Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 14
1.1 Механизмы роста, дефектообразования и релаксации напряжений при гетероэпитаксии феррошпинелеи 14
Закономерности формирования эпитаксиалъного слоя феррошпинели 14
1.1.2 Механизмы релаксации напряжений и дефектообразования при гетеропитаксии феррошпинелей20
1.2 Влияние дефектов структуры на магнитные свойства эпитаксиальных феррошпинелеи 28
1.3 Наблюдение распространения магнитостатических волн в пленках феррошпинелеи 35 Магнитостатические волны в ферромагнетиках и их применение в свч устройствах 40
1.4.1 Теория 40
1.4.2 Устройства 47
1.5 Постановка задачи 53
2 Объекты и методы исследования 55
2.1 Физико-химические аспекты технологии выращивания феррошпинелеи газофазным методом 55
2.1.1 Методы получения пленок феррошпинелеи 55
2.1.2 Описание установки эпитаксиалъного выращивания пленок феррошпинелеи 57
2.1.3 Факторы, определяющие кинетику роста 59
2.1.4 Рентгеноструктурный и микроструктурный анализ 62
2.2 Методы исследования магнитных параметров магнитостатических волн 71
2.2.1 Ферромагнитный резонанс. 71
2.2.2 Метод движущегося преобразователя 73
3 Результаты теоретических расчетов и эксперимента 76
3.1 Исследование магнитостатических волн в пленках магранцевых и магний-магранцевых феррошпинелеи 76
3.2 Дисперсионные характеристики мсв в пленках магний марганцевого феррита с учетом величины сигнала наводки в линии передачи 85
3.2.1 Амплитудно-частотные характеристики макета ЛЗ 85
3.2.2 Дисперсионные характеристики пленок феррошпинелеи 88
3.3 Характеристики пленок феррошпинелеи, полученные различными методами 96
3.4 Затухание спиновых колебаний и волн в пленках феррошпинелеи 103
3.4.1 Константа обменного взаимодействия, радиусы магнитно-дипольного и обменного взаимодействия 106
3.4.2 Эффективный параметр затухания и время релаксации 113
3.5 О спектре ПМСВ в ферритовой пленке с потерями 117
3.6 Различные эффекты, возникающие при распространении поверхностных магнитостатических волн 124
3.7 Магнитостатические моды в спектре ферромагнитного резонанса в пленках феррошпинелеи 13 5
Выводы 146
Литература:
- Влияние дефектов структуры на магнитные свойства эпитаксиальных феррошпинелеи
- Магнитостатические волны в ферромагнетиках и их применение в свч устройствах
- Описание установки эпитаксиалъного выращивания пленок феррошпинелеи
- Дисперсионные характеристики пленок феррошпинелеи
Введение к работе
Электроника сверхвысоких частот (СВЧ) - область науки и техники, охватывающая вопросы генерирования, передачи, усиления и преобразования СВЧ сигналов. Естественные периодические структуры - периодические кристаллические решетки - представляют интересный объект для изучения с точки зрения возможностей использования колебательных и волновых СВЧ процессов в этих структурах. В твердом теле в зависимости от его характеристик, внешних условий и частоты возбуждения могут распространяться волны различных классов и типов - электромагнитные (быстрые), акустические (медленные) и спиновые (очень медленные). Первые представляют собой обычные электромагнитные волны в среде, вторые -упругие волны смещений атомов в решетке кристалла, третьи — распространение возмущений прецессии магнитных моментов атомов в узлах кристаллической решетки в магнитоупорядоченных структурах.
Эти волны могут связываться между собой и с волнами в потоках носителей заряда в твердотельной плазме, что обеспечивает их взаимное преобразование и открывает возможности для создания устройств, управляющих амплитудой, фазой, полосой, временем задержки высокочастотного сигнала, т.е. устройств, используемых для обработки СВЧ сигнала [1-4].
В современных устройствах обработки СВЧ-сигналов важнейшая роль отводиться приборам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [5, 6]. Однако верхняя граница рабочих частот ПАВ-приборов невелика (2 ГГц). Поиски устройств, аналогичных ПАВ-приборам, привели к возникновению и развитию нового направления в СВЧ-технике - приборов на магнитостатических волнах (МСВ), способных работать на частотах от 1 до 60 ГГц. Скорость распространения МСВ составляет 1)=105 м/с, что приблизительно на два порядка выше скорости ПАВ. Именно этот фактор позволяет при данной длине волны обеспечить более высокую рабочую частоту.
МСВ обладают целым рядом преимуществ перед акустическими: существуют в более высокочастотном диапазоне, легко возбуждаются и принимаются (потери передачи малы), управляются внешним магнитным полем; характеристики МСВ зависят от внешних условий (металлические экраны, периодические границы), МСВ пригодны для создания СВЧ устройств с обратной динамической нелинейностью и др.
Размеры преобразователей МСВ или ПАВ определяются их длиной волны. Потому в случае МСВ изготовление преобразователей оказывается проще, т.к. они имеют более крупную геометрическую структуру по сравнению с преобразователями ПАВ и благодаря этому обеспечивают возможность работы на более высоких частотах. Кроме того, СВЧ-устройства на МСВ могут быть выполнены методами обычной фотолитографии.
Разработки МСВ приборов направлены на создание устройств мгновенного распознавания СВЧ - сигналов для радиоэлектронной аппаратуры.
Простейшими из этих устройств являются линии задержки - управляемые постоянным магнитным полем или дисперсионные (с задержкой, зависящей от частоты). Они необходимы для обработки сигналов в современных системах радиолокации и связи. Интерес к таким линиям задержки обусловлен тем, что скорость распространения спиновых волн значительно (на несколько порядков) меньше скорости распространения обычных электромагнитных волн в волноводах, и поэтому те же задержки могут быть достигнуты при значительно меньших размерах линии. При допустимых потерях такие линии позволяют получить время задержки, регулируемое в пределах 0,01-1 мкс.
В результате интенсивных исследований были разработаны многие другие СВЧ-устройства на основе магнитостатических волн в ферритовых пленках [2, 3, 7-11], прежде всего перестраиваемые фильтры и генераторы, а также нелинейные устройства (подавители слабых сигналов или шумоподавители, ограничители мощности и др.).
Важнейшим критерием применимости ферритов и ферритовых пленок в СВЧ - устройствах является ширина ферромагнитного резонанса (ФМР), характеризующая ферромагнитные релаксационные процессы. Неудивительно, что подавляющее большинство исследований распространения МСВ было выполнено на образцах железоиттриевого граната (ЖИГ). Так как, благодаря специфике кристаллической структуры и хорошо развитой технологии получения, кристаллы ЖИГ обладают довольно узкой линией резонанса АН = 0,1 - 0,3 Э и соответственно характеризуются низкими потерями распространения МСВ.
Создание технологии выращивания высококачественных пленок ЖИГ стало предпосылкой для разработки устройств на МСВ и современного их промышленного освоения. За истекшие полтора десятилетия были использованы различные свойства и эффекты в пленках ЖИГ в устройствах на МСВ. В настоящее время, с целью дальнейшего увеличения и расширения диапазона рабочих частот СВЧ-устройств, возникла необходимость исследования МСВ в эпитаксиальных феррошпинелях, о чем подчеркивалось в работах [12-16].
В эпитаксиальных феррошпинелях имеется внутреннее неоднородное магнитное поле. Дисперсия, направление распространения и пространственное распределение магнитостатических волн существенно отличаются от аналогичных характеристик в бесконечном ферритовом слое и в эпитаксиальных пленках иттриевого граната (ЖИГ) [11]. В этой связи на пленках феррошпинели возможно создание принципиально новых функциональных устройств на МСВ [13].
Исследования распространения магнитостатических волн в эпитаксиальных феррошпинелях [11-12] показали, что поверхностные МСВ распространяются в пленках марганцевого феррита примерно с теми же декрементами затухания, что и в пленках ЖИГ несмотря на значительное различие в ширине линии ФМР (в пленках ЖИГ АН = 0,2 - 0,7 Э, а в пленках
марганцевого феррита АН = 3 - 15 Э). Обнаруженные особенности распространения МСВ в пленках марганцевого феррита могут стать основанием при создании устройств на МСВ. Перспективность применения эпитаксиальных феррошпинелей обусловлена тем, что по сравнению с ЖИГ они позволяют:
а) значительно расширить диапазон рабочих частот и продвинуть их в
более высокие частоты;
б) варьировать дисперсионной характеристикой в широких пределах,
благодаря большому полю анизотропии;
в) снизить величину подмагничивающего поля до единиц эрстед;
г) повысить эффективность магнитоупругого взаимодействия, вследствие
большей чем в ЖИГ магнитоупругой константы.
Следует отметить, что основной барьер, препятствующий широкому внедрению пленок феррошпинелей в микроэлектронные приборы и устройства, связан с трудностями освоения технологии бездефектных монокристаллических пленок.
При гетероэпитаксии, особенно при осаждении многокомпонентных соединений (как в случае феррошпинелей) сложность протекания процесса эпитаксии значительно возрастает. Начинает сказываться различие диффузионной подвижности и взаимной растворимости граничащих веществ, различие параметров решеток, коэффициентов термического расширения.
Наиболее общие результаты по специфике механизмов роста, релаксации напряжений и дефектообразования рассмотрены в обзорных работах [16-19]. Установлено, что особенности зарождения и роста пленок феррошпинелей определяются параметром межфазного взаимодействия на межфазной границе пленка-подложка, несоответствием геометрических размеров их решеток, термодинамическими условиями синтеза [16,17]. В процессе синтеза и последующего охлаждения релаксация напряжений в эпитаксиальных феррошпинелях осуществляется следующими способами: упругой релаксацией
(упругий изгиб), изменением состава переходной области, образованием дислокаций несоответствия, малоугловых границ, дислокаций и дислокационных скоплений по мере роста пленки. Основную роль в дефектообразовании в эпитаксиальных феррошпинелях играет пластическая деформация с генерацией дислокаций, поэтому все факторы, влияющие на пластическую деформацию, прежде всего температура, концентрация примесей, скорость охлаждения, взаимодействие дислокаций между собой и сопутствующими дефектами, оказывает существенное влияние на особенности дислокационной структуры пленок [18,19].
По результатам исследования влияния дефектности структуры на магнитные свойства пленок феррошпинелей имеются лишь разрозненные сообщения [20-22].
Для пленок магний-марганцевых феррошпинелей получено изменение величины и знака константы кристаллографической анизотропии и доменной структуры в зависимости от степени пластической деформации в процессе синтеза и охлаждения [20]. Проведен анализ спектров ферромагнитного резонанса (ФМР) в пленках марганцевых ферритов [21,22]. Показано, что значительная часть ширины линии ФМР обусловлена влиянием неоднородных по толщине напряжений.
Систематические исследования спектров магнитостатических колебаний и волн для пленок магний-марганцевых феррошпинелей с различной степенью дефектности структуры не проводилось. Данные исследования необходимы для разработки технологии получения пленок феррошпинелей, пригодных для СВЧ-устройств, а также физики магнитных явлений в ферримагнетиках в пленочном состоянии.
Цель работы:
Установление и интерпретация связи между магнитными свойствами монокристаллических пленок феррошпинелей в СВЧ диапазоне и различными видами структурных неоднородностей.
Для этого решались следующие задачи:
исследование условий возбуждения магнитостатических колебаний в спектрах ферромагнитного резонанса, и распространение магнитостатических волн в пленках магний-марганцевых феррошпинелей с различным типом структурной неоднородности;
сопоставление результатов измерений волновых чисел, декрементов, групповой скорости методом движущегося преобразователя и фазочастотным методом;
определение магнитных параметров пленок феррошпинелей из спектров ФМР и МСВ;
изучение особенностей нелинейных процессов первого порядка в спектрах МСВ;
выявление на основе экспериментальных данных зависимости затухания спиновых колебаний и волн в зависимости от химического состава, дефектности структуры и технологических условий получения;
анализ экспериментальных результатов с целью возможностей их описания в рамках существующих теорий и моделей.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов исследования выбраны монокристаллические пленки
исходного состава Mgo^sMnajsP^Oi и MnxFe3.x04 с х = 1; 0,65, толщиной 15-40
'$ мкм.
Монокристаллические пленки получены методом химических транспортных реакций на свежих сколах (001) оксида магния.
При выборе химического состава феррошпинелей исходили из потенциальных возможностей практического применения данной группы феррошпинелей в СВЧ устройствах из-за высокой намагниченности (~3000-5000 Гс) и больших полей анизотропии (~100-200 Э).
По данным микроструктурного и рентгеноструктурного анализов синтезируемые образцы однофазны и имеют структуру шпинели.
Химический состав пленки не воспроизводит идентично состав источника, что подтверждается данными анализа, проведенного на микроанализаторе "Сатеса": исходным составам х = 1; 0,65 в пленке соответствует х = 1,23; 0,9.
Исследование дисперсионных характеристик проводилось методом подвижного и неподвижного преобразователя и фазочастотным методом; ФМР резонаторным методом; блочной, доменной и дислокационной структуры на микроскопе МБИ 6.
Научная новизна работы.
Проведено комплексное исследование спектров МСВ и ФМР в касательно намагниченных насыщенных монокристаллических пленках магний-марганцевых феррошпинелей.
Показано, что дисперсионные характеристики МСВ удовлетворительно описываются теорией Дэймона-Эшбаха с учетом диссипации. Затухание спиновых колебаний и волн существенно зависит от химического состава и степени дефектности структуры, сформировавшейся в процессе роста и релаксации гетероэпитаксиальных и термических напряжений. Изучено влияние магнитных потерь на дисперсию и свойства магнитостатических волн.
Выполнены измерения волновых чисел, декрементов, групповых скоростей двумя независимыми методами методом подвижного преобразователя и фазочастотным методом; получено удовлетворительное согласие экспериментальных результатов.
Оценены магнитные параметры пленок: первая константа кристаллографической анизотропии, поле анизотропии, полуширина резонансной кривой методом ФМР и из дисперсионных зависимостей МСВ.
Впервые для данного материала рассмотрены нелинейные спин-волновые явления, влияние обменного взаимодействия на границу трехмагнонного распада. Показано, что обменные поправки к полю и спектру МСВ относительно малы. Обмен основное влияние оказывает на затухание волны,
которое осциллирует в зависимости от намагничивающего поля и частоты. Выявлено влияние величины поверхностной анизотропии на картины осцилляции затухания.
Научная и практическая ценность работы. Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления об условиях распространения магнитостатических волн в пленках феррошпинелей обладающих высокой намагниченностью (-3000-5000 Гс) и большими полями анизотропии (-100-200 Э), а также о влиянии дефектности структуры на дисперсионные параметры МСВ и нелинейные эффекты.
Практическая значимость заключается в сформулированных рекомендациях по новым возможностям использования пленок феррошпинелей для разработки устройств на МСВ.
На защиту выносятся следующие положения:
Результаты комплексного экспериментального исследования спектров ферромагнитного резонанса, магнитостатических волн и степени дефектности структуры в зависимости от химического состава технологических условий синтеза.
Общие закономерности распространения магнитостатических волн в касательно намагниченных пленках феррошпинелей: законы дисперсии, частотные зависимости декрементов, фазовой и групповой скорости при различных подмагничивающих полях, и их теоретический анализ, исходя из существующих теорий.
Результаты экспериментального исследования нелинейных процессов и при распространении магнитостатических волн. Анализ влияния обменного взаимодействия и наведенной магнитной анизотропии на границу трехмагнонного распада поверхностной магнитостатической волны.
4. Сопоставление области существования магнитостатических колебаний в спектре ФМР и магнитостатических волн в пленках магний-марганцевой феррошпинели.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждаются использованием современных методов исследования (ФМР, фазочастотный метод исследования МСВ и метод подвижного преобразователя), контролируемостью условий проведения эксперимента, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях: 3-ей международной конференции молодых ученых, студентов, старшеклассников и творческой молодежи "Актуальные проблемы современной науки" (Самара, 2002), XV Международной конференции "Физика прочности и пластичности" (Тольятти, 2003), 2-ой межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов "Материалы нано-, микро- о оптоэлектроники: физические свойства и применение" (Саранск, 2003), 3-ей международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Волгоград, 2004), 19-ой международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 2004), 11-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей, 6 тезисов докладов на международных научно-технических и межрегиональных конференциях.
Личный вклад автора. Автором проведен ряд экспериментальных исследований по измерению магнитостатических волн в пленках феррошпинелей методом подвижного преобразователя, снятие амплитудно-частотных характеристик, металлографические исследования дефектов
структуры и доменной структуры. Участвовала в анализе экспериментальных результатов с целью возможностей их описания в рамках существующих теорий и моделей, а также в написании статей и тезисов.
Исследование МСВ фазочастотным методом и ФМР для пленок состава Mg0)25Mno,75Fe204 выполнено в СФИРЭ РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы. Содержит 162 страниц машинописного текста, 41 рисунок, 40 таблиц, список литературы из 139 наименований. Работа выполнена на кафедре физики СамГТУ в соответствии с планом научно-исследовательских работ, а также в рамках проекта программы "Фундаментальные исследования высшей школы в области естественных гуманитарных наук Университеты России".
Влияние дефектов структуры на магнитные свойства эпитаксиальных феррошпинелеи
Экспериментальные и теоретические исследования дислокаций в связи с магнитными свойствами кристаллов показывают, что изменение энергии обменного взаимодействия, магнитокристаллическои, магнитоупругои и магнитостатическои энергии кристалла зависят от числа и количества дислокаций, их состояния и взаимодействия с другими дефектами [47,45-49].
При синтезе пленок феррошпинелей и последующем охлаждении практически невозможно избежать пластической деформации. Поэтому представляет интерес рассмотреть данные о роли дислокаций в формировании магнитных свойств пленок феррошпинелей, а также возможность объяснения экспериментальных результатов из существующих теорий.
В монокристаллических пленках феррошпинелей наряду с кристаллической анизотропией, наблюдается одноосная анизотропия в плоскости пленки, а также магнитная анизотропия с осью легкого намагничивания, нормальной к плоскости пленки [50-55]. Количественные оценки констант анизотропии получены как методом ферромагнитного резонанса, так и методом вращательных моментов.
Влияние типа дислокационной структуры на константы анизотропии рассмотрим для исходного состава Mgo.eMno FeaO Исследования дислокационной структуры методом избирательного травления на поверхности пленок исходного состава Mgo,6Mn0,4Fe204, для которого термические напряжения преобладают над остальными типами внутренних напряжений, показало, что релаксация внутренних напряжений в них проходит последовательные стадии пластической деформации в системе {110} ОТІ по мере роста температуры синтеза (Тс) и скорости их охлаждения (иохл.) [38,40,42].
Изменяя технологические условия: Тс и и0Хл. получены образцы с различным типом дислокационной структуры. По характеру дислокационной структуры, сформировавшейся в процессе роста и последующего охлаждения, пленки исходного состава Mg0!6Mn0,4Fe2O4 разделяются на пять типов [42]. Образцы с равномерным распределением дислокаций по поверхности (рис.1.10,а) имеют лишь двухосную кристаллографическую анизотропию. В таких образцах наблюдается доменная структура двух видов: либо совокупность 90-градусных доменов, либо микрополосовая доменная структура, являющаяся подструктурой основных вейссовских 180- и 90-градусных областей. Образование коротких скоплений (рис. 1.10,6) дислокаций приводит к появлению, наряду с двухосной кристаллографической магнитной анизотропией, одноосной магнитной анизотропии в плоскости пленки. Для такого типа образцов характерна нерегулярная полосовая доменная структура. Ось легкой намагниченности (ОЛН) одноосной магнитной анизотропии составляет 90 с направлением [100]. Диффузионные скопления дислокаций не приводят к появлению одноосной анизотропии в плоскости пленки. Образцы, на которых наблюдались скопления дислокаций в ортогональных направлениях 110 , обладают двухосной положительной магнитной анизотропией. Доменная структура характерна для (001) плоскости кристаллов с К і 0 (рис. 1.11.).
Дислокационная структура пленок Mgo.6Mno.4Fe204 первого типа: а - хаотическое распределение дислокаций; б - короткие скопления, ХІ500
Атмосферный отжиг, проведенный при температурах 670 - 770 К, приводит к изменению констант магнитной анизотропии. Одноосная анизотропия в плоскости пленки у образцов второго типа в результате отжига полностью снимается; положительная двухосная анизотропия в образцах с ортогональным распределением дислокаций вдоль 110 не исчезает, а даже возрастает; анизотропия первого и пятого образцов существенного изменения не претерпевает.
Для образцов с хаотическим распределением дислокаций по поверхности была проведена термомеханическая обработка (ТМО), которая состояла в нагревании, выдержке и последующем охлаждении под нагрузкой. Исследования кривых вращательного момента показали, что в результате ТМО в плоскости пленки в направлении типа [100], вдоль которых прикладываются растягивающие напряжения, наводится одноосная анизотропия в плоскости пленки. Наблюдается также смещение ОЛН, ориентированной первоначально вдоль направлений типа [110], к направлениям типа [100]. Величина константы одноосной анизотропии и степень смещения ОЛН зависят от прикладываемых напряжений и температуры обработки. От тех же факторов зависит и степень дефектности структуры после ТМО.
Из полученных данных следует, что наблюдаемые особенности магнитной анизотропии пленок Mgo;6Mno,4Fe204 существенно зависят от степени пластической деформации пленок в процессе синтеза и охлаждения и последующих термических, обработок. Объяснить наблюдаемые эффекты удается, исходя из феноменологической модели, учитывающей вклад магнитоупругой энергии дислокаций в константы магнитной анизотропии [43].
При дислокационном механизме пластической деформации в эпитаксиальных феррошпинелях возможна также наведенная магнитная анизотропия (НМА) немагнитострикционного происхождения [57], поскольку на дислокациях сегерируют точечные дефекты и примеси.
Размеры примесного облака возле дислокаций по величине заряда на индивидуальных дислокациях в эпитаксиальных феррошпинелях составляет 10"8 м [58]. Расстояние между дислокациями в границах блоков 10"7 м при разориентации 10 - 30 , что превышает размеры зарядового облака возле дислокаций, т.е. облака вакансий и примесей не перекрываются.
По модели [58] область возле дислокаций немагнитна в рассматриваемых пленках и понижение намагниченности за счет примесных атмосфер возле дислокации в границе блоков оценивается из выражения: = s,n.npn разориентации блоков 0 10 - 20 для пленок MnFe204 значение sdn (1,5 - 2,6)-10"\ для Mgo,6Mno,4Fe204 при 0 10 - 14 sdn (1,1 - 3,3)-102. Сопоставление данных по намагниченности из анализа спектров МСВ и полученных на установке с использованием маятниковых весов на пленках MnFe204 дает уменьшение намагниченности того же порядка: (1,1 - 2,8)-10-1.
Значений констант наведенной анизотропии (Ки) за счет дислокаций, образующих малоугловую границу по модели [58] рассчитывается по формуле Ки 7iMoSdn (табл. 1.3). Величина НМА по принятой модели удовлетворительно для большинства образцов совпадает с экспериментальными значениями. Величина НМА пленок MnxFe3.x04 убывает с уменьшением X в составе, что находится в согласии с уменьшением несоответствия решеток феррита и подложки, разориентации блоков и плотности дислокаций по границам блоков. Исследование магнитных резонансов в пленках дает важную информацию о физических свойствах пленок и протекающих в них спинволновых процессах. Параметры ферромагнитного резонанса (ФМР), в частности, ширина линии поглощения (АН) является интегральной характеристикой качества образца. Знание зависимости АН от состава и технологических условий синтеза необходимо для выяснения возможностей разработки СВЧ - устройств на основе пленок и для изучения процессов релаксации.
Магнитостатические волны в ферромагнетиках и их применение в свч устройствах
Магнитоупорядоченные среды обладают особыми электродинамическими свойствами [1-5,67]. Физическая причина особых свойств — ферро- или антиферромагнитный резонанс, означающий возможность возбуждения специфических элементарных возбуждений (спиновых волн -магнонов) электромагнитной волной.
В большинстве случаев резонансные частоты магнитной природы находятся в радиочастотном диапазоне. Учет диссипативных процессов и пространственной дисперсии магнитной проницаемости, несущественных вдали от резонанса, приводит к тому, что длина волны остается конечной и, хотя она много меньше, чем в вакууме (при той же частоте), все же значительно превышает межатомное расстояние. Это означает, что электромагнитные свойства магнетиков можно описывать уравнениями макроскопической электродинамики: Уравнения записаны так, чтобы они были применимы к диэлектрикам (j = 0 ) и к металлам (D = 0). В неограниченном пространстве материальными уравнениями, делающими систему (2.4) полной, служит линейная связь между полями и индукциями, записанная для их компонент Фурье:
При линейном приближении: ак«1, где а-межатомное расстояние, к -волновой вектор, 271 /k = А, - длина волны, рассматриваются макроскопические колебания и волны. Для проявления неоднородности задачи (полупространство, пластина), рассматриваются простые примеры электродинамики сплошных сред при условии
Учет пространственной дисперсии (зависимости є и ц от волнового вектора к) и диссипации (существование є" и и") необходим только тогда, когда пренебрежение ими может привести к потере физического смысла или к грубой (качественной) ошибке.
Диссипация, как хорошо известно, ликвидирует бесконечный резонансный разрыв и вводит мнимую часть проницаемостей (например, Ітє = є"); аналогично выглядит зависимость \i = u(a ).
Пространственная дисперсия, существенная вблизи резонансных частот при малой диссипации, означает зависимость этих частот от волнового вектора. Пространственная дисперсия — результат способности механических колебаний (поляризации и/или намагниченности) распространяться по кристаллу за счет внутренних сил взаимодействия.
Принято элементарное возбуждение (квазичастицу), представляющее собой фотон, взаимодействующий с колебаниями поляризации и намагниченности, называть поляритоном. Закон дисперсии поляритона — решение уравнения в виде функций со = со(к).
Пространственная дисперсия делает поляритон в квазистатическом пределе (с = со) переносчиком энергии — естественный факт, если учесть, что пространственная дисперсия — следствие существования квазичастиц, а поляритон — результат связи квазичастиц с электромагнитными колебаниями. Пространственная дисперсия увеличивает степень уравнения (2.6), если неизвестным считать волновой вектор к. Это обстоятельство важно при решении неоднородных задач.
Уравнений таких, как (2.7), два: для двух поперечных поляризаций. Кроме того, в среде с изотропными проницаемостями могут распространяться два продольных экситона: электрический — с законом дисперсии, определяемым уравнениями
При рассмотрении полупространства (пренебрежение пространственной дисперсией) важной характеристикой электродинамических (в частности, отражательных) свойств тела служит поверхностный импеданс. У полупространства с диэлектрической проницаемостью є и магнитной \х импеданс для волны, падающей нормально на поверхность тела, равен
Это первая формула, из которой видно, что є и / входят в зависимость по-разному. При электрическом резонансе (є - оо) импеданс обращается в нуль, а при магнитном (//— оо) — в бесконечность. Коэффициент отражения R — отношение амплитуды отраженной волны, к амплитуде падающей — связан с импедансом следующим образом:
В обоих резонансных случаях R = 1 тело препятствует проникновению в себя резонирующей, электромагнитной волны. Проникновение осуществляется вследствие диссипации - расчет резонансных характеристик невозможен без ее учета. Вдоль границы полупространства могут распространяться поверхностные волны.
Под поверхностной волной принято понимать волну, амплитуда которой экспоненциально затухает при удалении от поверхности. Так как электромагнитные волны существуют не только в теле, но и в вакууме (в случае полупространства), то речь идет о волнах, экспоненциально затухающих по обе стороны от поверхности образца, причем в вакууме логарифмический декремент затухания где к — двумерный волновой вектор, компоненты которого кх, ку; ось z направлена по нормали к поверхности; при этом положим, что магнетик занимает "положительное" полупространство z О, так что в вакууме амплитуда волны пропорциональна exp( 0z), а в теле — ехр(- у z), где У = Ж- -щ. (1.13) Значение корней положительно.
В рассматриваемом случае есть две поверхностных волны: в одной отличны. от нуля компоненты (ось х направлена вдоль вектора k(kx =k,ky =kz =0) Ех, Ez, Ну во второй — Еу, Нх, Hz. Первая — волна электрического типа (-волна), вторая — магнитного (//-волна). Их дисперсионные уравнения — следствия граничных условий (непрерывности тангенциальных составляющих векторов Е и Н):
Описание установки эпитаксиалъного выращивания пленок феррошпинелеи
С конца 70 годов с целью перехода в более высокочастотные диапазоны длин волн в разработке устройств на МСВ начались работы по выращиванию пленок литиевых ферритов и многокомпонентных ферритов других систем методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) [73-76]. Размеры полученных пленок невелики и для построения приборов недостаточны. Отмечается растрескивание пленок литиевых ферритов, которое устраняется с помощью добавок натрия [76]. Недостатком такого метода является неизбежное присутствие в пленке компонентов растворителя и материала кристаллизации. Не были получены методом ЖФЭ пленки удовлетворительного качества и отечественными специалистами [77].
Проблема получения монокристаллических пленок феррошпинелей, обладающих свойствами, сопоставимыми со свойствами объемных кристаллов, была в значительной степени решена с помощью метода химических транспортных реакций [78]. Первое сообщение о получении монокристаллических пленок феррошпинелей химическим транспортом появилось в 1961 г. [79], когда Такеу и Такасу путем разложения галоидных соединений металлов в среде с водяными парами удалось получить пленки трех ферритовых систем: NiFe204, CoFe204, FeFe204- В качестве подложек были использованы свежие сколы монокристаллов MgO, MgTi03, MgAl204- По данным рентгенографического анализа пленки имели шпинельную структуру. Измерения ферромагнитного резонанса и химический анализ пленок показали несколько неравномерное распределение компонент вдоль направления, перпендикулярного поверхности подложки, что является существенным недостатком описываемого метода. Самым удачным для выращивания монокристаллических пленок феррошпинелей оказался сэндвич — метод [80-91]. Отличительной особенностью метода является параллельное расположение пластин подложки и источника вещества друг над другом на расстоянии не менее 10 3 м. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами химического транспорта: Условия химического транспорта в объеме между источником и подложкой слабо зависят от условий вне его; процесс происходит в замкнутом объеме сэндвича, влияние посторонних воздействий и загрязнений сводится к минимуму; Сокращение пути диффузии существенно увеличивает скорость роста с уменьшением общих потерь вещества; Метод малого зазора облегчает выращивание многокомпонентных веществ.
По этому способу были получены монокристаллические пленки магний-марганцевого феррита [17,88,89,92], марганцевого [77,87,90,91], кобальтового [93, 94] и многокомпонентного феррита [73-75, 95].
Имеются два метода выращивания эпитаксиальных пленок из газовой фазы при помощи химических реакций - открытый и закрытый:
а) закрытый - химическая реакция между активным веществом и источником идет в высокотемпературной зоне; перенос осуществляется за счет градиента температур, вызывающего конвекционный кругооборот газа; кристаллизация происходит в более холодной зоне;
б) открытый - односторонний направленный поток газа несет активное вещество, растворяющее при более высокой температуре материал источника; кристаллизация происходит в более холодной зоне.
В данной работе использовался метод закрытого объема. Заметим, что с точки зрения эффективности массового производства скорость роста и производительность закрытых систем недостаточно высока, но именно в этих системах получены наиболее чистые и совершенные пленки. Изученные в закрытых системах закономерности формирования пленок на ранней стадии роста могут быть использованы для улучшения однородности свойств по толщине и в открытой (проточной) системе, которая является основным промышленным методом при решении широкого комплекса технологических задач полупроводниковой электроники.
В рассматриваемом методе процесс транспорта феррита подразделяется на три стадии: гетерогенную реакцию в источнике, перемещение газообразных продуктов и гетерогенную обратную реакцию на подложке. Процессы, происходящие в первой стадии, описываются уравнением: т MeFe204(TB) + 8HCl(m) 7 MeCl2(m) + FeCl3(ra3) + 4H20(ra3) (2.1)
Образующиеся хлориды металлов под действием градиента концентраций перемещаются в зону кристаллизации с температурой Т2 Ті. На поверхности подложки, где температура ниже исходного феррита, протекает обратная реакция, которую можно записать: MeO +Fe O,.,, МеС12(газ) + 2FeCl3(ra3)+ 4Н20(ПО) - КР 2 ЗКР + 8НС1(газ) (2.2) MeFe204
Приготовление источника включает все технологические приемы, свойственные производству изделий порошковой металлургии [86].
В данной работе объектами исследования были выбраны монокристаллические пленки, выращенные на (100) плоскости оксида магния газофазным методом исходного состава Mg0)25Mn0,75Fe2O4, MnxFe3-x04 с х = 0,65, х = 1, толщиной (5-35) мкм.
Дисперсионные характеристики пленок феррошпинелеи
Уровень, на котором измерялась ширина резонансной кривой АН, определялся по формуле [59,60]: Ш оо Dt (2.4) V 1 + \DJDP\ где Dp, До и Dy2 - коэффициенты прохождения в резонансе, вдали от него и на уровне х - ХІ
С помощью ФМР измеряются - поле резонанса, ширина и интенсивность линии в зависимости от частоты и ориентации магнитного поля в образце. Затем, используя формулы для определенной модели, могут быть рассчитаны следующие параметры: намагниченность насыщения Мо, константы наведенной и кристаллографической анизотропии Ku, Ki.
Обычно для интерпретации резонансных изменений используют условие ФМР для некоторых характерных направлений внешнего магнитного поля. В рассматриваемом случае плоскость пленки совпадает с плоскостью (001) кубического кристалла, поэтому этими направлениями будут [100] и [ПО] в плоскости пленки и направление перпендикулярное плоскости пленки, совпадающее с кристаллографической осью [001]. Наиболее общие условия, связывающие частоту однородного ФМР в магнитной пленке с внешним магнитным полем для 3-х указанных направлений следующие:
Соотношения 2.5-2.6 дают возможность из измерений резонансных полей Н[юо]» Н[по], H[ooi] при внешнем постоянном магнитном поле, ориентированном вдоль осей [100], [ПО], [001] соответственно определить при известной частоте эксперимента основные параметры пленок: поле магнитной анизотропии
При создании устройств необходима информация о дисперсионных свойствах и затухании МСВ, а также о сигналах электромагнитной наводки, возникающих в линиях передачи МСВ. Различные подходы к решению этой задачи были описаны в работах [64,65,102,103]. Предлагалось использовать для измерения дисперсии подвижный выходной преобразователь МСВ. Пространственный период наблюдавшейся картины интерференции сигналов МСВ и прямой наводки (или опорного сигнала СВЧ-генератора) отождествлялся с длинной волны МСВ. Такой метод характеризуется тем, что не требует привлечения какой-либо дополнительной информации о свойствах исследуемой МСВ. В этом методе отсутствует неопределенность в значении волнового числа и знаке групповой скорости, характерная для интерференционного метода, в котором измеряется только модуль разности волновых чисел для различных частот. Наконец, по сравнению с [102] отпадает необходимость подавлять сигнал наводки, (он может играть даже полезную роль) и ослабляются требования к согласованию преобразователей МСВ с внешним СВЧ-трактом. Метод подвижного преобразователя [64] получил свое развитие в работе [102], в которой точность измерения увеличена за счет равномерного движения преобразователя и одновременной записи сигнала интерференции с помощью самописца.
Изучение распространения МСВ в пленках феррошпинелей проводились методом движущегося преобразователя [64] с помощью макета линии задержки, блок - схема которого изображена на рис.2.8.
Прямоугольный образец, представляющий собой ферритовую пленку на диэлектрической подложке, со сторонами (2-6) на (10-15) мм, приклеенный к кварцевому держателю, прижимался к полоскам и помещался в постоянное магнитное поле, параллельно полоскам. Такая геометрия намагничивания характерна для возбуждения в изотропных ферритах поверхностных МСВ (ПМСВ) типа Деймона-Эшбаха [63]. Однородное магнитное поле Н0 (Ю0) создавалось электромагнитом ФЛ 1. Развертка по полю осуществлялась с помощью источника питания "Выпрямитель ВСА-5" 12. Сигнал от СВЧ генератора 1 в режиме качания частоты поступал на вход экспериментального макета линии задержки 2. В качестве генератора СВЧ сигнала в измерителе используется генератор качающейся частоты (ГЧК 54).
Волноводный тракт состоял из коаксиальной линии, двух ответвителей и согласованной нагрузки. Экспериментальный макет состоял из двух параллельно расположенных микрополосковых преобразователей на поликоровых подложках толщиной 0,5 мм. Прием МСВ производился вторым микрополосковым преобразователем, который мог устанавливаться на любом расстоянии от входного возбудителя и равномерно перемещался по поверхности пленки с помощью электропривода или вручную. Микрополосковые преобразователи 9, закороченные на концах, длинной 12 мм и шириной 50 мкм изготавливались методом фотолитографии.
Сигнал с выходного преобразователя поступал на вход линейного детектора 3, усилителя постоянного тока 4. На выходе макета сигнал детектировался и поступал на вход 5 для визуального наблюдения. Пропорциональный отношению напряжений на входах канала отраженной (прошедшей) и канала падающей волны сигнал с синхронного детектора подавался на вход усилителя отклонения или визуальной индикации ЭЛТ вертикальной развертки. На горизонтальную развертку подавался сигнал пропорциональный напряжению, выставленного диапазона частот. При включении в цепь панорамного измерителя типа Р2-56 снимались амплитудно-частотные характеристики макета ЛЗ (в дальнейшем для краткости АЧХ макета ЛЗ). Величина поля измерялась при помощи датчика Холла 7. 3 Результаты теоретических расчетов и эксперимента
Исследование магнитостатических волн в пленках магранцевых и магний-магранцевых феррошпинелей
Дисперсионные зависимости МСВ в пленках феррошпинелей, синтезированных нами методом химических транспортных реакций теоретически и экспериментально исследовались в [12-16]. Рассмотрим теоретический анализ распространения МСВ в пленках феррошпинелей.
В случае касательного намагничивания пленки с отрицательной первой константой анизотропии (Кі 0), выращенной в плоскости (001), волновой вектор МСВ к перпендикулярен полю Но. Учитывая, что в пленках феррошпинелели в хорошем приближении выполняется условие 2лМ0» І Кі I, будем считать, что вектор намагниченности М0 всегда лежит в плоскости пленки.
