - проекция вектора Н{) на ось z, совпадающей с вектором Для компонент высокочастотной намагниченности тх и ту получим систему уравнений:

2А д2тх М0 dz2

Н0 cos(0H-eM) +(N:(-Nf{)M0+ia j mx + i f \ —+zw;fM0 V r my=-M0hx,

2A d2m} M0 dz2

H0 cos(0H -0M) + (Ng -Nei)M0 + ia r со 7

3.1.4) m i + iN^M, mx=MQ h. где Ом и 0Н — углы между нормалью к плоскости пленки и векторами М0 и

HQ соответственно.

Для пленки с одноосной магнитной анизотропией (значение эффективного поля магнитной анизотропии Нк = Ни — 47гМ) компоненты тензора эффективных размагничивающих факторов определяются выражениями:

Nf{ = О, n:( = о,

М0 я,

3.1.5)

Ng м0

Значения угла 6М находили с помощью условия равновесной ориентации намагниченности М.

2Нът(вн-вм) = Нкът2вм.

3.1.6)

Систему (3.1.4) можно преобразовать к следующему виду:

2 A dV

М0 dz'

Н0 cos(вн -0М) + Нк cos2 вм + ia со У тх + со i—m =-M0hx, У

2А д2ту

MQ dz2

Н0 cos(вн -9М) + Нк cos2вм + ia со У

1Пу со

3.1.7)

-i—mx=M0h У

Решение однородной системы

2А д2тх MQ dz2

2А д2т> М0 dz2

HQ cos(<9Я -вм) + Нк cos2 вм + ia со 7 со

HQ cos (<9Я -6M) + Hk cos26м + ia— 7

60 л m+i — тЛ1 = О,

7 У

0) т -г — тх = О, 7

3.1.8) будем искать в виде гармонической функции: w(z) = Sexp(/£z) + Cexp(-/&z), (3.1.9) где к— волновое число, В и С - постоянные, которые можно определить используя граничные условия на поверхности пленки.

Решение системы (3.1.7) может быть представлено в виде: т (z) = В exp (ikz) + С exp(-/Az) +

М, о

АА

Г Л2 со V

У) л

D2 -г — 7 i- А ч 7 со h.

3.1.10) где Д = Я0 cos(0H -вм) + Нк cos2 вм + ia—, 7

D2 = Н0 cos(6Н - вм) + Нк cos26м +ia—. 7

Рассмотрим двухслойную пленку. Пусть начало координат расположено на межслойной границе, ось z направлена вдоль внешнего поля Н0, а ось у лежит в плоскости пленки. В этом случае решение в виде (3.1.10) нужно искать для каждого слоя, а для нахождения значений В и С воспользоваться граничными условиями на свободных и межслойной границах.

На свободных поверхностях слоев должны выполняться условия: dm{ dz dm2 dz z=-dt

3.1.11) 0, а на межслойной границе - обменные граничные условия т, т. м, М2 ? z=0

А dmx л dm2 м, dz м2 dz

3.1.12) z=0 где d} и d2-толщина первого и второго слоев соответственно.

Совместное решение уравнений (3.1.10) записанных для каждого слоя и граничных условий (3.1.11) и (3.1.12) позволит найти усредненное по толщине пленки мгновенное значение высокочастотной намагниченности: т) 1 d] +d2 и "2 mx{z)dz + |m2(z)dz

V-4

3.1.13) где %— тензор высокочастотной восприимчивости пленки.

Поглощаемая пленкой мощность высокочастотного поля (Р) определяется мнимой частью высокочастотной восприимчивости % = — . Если принять, что линейно-поляризованное поле h направлено вдоль оси X, то в этом случае поглощаемая мощность определяется компонентой Р ~ х'[х •

Расчетная зависимость (^0 представлен на рис 3.1.1. для двухслойной пленки со значениями параметров слоев указанными в таблице 3.1.1. ЗависиdzL мость dH я) в виде которой чаще всего производится регистрация спектров СВР и экспериментальный спектр СВР представлены на рис 3.1.2. (для образца №1) и на рис. 3.1.3. (образц №2).

Заключение

Диссертация посвящена исследованию влияния параметров многослойных пленок на спектры спин-волнового резонанса. Наиболее важными представляются следующие результаты и выводы.

2. Показано, что при достаточно большом различии полей однородного резонанса в слоях двухслойной пленки, слой, находящийся в состоянии дисперсивной среды, может обеспечивать эффективное закрепление спинов. Установлено возрастание степени закрепления спинов при увеличении разности полей однородного резонанса в слоях двухслойной пленки. Возрастание закрепления имеет место как для слоя, находящегося в состоянии реактивной среды, так и дисперсивной.

4. Исследована пространственная дисперсия спиновых волн в трехслойных пленках, механизм которой связан с действием слоев закрепления. Экспериментально доказано существование двух областей пространственной дисперсии спиновых волн в трехслойных пленках.

6. Обнаружен эффект резкого возрастания степени закрепления спинов при наноразмерных толщинах слоя закрепления. Данный эффект может быть использован при разработке «спиновых зеркал» с управляемыми магнитным полем характеристиками.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Бакулин, Максим Анатольевич, Саранск

1. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Физ-матлит, 1994, 464 с.

2. Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш., Физические свойства и применение магнитных пленок. Новосибирск: Наука. Сиб. отд. 1975.

3. Вонсовский С.В. Магнетизм, М.: Наука, 1971. 1031 с.

4. Dorfman J.// Zs. f. Phys. 1923. Bd 17. №2. S. 98.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел. Ландау Л.Д. Собрание трудов в 2 т. / Под ред. Е.М. ЛифшицаМ.: Наука, 1969. Т. 1. С. 128.

6. Завойский Е.К. ЖЭТФ. 1947. Т. 17. № 10. С. 883.

7. Ферромагнитный резонанс и поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях: Сб. статей: Пер. с англ. / Под ред. С.В. Вонсов-ского. М.: ИЛ, 1952.

8. Kittel С. // Phys. Rev. 1948. V. 73. № 2. P. 155.

9. Kittel С. Excitation of spin waves in a ferromagnet by a uniform of field. // Phys. Rev. 1958. V. 110. № 6. P. 1295.

10. Herring C.,Kittel C. //Phys. Rev. 1951. V. 81. № 5. P. 869.

11. Seavey M.H.Yr., Tannenwald P.E. Direct observation of spin-wave resonance // Phys. Rev. Lett. 1958. V. 1. № 5. P. 168

12. Macdonald J. R. // Proct. Phys. 1963. V. 132. №2. P. 673.

13. Smit J., Beljers H.G. Ferromagnetic resonance absorption in BaFe^Ox9 ahighly anisotropic crystal. // Phyllips Res. Rep. 1955. V. 10. № 2. P. 113.

14. Suhl H. The theory of ferromagnetic resonance at high signal powers. // J. Phys. Chem. Solids. 1957. v. 1. p. 209-227.

15. Зюзин A.M., Ваньков B.H. Интенсивность и ширина линии ФМР в пленках с орторомбической анизотропией. ЖТФ. 1992. т.62. в. 5. С. 119-129.

16. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М.: Наука, 1973, 591 с.

17. Seavey M.H.Yr., Tannenwald Р.Е. Direct observation of spin-wave resonance // Phys. Rev. Lett. 1958. V. 1. № 5. P. 168.

18. Rado G.T., Weertman J.R. Spin-Wave Resonance in aFerromagnetic Metal //J. Phys. Chem. Solids. 1959. Vol. 1 l.P. 315

19. Каганов М.И. Возбуждение стоячих спиновых волн в пленке. // ЖЭТФ. 1960. Т. 39. В. 1(7). С. 158.

20. Барьяхтар В.Г., Каганов М.И. Неоднородный резонанс и спиновые волны. // В кн.: Ферромагнитный резонанс. М.: Физматгиз. 1961. С. 266.

21. Soohoo R.F. General spin-wave dispersion relations. // Phys. Rev. 1960. V. 120, №6. P. 1978-1982.

22. Maksymowicz L.J and Sendorec D. // J. Magnetism and magnetic Mat. 1983. 37, P. 177.

23. Jirsa M. and Kambersky V. Angular Dependence of Spin-wave Resonance in Thin Films with Asymmetrical Boundary Conditions. // Phys. Stat. Sol. (b) 1984. 126, P. 547.

24. Jirsa M. Analysis of the boundary problem of SSWR in asymmetric isotropic insulator films. // Chez. J. Phys. В 1985. 35, P. 1309.

25. Wigen P. E., Kooi C. F., Shanabarger M. R. Dynamic pinning in thin film spin-wave resonance. // Phys, Rev. Lett. 1962. V. 9. № 5. P. 206.

26. Корчагин Ю.А., Хлебопрос Р.Г., Чистяков H.C. Спектр спин-волнового резонанса в тонком ферромагнитном слое со смешанными граничными условиями. // ФТТ. 1972. Т. 14. № 7. С. 2121.

27. Wolf P. in Basic Problems in Thin Film Physics, edited by R. Niedermayer (Vandenhoeck, Gottinden, 1966), P. 392.

28. Puszkarski H. Surface mode and uniform mode in: spin-wave resonance. // Phys. Stat. Sol. В 1967. V. 22. P. 355.

29. Brown S.D., Henry R.D, Wigen P.E., and Besser P.J. // Solid State Comun. 1972, 11, P. 1179.

30. Guenzer C.S., Vittoria C.,and Lessoff H. Magnetim and Magnrtic Materials — 1973 (Boston), proceeding of the 19th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, edited by Graham C.D. and Rhyne J.J. (A1P, New York, 1974), P. 1292.

31. Vittoria C. and Schelleng J.H., Effects of diffusion on magnetic excitations in film of yttrium iron garnet. // Phys. Rev. B, 1977., 16, № 9, P. 4020.

32. Vittoria C. and Lessoff H., Strong In-Plane Angular Dependence of Spin-Wave Mode Intensities in Single Crystals of Yttrium-Iron-garnet Films. // Phys. Rev. B, 1976., 37, № 1, P. 53.

33. Vittoria C., Rachford F.J., Krebs J.J., and Prinz G.A., Interfacial effects in spin-wave resonance of iron films grown by molecular beam epitaxy. // Phys. Rev. B, 1984., 30, № 7, P. 3903.

34. Hoekstra В., Stapele R.P., Robertson J.M. Spin-wave resonance spectra in inhomogenous bubble garnet films. // J. Appl. Phys. 1977. V. 48. № 1. P. 382.

35. Schlomann E. Theory of spin wave resonanace in thin films. // J. Appl. Phys. 1965. V. 36. P. 1193.

36. Wilts C.H., Prasad S. Determination of magnetic profiles in implanted garnets using ferromagnetic resonance. // IEEE Trans. Magn. 1981. MAG-17. P. 2405.

37. Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г., Кожусь H.B. // Тез. докл. VIII Всесо-юз. школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Донецк, 1982. С. 319.

38. Даньшин Н.К., Деллалов B.C., Линник А.И., Шкарь В.Ф. Спин-волновые резонансы в неоднородной двухслойной пленке // ФТТ 1999. т. 41. №8. с 1056-1058.

39. Гришин A.M., Деллалов B.C., Шкарь В.Ф., Ямпольский С.В. Магнитные резонансы в двухслойных пленках феррит-гранатов // ФММ 1996. т. 22. №3. с 1056-1058.

40. Nisenoff М., Terhiine R.W. Experimental studies of standing spin-wave modes in ferromagnetic films. // J. Appl. Phys. 1964. V. 35. № 3. P. 806.

41. Зюзин A.M. Кандидатская диссертация. 1983.145 с.

42. Зюзин A.M., Куделькин.Н.Н., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. Новый механизм возбуждения спин-волнового резонанса однородным полем в двухслойных магнитных пленках. Письма в ЖТФ, 1983, т. 9, вып. 3, с. 177-181.

43. Зюзин A.M., Радайкин В.В., Демидов В.В. Анизотропия спектров СВР в многослойных пленках при диссипативном механизме закрепления спинов. XIV Всероссийская школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Тез. докл. М. 1994. с. 101-102.

44. Зюзин A.M., Зюзин Ал.М. Симметрия граничных условий и спектр СВР в магнитных пленках при диссипативном механизме закрепления спинов. IX Всесоюзн. Школа семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Тез. докл. Саранск, 1984. с. 111.

45. Зюзин A.M., Зюзин Ал.М. Диссипативный и динамический механизмы закрепления спинов в многослойных магнитных пленках. IX Всесоюзн. Школа семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Тез. докл. Саранск, 1984. с.112.

46. Зюзин A.M., Ваньков В.Н., Радайкин В.В. Влияние изменения равновесной ориентации намагниченности на анизотропию спектров СВР. XII Всесоюзн. Школа семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники», Тез. докл. Новгород, 1990. с. 175.

47. Сабаев С. Н. Кандидатская диссертация. 2002.151 с.

48. Носов Р.Н., Семенцов Д.И. Скин-эффект в условия ферромагнитного и спин-волнового резонанса// ФТТ. 2001. т. 43. вып. 10. с 1845-1848.

49. Носов Р.Н., Семенцов Д.И. Модификация спектров спин-волнового резонанса при симметричном поверхностном закреплении спинов в пленках с затуханием // ФММ. 2000. т. 90. вып. 6. с 5-11.

50. Носов Р.Н., Семенцов Д.И. Модификация спектров спин-волнового резонанса в пленках с затуханием и конечным поверхностным закреплением // ФТТ. 2000. т. 42. вып. 8. с 1430-1436.

51. Зюзин A.M., Бажанов А.Г., Сабаев С.Н., Кидяев С.С. Диссипация энергии спиновых волн в многослойных магнитных пленках // ФТТ. 2000. т. 42, вып. 7. с. 1279-1283.

52. Зюзин A.M., Сабаев С.Н., Бажанов А.Г., Радайкин В.В. Влияние области затухания спиновых волн на интенсивность линий спин-волнового резонанса // Письма в ЖТФ. 2001. т 27, вып. 4. с. 33-38.

53. Зюзин A.M., Сабаев С.Н., Куляпин А.В. Дисперсия спиновых волн в многослойных пленках, обусловленная действием слоя закрепления. // XVIII Междунар. школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники»: Тез. докл. Москва 2002. С. 787-789.

54. Dyakonov V., Prohorov A., and Shapovalov V. Surface and bulk spin wave resonance in La01Mnl 3O3. // J.Phys.: Condens. Matter. 2000. V. 13 P. 4049-4064.

55. Shi-shen Yan, Yi-hua Liu, Lin Zhang, Ming-chun Xu, Liang-mo Mei and Ji Huang Ferromagnetic resonance in Co — Ni I Pd multilayers. // J. Phys. Condens. Matter. 1997. vol. 9. P. 3723-3732.

56. Celinski Z., Heinrich В., Cochran J.F., Muir W.B. and Arrot A.S. Grow and Magnetic Studies of Lattice Expanded Pd in ultrathin Fe(001) /Pd(001)/Fe(001) Structures. // Phys. Rev. Lett. 1990. vol. 65. №9. P. 1156-1159.

57. Zhang Z., Zhou L. and Wigen P.E. Angular dependence of ferromagnetic resonance in exchange-coupled Co / Ru / Co trilayers structures. // Phys. Rev. B. 1994. vol. 50. № 9. P. 6094-6112.

58. Ignatchenko V. A. and Mankov Yu. I. Wave spectrum of multilayers with finite thicknesses of interfaces. // Phys. Rev. B. 2000. vol. 62. № 3. P. 21812184.

59. Горобец Ю. И., Решетник С JI. Отражение и преломление спиновых волн в одноосных магнетиках в приближении геометрической оптики // ЖТФ. 1998. Т. 68. № 2. С. 62.

60. Эшенфельдер С. Физика и техника цилиндрических магнитных доменов. Пер. с англ. Под. Ред. К.П. Белова. М.:, Мир: 1983. 486 с.

61. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. Мир, М. 1976. Т.1, 353 с.

62. Балбашов А. М., Червоненкес А. Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. М.: Энергия, 1979. 217 с.

63. Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. М.: Мир. 1982. 382 с.

64. Телеснин Р.В., Дудоров В.Н., Дурасова Ю.А., Зимачева С.М., Рандош-кин В.В., Тимохин И.И. Измерение толщины пленок ферритов-гранатов с помощью монохроматора УМ-2 и интерференционной приставки. ПТЭ, 1976. № 9. с. 179-180.

65. Зюзин A.M., Ваньков В.Н., Радайкин В.В. Определение намагниченности насыщения анизотропных магнитных пленок по интенсивности и ширине линии ФМР. Письма в ЖТФ. 1991. т. 17. вып.23. С. 65-69.

66. Чечерников В.И., Магнитные измерения. М.: Наука. 1969. 189 с.

67. Slonczewsky J. S., Malozemoff A.P., Giess E.A.Temperature dependence of exchange stiffness in garnet bubble films. Appl. Phys. Lett., 1974. v.24. N8. p. 396-397.

68. A.c. № 1364964 (СССР), МКИЗ 24/00, Способ определения кристаллографических направлений в пленках феррит-гранатов / Зюзин A.M., Зюзин Ал.М., Рябочкина П.А. Заявка № 4060434, Заявл. 25.04.86, Опубл. 7.01.88, Бюл. №1, 4 с.

69. Makino H., Hidaka Y., Determination of magnetic anisotropic constans for babble garnet epitaxial films using field orientation dependence in ferromagnetic resonance. Mat. Res. Bull., 1981, vol.16. N8. P. 957-966.

70. Зюзин A.M., Радайкин B.B., Бажанов А.Г. К вопросу об определении поля магнитной кубической анизотропии в (111) ориентированных пленках методом ФМР. ЖТФ. 1997. т. 67. вып. 2. с. 35-40.

71. А.с. № 1591084 (СССР), МКИЗ Н01Г 10/00, Способ определения поля магнитной кубической анизотропии в пленках феррит-гранатов / Зюзин

72. A.M., Зюзин Ал.М., Рябочкина П.А. Заявка № 4368084, Заявл. 26.01.88, Опубл. 7.09.90. Бюл. №33, 4 с.

73. Algra Н.А., Robertson J.M. A FMR study on horizontally dipped LPE grown (La, Ga): YIG films. J. Appl. Phys. 1979. v. 50. № 3. p. 2173-2175.

74. Пул Ч. Техника ЭПР спектроскопии. М.: Мир. 1970. 435 с.

75. Suran G., Gambino J. Spin wave spectra of non-magnetostrictive amorphous alloy films. // J. Appl. Phys. 1979. V. 50. № 11. P. 7671.

76. Зюзин A.M., Радайкин B.B. О взаимном влиянии пиков поглощения в спектрах ФМР ионноимплантированных и многослойных пленок. XIII Всесоюз. школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники»: Тез. докл. В 2 ч. Астрахань, 1992. 4.1. с. 253-254.

77. Исхаков Р. С, Яковчук В.Ю., Столяр С.В., Чеканова JI.A., Середкин

78. B.А., ФТТ, 2001, том 43, вып. 8

79. Высоцкий C.JI., Казаков Г.Т., Марьяхин В.А., Филлимонов Ю.А. Объемные магнитостатические волны в обменно-связанных ферритовых пленках. //ЖТФ. 1998. т. 68. №7. с. 97-109.

80. Василевская Т.М., Семенцов Д. И., Спин-волновой резонанс в продольно намагниченной тонкой пленке // ФТТ, 2007, том 49, вып. 10

81. Семенцов Д. И., Спектр спиновых волн в ферромагнитном слое с несимметричными граничными условиями // ФТТ. 1974. том 16. № 3.1. C. 938-941.

82. Сукстанский A.JL. Ямпольская Г. И., ФТТ. 2000. том 42. вып. 5

83. Зюзин A.M., Сабаев С.Н., Куляпин А.В., ФТТ, 2003, том 45, вып. 12

84. Данынин Н.К., Деллалов B.C., Кольцов М.А., Николаев Е.И., Шкарь В.Ф. Природа связи между магнитными возбуждения в двухслойных эпитаксиальных феррит-гранатовых пленках ЖЭТФ, М., 1996. т. 110 вып. 3(9). с. 938-942.

85. M.Jirsa. Phys. stat. sol. (b). 1982. 113. 679.

86. Зюзин A.M., Бажанов А.Г., Трансформация спектров спин-волнового резонанса в многослойных пленках при переходе через точку Кюри слоя закрепления. ЖЭТФ. 1997. т. 112. вып. 10. с. 1430-1439.

87. Зюзин A.M., Бажанов А.Г., Радайкин В.В. ЖТФ. 1999. т. 69. вып. 11. с. 97-101.

88. Помялов А.В., Зильберман П.Е. Магнитные резонансы в малых тонкопленочных образцах железоиттриевого граната. // Радиотехника и электроника. 1986. В. 1.С. 94.

89. Дмитриев В.Ф., Калиникос Б.А. Возбуждение спиновых волн в перпендикулярно намагниченных ферромагнитных пленках // ЖТФ. 1987. т. 57. вып. 11. с. 2212-2220.

90. Grishin A.M., Dellalov V.S., Shkar V.F., Nikolaev E.I., Linnik A.I. // Phys. Lett. 1989. A140. vol. 3. P. 133.

91. Высоцкий C.JI., Казаков Г.Т., Кац М.Л., Филлимонов Ю.А. Влияние закрепления поверхностных спинов на спектр спин-волнового резонанса структуры с двумя обменно-связанными пленками. // ФТТ. 1993. т. 35. вып. 5. с. 1190.

92. Кобелев А.В., Смородинский Я.Г. Эффекты связи мод в угловой зависимости полей ФМР в двухслойной магнитосвязанной пленке с перпендикулярной ориентацией. Физика твердого тела, Л., 1989. т. 31 вып. 10. с. 6-11.

93. Зюзин A.M. Влияние изменения равновесной ориентации намагниченности на ширину линии ФМР в анизотропных магнитных пленках. ФТТ. 1989. т.31. вып. 7. С. 109-112.134

94. Зюзин A.M., Сабаев С.Н., Бажанов А.Г. и др. // Письма в ЖТФ. 2001. 45. С. 33.

95. Зюзин A.M., Радайкин В.В., Бакулин М.А., Сабаев С.Н. Расщепление мод спин-волнового резонанса в двухслойных магнитных пленках // Физика металлов и металловедение, 2006, том 101, №4, с.366-370

96. Зюзин A.M., Сабаев С.Н., Радайкин В.В., Бакулин М.А. Интенсивность линий поглощения мод спин-волнового резонанса при наноразмерных толщинах слоя закрепления. ПЖТФ. 2008. т.34. вып 16. С. 53.

97. Кизель В.А. Отражение света. М.: Наука, 1973. 351 с.