Введение к работе
Актуальность темы. Изучение возбуждений в спиновой подсистеме магнитоупорядоченных веществ относится к числу важнейших направлений современной физики твердого тела [1]. Глубокий и длительный интерес к магнитодинамическим явлениям связан как с необходимостью всестороннего исследования многочисленной и постоянно пополняемой группы магнитных материалов, так и с возможностью построения новых электронных устройств [2]. Предметом особого внимания является пленочное состояние магнетиков. Волновые возбуждения в пленках формируются в условиях размерного ограничения и влияния граничных условий, и данные факторы во многом определяют характеристики волн [3, 4]. Создание технологии эпитаксиального выращивания пленок ферритов в конце 1960-х годов стало мощным толчком в исследовании и применении распространяющихся спиновых волн [5, 6]. Перспективными для технических приложений оказались сверхвысокочастотные длинноволновые возбуждения. В механизме распространения волн с большими длинами основную роль играет дипольно-дипольное взаимодействие, а влияние неоднородного обменного взаимодействия пренебрежимо мало. За магнитодипольными спиновыми волнами утвердилось историческое название «магнитостатические волны» (МСВ). Основой для разработки планарных МСВ-устройств стали пленки железоиттриевого граната (ЖИГ, Y3Fe5O12), выращиваемые на монокристаллических подложках гадолиний галлиевого граната.
Центральное место в разработке и совершенствовании материалов спин-волновой электроники отводится решению двух задач – снижению затухания МСВ и повышению термостабильности их характеристик.
Существенным недостатком СВЧ-ферритов (в том числе и ЖИГ) является сильная температурная зависимость намагниченности насыщения, приводящая к температурной зависимости характеристик устройств. Особенно остро проблема температурной стабилизации характеристик возникает при разработке частотоизбирательных устройств высокого разрешения. Повышение стабильности, как правило, достигается применением термостатирующих узлов и электронных схем стабилизации. Известно, однако, что наиболее эффективные методы, реализующие определенную функцию аппаратуры, основаны непосредственно на физических явлениях, протекающих в структурных элементах при передаче и преобразовании сигналов. С этой точки зрения, подходы в решении задачи по термостабилизации рабочих параметров приборов на МСВ, не связанные с увеличением габаритов и энергозатрат, должны исходить из использования свойств самих пленочных ферритов. В частности, одним из факторов, определяющих дисперсионные зависимости МСВ в пленках, является кристаллографическая магнитная анизотропия. Особенности проявления анизотропии в температурных изменениях частот МСВ мало изучены и практически не используются. К моменту начала исследований по теме диссертации (1991 г.) разработка методов термостабилизации характеристик велась в предположении изотропности магнитных свойств материала пленки [7]. Влияние магнитной кристаллографической анизотропии феррита на температурный сдвиг частот МСВ во внимание не принималось. В целом ряде работ подробно исследован спектр МСВ ферромагнитного слоя с кубической магнитной анизотропией [8], однако анализ температурных изменений спектра при этом не проводился.
В решении другой проблемы – снижении затухания МСВ – основные усилия направлены на поиск необходимого состава и достижение структурного совершенства и однородности пленок [9]. Вместе с тем пленкам, выращенным по технологии жидкофазной эпитаксии, присуща неоднородность свойств по толщине [10]. Особенно значительна неоднородность в переходном слое между пленкой и подложкой. Однако детальные исследования влияния переходных слоев на характеристики МСВ не проводились. Еще один аспект проблемы затухания собственных магнитных колебаний связан с достоверным определением ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР), являющейся мерой затухания колебаний намагниченности. Сравнительно недавние эксперименты [11] показали, что ширина линии ФМР в эпитаксиальных пленках гексаферрита бария (BaFe12O19), измеренная волноводным методом, существенно зависит от толщины подложки. Между тем механизм этой зависимости не был выяснен. Учитывая роль, отводимую гексаферритам в продвижении спин-волновой электроники в диапазон миллиметровых длин волн, исследование природы затухания колебаний в них относится к разряду важных задач.
Таким образом, актуальность темы исследований диссертационной работы определяется общефизическим интересом к изучению влияния структуры, присущей планарным ферритам, на характеристики магнитостатических волн, а также возможностью использования возникающих в результате этого влияния эффектов для улучшения характеристик магнитоэлектронных устройств.
Цель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании влияния магнитной кристаллографической анизотропии и неоднородности планарных ферродиэлектриков на характеристики собственных магнитодипольных колебаний и волн, а также в разработке эффективных методов повышения термостабильности этих характеристик.
В задачи работы входило:
-
Теоретическое исследование влияния кристаллографической магнитной анизотропии ферромагнитного слоя на температурные коэффициенты частот собственных магнитных колебаний и волн.
-
Экспериментальное исследование температурных характеристик спектров МСВ в пленках чистого и замещенного ЖИГ при различных кристаллографических ориентациях плоскости пленки и намагничивающего поля.
-
Разработка методов температурной стабилизации характеристик МСВ в ферритовых пленках с кубической магнитной анизотропией, основанных на использовании внутренних компенсационных механизмов.
-
Развитие теории магнитодипольных колебаний и волн в планарных ферродиэлектриках с целью исследования влияния на их характеристики слоистой неоднородности вблизи границ раздела. Выяснение механизма затухания, связанного со слоистой структурой эпитаксиальных ферритовых пленок.
-
Разработка методов измерения магнитных параметров пленочных ферромагнетиков, основанных на динамических явлениях в СВЧ-диапазоне.
-
Совершенствование методов исследования пленочных структур в миллиметровом диапазоне. Развитие методов расчета и анализа характеристик колебаний и волн.
Научная новизна работы. В диссертации систематически исследованы характеристики магнитодипольных колебаний и волн в ферродиэлектрических пленках с учетом их кристаллической и слоисто-неоднородной структуры. При этом построены модели пленок с более высоким уровнем адекватности по сравнению с существующими моделями.
Экспериментально установлено и теоретически обосновано неизвестное ранее термостабилизирующее влияние кристаллографической магнитной анизотропии планарных ферритов на частоты МСВ и ферромагнитного резонанса.
Получены новые результаты по методам управления температурными характеристиками волн намагниченности. Требуемое изменение характеристик в разработанных методах осуществляется выбором кристаллографической ориентации пленки и направления намагничивания.
На основе существующих представлений о слоистой структуре планарных ферритов проведено теоретическое исследование влияния переходных слоев на дисперсионные и диссипативные характеристики МСВ.
Выяснен механизм влияния подложек на ширину линии резонансного поглощения СВЧ-поля в волноводном методе исследования пленочных ферритов. Обоснована необходимость локализации резонансных колебаний намагниченности при определения ширины линии ФМР феррита.
Предложен новый способ определения эффективного поля магнитной кристаллографической анизотропии, основанный на измерении частотно-полевых зависимостей в спектрах МСВ.
Разработан метод вывода дисперсионного уравнения поверхностной МСВ с явным видом зависимости частоты от волнового вектора и магнитных параметров в кристаллически-анизотропных планарных ферритах.
Практическая значимость. Проведенные в диссертации исследования тесно связаны с созданием устройств функциональной СВЧ-электроники.
Обнаруженные свойства ферритовых пленок позволяют существенно улучшить термостабильность известных спин-волновых устройств без изменения их конструкции. Развитые представления о механизмах затухания МСВ могут быть использованы для совершенствования технологии и улучшения спин-волновых характеристик планарных ферритов. Разработан и реализован метод определения параметров ферромагнитных пленок: намагниченности насыщения, поля магнитной кристаллографической анизотропии, ширины линии ФМР. В работе получен целый ряд соотношений, которые составляют основу для инженерного расчета характеристик пленочных приборов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется: использованием в теоретическом анализе современных представлений о природе магнитных материалов и корректном выборе методов расчета; использованием в экспериментальных исследованиях стандартной измерительной аппаратуры и методов контроля; согласием основных теоретических положений работы с результатами экспериментов; апробацией основных результатов в ходе выполнения НИР, ОКР и при производстве эпитаксиальных ферритовых структур (НИИМЭТ, г. Калуга).
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
В ферритовых слоях поле магнитной кристаллографической анизотропии может существенно влиять на температурную зависимость частот собственных магнитных колебаний. Определяющими факторами влияния являются температурная зависимость поля анизотропии и ориентация вектора намагниченности относительно кристаллической решетки и плоскости слоя.
-
Кристаллографическая магнитная анизотропия планарных ферритов может быть использована для повышения термостабильности характеристик МСВ. Компенсирующее влияние поля анизотропии на температурный сдвиг частот реализуется выбором кристаллографической ориентации слоя и геометрии намагничивания. Учет анизотропии позволяет решать задачи по оптимизации угловых зависимостей температурных коэффициентов частот в наклонном намагничивающем поле и задачи, в которых условие термостабильности налагается на частоты двух магнитных колебаний.
-
Пленки чистого и замещенного ЖИГ с ориентациями типа {ab0} характеризуются сильной анизотропией температурных коэффициентов частот МСВ, возбуждаемых в касательных намагничивающих полях. При намагничивании вдоль касательной оси типа <100> вклады в температурные коэффициенты, обусловленные изменениями намагниченности насыщения и поля кубической анизотропии, имеют разные знаки и частично, а в отдельных случаях полностью, компенсируют друг друга. Используя пленки с данными ориентациями вместо традиционно используемых {111}-пленок, можно существенно повысить термостабильность характеристик МСВ-устройств.
-
Учет переходных слоев пленочных ферродиэлектриков в законах дисперсии МСВ может быть осуществлен введением понятия эффективной толщины пленки и добавлением мнимой части к волновому числу. При этом мнимая добавка определяет затухание МСВ, обусловленное слоистой неоднородностью.
-
Параметры поля магнитной кристаллографической анизотропии пленочных ферритов могут быть определены из частотно-полевых зависимостей, измеренных в спектрах МСВ. При этом теоретической основой метода служат выведенные уравнения, связывающие характеристики частотно-полевых зависимостей с компонентами тензора эффективных размагничивающих факторов анизотропии.
-
Разработанная модель ферродиэлектрических пленок с кубической магнитной анизотропией и касательной осью типа <110> позволяет с высокой точностью описывать анизотропию характеристик поверхностной МСВ. При этом теоретической основой описания является полученное дисперсионное уравнение, которое имеет вид явного выражения для частоты при любой кристаллографической ориентации пленки и любом касательном направлении вектора намагниченности.
-
Ширина линии ФМР пленочного феррита, регистрируемая по мощности поглощения электромагнитной волны в короткозамкнутом волноводе с образцом на замыкающей стенке, существенно зависит от толщины и диэлектрических свойств подложки. Эффективным способом уменьшения искажения ширины резонансной зависимости является ограничение области пространственной локализации резонансных магнитных колебаний. Размер области определяется материальными параметрами пленки и подложки и может быть оценен на основе выведенных соотношений.
Из совокупности сформулированных положений следует, что в диссертации решена крупная научно-техническая проблема физики магнитных материалов, имеющая важное хозяйственное значение – установлены закономерности и развиты модельные представления, определяющие свойства монокристаллических планарных ферродиэлектриков с термостабильными характеристиками слабозатухающих магнитодипольных колебаний и волн, что вносит существенный вклад в физику пленочного состояния СВЧ-ферритов и открывает новые подходы к разработке научных основ практических применений магнитных структур с управляемыми спин-волновыми свойствами.
Личный вклад автора. При выполнении работы автором сделан определяющий вклад в постановку задач исследования, в проведение экспериментов и выполнение теоретических выкладок и расчетов, в написание статей и тезисов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах, в том числе: V Всесоюзной школе-семинаре по спин-волновой электронике СВЧ (Звенигород, 1991); Всероссийской научно-технической конференции «Оксидные магнитные материалы. Элементы, устройства и применения» (Санкт-Петербург, 1992); Семинаре стран СНГ «Магнитоэлектронные устройства СВЧ» (Киев, 1993); VI Международной школе-семинаре по спин-волновой электронике СВЧ (Саратов, 1993); IX – XVIII Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999 – 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Структура и свойства твердых тел» (Нижний Новгород, 1999); V – IX Russian-Chinese International Symposium «Advanced Materials & Processes» (Baikalsk, 1999; Beijing, 2001; Krasnodar, 2003; Guangzhou, 2005; Astrakhan, 2007); International Conference «Physics of Electronic Materials» (Kaluga, Russia, 2002); X и XIII Всероссийских научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Москва, МГИЭМ, 2003, 2006); 13-th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials (Tomsk, Russia, 2006); Всероссийских научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе» (Калуга, 2006 – 2008); 6-th and 7-th International Conference «Interaction of Radiation with Solids» (Minsk, Belarus, 2005, 2007); IV and V International Conference «New Electrical and Electronic Technologies» (Zakopane, Poland, 2005, 2007).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 55 печатных работах, в том числе 18 статьях в рецензируемых журналах из Перечня, определенного ВАК, авторском свидетельстве и 2-х патентах на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений, списка цитированной литературы из 203 наименований, изложена на 282 страницах, содержит 7 таблиц, 63 рисунка.
Первые параграфы глав 1, 3 – 6 посвящены обзору литературы по вопросам, рассматриваемым в этих главах (глава 2 развивает теорию, построенную в главе 1, и необходимости в обзорном параграфе для этой главы нет). Каждая глава завершается выводами, отражающими ее основное содержание.
