Введение к работе
з
Актуальность темы.
В последние десятилетия проявляется большой интерес к исследованию электродинамических свойств искусственных сред, которые могут значительно отличаться от естественных веществ [1]. Это может быть твердотельная магнитная среда малых размеров из малых магнитных частиц и тонкие магнитные пленки. Поверхностные и объемные свойства с учетом малых размеров этих сред приводят в определенных случаях к появлению аномальных магнитных эффектов, таких как, отличие значений магнитных моментов на поверхности от их объемных значений, осциллирующее обменное взаимодействие между соседними магнитными слоями и большой биквадратный обмен в многослойных структурах [2-3]. Необычные свойства магнитных структур этих сред вызывают интерес у инженеров при разработке и конструировании современных устройств магнитной записи, магнитных сенсоров и устройств, работающих в нелинейных режимах.
В современных магнитных накопителях информации, достигнут предел увеличения скорости записи информации, поскольку в них используются механика. Хорошим альтернативным накопителем с гораздо меньшим временем записи и доступа к информации могут стать устройства на основе записи с помощью СВЧ поля [4]. Улучшение характеристик таких носителей информации необходимых для внедрения, требует изучения нелинейной динамики намагниченности систем частиц или магнитных областей пленок и пластин при действии на них СВЧ магнитного поля. В данной работе исследована динамика вектора намагниченности магнитных частиц при сильной нелинейности и воздействии СВЧ поля. В основе исследований лежат нелинейные дифференциальные уравнения, решение которых становится возможным благодаря численным методам и новым компьютерным технологиям [5].
Направление исследований диссертации соответствует перечню, утверждённому Президиумом РАН и включающему приоритетные
4 фундаментальные исследования. В работе затрагиваются такие направления как: «Физика конденсированного состояния вещества», «Физика твёрдотельных наноструктур, мезоскопия». Данная диссертационная работа является теоретических и экспериментальных разработок, проводимых кафедрой радиофизики и электроники ФГБОУ ВПО Сыктывкарского государственного университета. Работа проводилась при финансовой поддержке РФФИ (номера грантов: 06-02-17302а, 09-02-9800-р_север_а, 10-02-01327а, 12-02-01035а), а также министерства образования и науки Российской Федерации (Темплан НИР).
Цели и задачи исследований. Данная работа посвящена исследованию поведения вектора намагниченности в ферромагнитных, антиферромагнитных пластинах, композитных (металлический сплав с диэлектриком) плёнках и многослойных плёнках (слои: композит-композит, композит-полупроводник) в СВЧ полях. Цель данной работы - выявление новых нелинейных и релаксационных свойств ансамблей ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и тонких композитных и многослойных плёнок при действии на них СВЧ поля. Для этого поставлен ряд задач:
-
изучение влияния внутренних свойств частиц, плёнок и внешних факторов на динамику вектора намагниченности;
-
определение степени влияния внешних магнитных полей на ориентацию вектора намагниченности в ансамбле частиц и в магнитных частицах плёнок;
-
выбор моделей расчета эффективных и усреднённых внутренних магнитных полей в ансамблях частиц, плёнках и методов исследования нелинейной магнитной динамики;
-
моделирование магнитной динамики ансамблей о дно доменных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и нахождение диапазонов частот и амплитуд СВЧ полей, при которых происходит изменение магнитной структуры ансамбля частиц;
5 5. определение разброса внутренних полей в ансамблях магнитных частиц с учётом обменного взаимодействия при изменении размеров и расстояния между частицами в композитных (металл-диэлектрических) и многослойных плёнках: композит-композит/полупроводник. Объект и предмет исследования. Объект исследования - группы ферромагнитных и антиферромагнитных частиц в пластинах, плёнках и слоистых структурах. Предметом исследования является выявление магнитных материалов и определение значений амплитуд и частот СВЧ магнитных полей, при которых наблюдается переориентация векторов намагниченности в ансамблях ферромагнитных и антиферромагнитных частиц или в отдельных магнитных областях пластин, композитных и многослойных плёнок.
Научная новизна работы. Выявлены особенности нелинейной динамики вектора намагниченности в ансамблях ферромагнитных и антиферромагнитных частиц с использованием численного решения уравнения динамики намагниченности при учете внутренних эффективных магнитных полей в Фурье-пространстве. Определены зависимости критической амплитуды СВЧ поля, при которой возникает магнитная переориентация в ансамблях антиферромагнитных частиц, при действии на них СВЧ магнитного поля, от частоты, параметра затухания, угла между переменным полем и направлением намагниченностей подрешёток. Определены средние внутренние магнитные поля в композитных (металл - диэлектрических) плёнках в отсутствии внешнего постоянного магнитного поля. Положения, выносимые на защиту:
-
Зависимости разброса внутренних магнитных и значений обменных полей от концентрации магнитного металлического сплава в композитных и в многослойных плёнках (чередующиеся слои: композит-композит, композит-полупроводник).
-
Зависимости усреднённого значения внутреннего магнитного поля композитного материала от параметра диссипации и значения отношения полей анизотропии и размагничивания.
-
Методика расчета уравнений нелинейной магнитной динамики для магнитных пленок с применением преобразований Фурье.
-
Зависимости компонентов вектора намагниченности и прецессионные портреты для ансамблей однодоменных эллипсоидальных ферромагнитных и антиферромагнитных частиц от частоты, амплитуды СВЧ поля, параметра диссипации.
-
Спектры критической амплитуды переориентации вектора намагниченности для ансамблей ферромагнитных и антиферромагнитных частиц при различных значениях параметра диссипации и величине внутренних полей.
Научная и практическая значимость работы.
Полученные результаты являются новыми и вносят существенный вклад в формирование современных представлений о нелинейной динамике вектора намагниченности в частицах имеющих нано- и микро- размеры и в наноструктурированных плёнках. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем изучении СВЧ свойств магнетиков.
Предложенная модель расчета нелинейной магнитной динамики наноструктурированных материалов является универсальной и может быть распространена на другие магнитные объекты. Выявлены критические явления и эффекты в магнитной динамике в ансамблях частиц, происходящих при изменении параметров СВЧ магнитного поля, которые могут представлять интерес при создании новых устройств магнитной СВЧ записи, перестраиваемых СВЧ фильтров, сенсоров и других устройств нано- и микроэлектроники.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и докладывались на следующих международных и российских конференциях и семинарах: на XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных
материалах» (Москва, 2009)
на XXXII Международной зимней школе физиков-теоретиков «Коуровка-2008» (Екатеринбург 2008)
на Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2009)
на VII международном семинаре «Магнитные фазовые переходы» (Махачкала, 2007)
на I Всероссийской молодёжной конференции «Молодёжь и наука на севере» (Сыктывкар, 2008)
на X и XI Всероссийских научных конференция студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2006, 2007)
на XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Новосибирск, 2006)
Публикации.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 17 работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых журналах, 2 из них из перечня ВАК РФ, и 1 свидетельство об отраслевой регистрации разработки (программы). Список публикаций по материалам диссертации приведён в конце автореферата до списка цитируемой литературы.
Личный вклад автора в приведенных результатах исследования динамики намагниченности большой группы магнитных частиц и слоистых структур заключается в выборе физических и математических моделей, разработке методики численного решения уравнений нелинейной магнитной динамики, анализе полученных результатов моделировании воздействия СВЧ поля на магнитные объединения частиц и слоистые структуры. Расчёт внутренних полей наноструктурированных однослойных и многослойных магнитных плёнок в зависимости от концентрации магнитных частиц и толщины слоев.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списков публикаций автора и цитированной литературы. Диссертация изложена на 123 страницах. Список литературы содержит 125 наименований.
