Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Свойства слабоанизотропных эпитаксиальных ферритовых структур Y3[Fe2-yScy](Fe^xGax)Ol2 23
Глава 2 Особенности распространения магпитостатических волн в пленках ЖИТ 69
Глава 3 Дипольно-обменные и магнитоупругие волны в структурах феррит-полупроводник и феррит-металл 139
Глава 4 Влияние анизотропии и межслойного обмена на распространение МСВ в двухслойных ферритовых структурах 186
Глава 5 Параметрические процессы при распространении магнитостатических и магнитоупругих волн в ферритовых структурах 242
Глава 6 Эффекты самовоздействия магнитостатических волн 330
Глава 7 Возможные применения результатов исследований 400
Заключение 416
Литература
- Свойства слабоанизотропных эпитаксиальных ферритовых структур Y3[Fe2-yScy](Fe^xGax)Ol2
- Особенности распространения магпитостатических волн в пленках ЖИТ
- Дипольно-обменные и магнитоупругие волны в структурах феррит-полупроводник и феррит-металл
- Влияние анизотропии и межслойного обмена на распространение МСВ в двухслойных ферритовых структурах
Введение к работе
На протяжении последних десятилетий сложился и сохраняется устойчивый интерес к исследованиям спиновых волн (СВ) в слоистых структурах на основе магнитоупорядоченных кристаллов. Это обусловлено, с одной стороны, перспективой практического использования СВ в различных устройствах твердотельной СВЧ-электроники, а с другой - уникальной совокупностью свойств СВ, приводящей к большому разнообразию физических эффектов, наблюдающихся при возбуждении, распространении и взаимодействии волн.
Толчком к активным исследованиям СВЧ волновых процессов в ферромагнитных пленках и слоистых структурах послужили предсказание [1] и обнаружение [2] спин-волнового резонанса (СВР) [3, 4]. Освоение в конце 50-х годов синтеза монокристаллов ферроіппинелей и ферритов гранатов с рекордно малыми магнитными потерями на СВЧ [5-9] положило начало исследованиям эффектов распространения спиновых волн в объемных ферритах [10, 11] и привело к развитию СВЧ-ферритовой техники [12-18]. Уникальность свойств синтезированных монокристаллов ЖИГ проявилась также в чрезвычайно низких потерях акустических волн [19], что позволило уже в 1958 году Спенсеру и Ле Кроу [20] открыть явление параметрического магнитоунругого (МУ) резонанса. В этом же году Ахиезер, Барьяхтар и Пелетминский [21], а также Киттель [22] развили теорию связанных магнитоупругих волн (МУВ)1. Несколько позднее была показана возможность эффективной генерации ультразвука в условиях возбуждения ФМР [24].Это дало толчок к широкомасштабным исследованиям магнитоупругих колебаний и волн в образцах ЖИГ [25-30].
Новый импульс исследованиям спиновых и магнитоупругих волн придало освоение в конце 60-х начале 70-х годов технологии жидкофазной эпитаксии пленок ферритов-гранатов (в частности, железоиттриевого граната (ЖИГ)) на подложках из немагнитного граната (как правило, гадолиний галлиевого (ГГГ)) [31]. Оказалось, что магнитные и акустические потери в эпитаксиальных структурах ЖИГ/ГГГ практически такие же, как и в объемных монокристаллах ЖИГ, при этом возбуждение и прием СВ2 могут осуществляться одиночными микрополосками [32]. Поскольку к этому времени были разработаны и внедрены устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), то СВ в пленках ЖИГ рассматривались как основа для разработки устройств аналогичных устройствам на ПАВ в области частот 1-60 ГГц [34, 35]. К концу 80-х годов исследования спин-волновых явлений в пленках ЖИГ и слоистых структурах на их основе привели к становлению нового направления функциональной микроэлектроники -спин-волновой электроники [36, 37]. Были разработаны устройства осуществляющие дисперсионную и бездисперсионную задержку, фильтрацию, преобразования и сдвига частоты, свертку, ограничения мощности и улучшения отношения сигнал-шум и ряд функциональных узлов на их основе [38-49]. Преимущества приборов на СВ связаны с воз-
"^Впервые на связь спиновых и упругих волн за счет магнитострикции обратили внимание Туров и Ирхин [23].
2Термин "спиновые волны"часто используют для коротких волн, в механизме распространения которых основную роль играет обменное взаимодействие. Для сравнительно длинных медленных волн, перенос энергии которых осуществляется, главным образом, за счет дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия называют магнитооптическими волнами (МСВ). На самом деле "и те, и другие являются и спиновыми, и магнитостатическими-[33], причем для спиновых волн магнитостатическое приближение еще лучше выполняется, чем для длинных (дипольных). В данной работе используется термин "спиновые волны".
можностыо электрической перестройки, низким уровнем собственных шумов, сравнительной легкостью широкополосного и селективного возбуждения и приема с требуемыми дисперсионными параметрами, а также с возможностью построения невзаимных устройств.
В течении последнего десятилетия наблюдается новый всплеск интереса к исследованиям СВ в структурах на основе ферромагнитных пленок, обусловленный эффектами генерации СВ при транспорте поляризованных по спину электронов [50, 51], а также успехами в технологии создания магнитных микро- и наноструктур [52] и магнонных кристаллов [53].
Таким образом, физические исследования волновых процессов в ферромагнитных пленках и слоистых структурах кроме чисто научного интереса тесно связаны с поисками путей создания устройств СВЧ микроэлектроники. Это во многом определяет актуальность исследования СВ.
В качестве волноводов СВ используют, как правило, пленки ЖИГ [32, 54, 55], феррошпи-нелей [56, 57], гексаферритов [58, 59] и ферромагнитных металлов [60, 61], которые могут образовывать слоистые структуры с другими магнитными пленками [62-71]3, а также пленками полупроводников [62-78], высокотемпературных сверхпроводников [79-82], сегнетоэлек-триков [58, 80] и металлическими экранами [83, 84]. В диапазоне СВЧ наличием у феррита нескольких магнитных подрешеток можно пренебречь и вдали от точек компенсации считать феррит состоящим из одной магнитной подрешетки и рассматривать его в виде ферромагнетика с эффективными параметрами [33]. При исследовании СВ с длиной волны много большей размеров элементарной ячейки обычно используется феноменологический подход, когда среда считается сплошной, а ее состояние характеризуется в каждой точке г макроскопической плотностью магнитных моментов М(г). СВ можно рассматривать как колебания плотности магнитного момента, распространяющиеся в ферромагнетике. Такие колебания имеют характер прецессии вектора М и описываются уравнением Ландау-Лифшица [89]:
~ = -7[М х Я**], (1)
7 ~ 2.8 МГц/Э - гиромагнитное отношение, Нэ$ - эффективное магнитное поле в феррите, которое связано с плотностью магнитной энергии ферромагнетика W соотношением [90]:
8М дМ дхдМ/дх'
Рассматриваемые в работе ферриты являются достаточно хорошими диэлектриками, что позволяет не учитывать вклад электронов проводимости в плотность энергии и считать ее состоящей из плотности магнитной Wm, упругой Wei и магнитоупругой Wme энергии, которые в феноменологическом приближении можно представить в виде [16, 4]:
wm = -MH„-1-MS + wa+lai^k, (3)
где Но - внешнее магнитное поле, Нт - дипольное поле магнитных моментов М, а^ - постоянная неоднородного обмена;
Wei = 2^и? + 2CiklmUikUlm> (4)
'Определенное внимание уделяется также исследованиям свойств СВ в слоях антиферромагнетиков [66,67,85-88]
где р - плотность, щ -смещение упругой среды, cijki ~~ компоненты тензора модулей упругости, Щ -h(^ + ё^") ~~ тензР деформации;
Wme = ЬікІтЩкМіМт, (5)
где bijki - тензор констант магнитострикции 4. Входящие в выражение (3) для плотности магнитной энергии члены отвечают плотностям энергии Зеемана, магнитного дипольного взаимодействия, магнитной анизотропии и неоднородного обмена. В общем случае эффективное магнитное поле в (1) может быть записано в виде [16]
H^^H0 + Hm + Ha + Hex + Hme, (6)
где Нех - обменное поле, На - поле анизотропии, Нте - магнитоупругое поле. Полем НФ определяются частота возбуждения и характер СВ. В том случае, когда два последних вклада несущественны, перенос энергии в среде осуществляется за счет дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия и такие СВ, которые для касательно и нормально намагниченных слоев впервые были рассмотрены, соответственно, Дэймоном и Эшбахом [91] и Барьяхтаром и Кагановым [92, 14], принято называть дипольными магнитостатическими волнами (МСВ). Если влияние обменного взаимодействия дает заметный вклад, то распространяющиеся вдоль волновода волны называют дипольно-обменными СВ [93-106]. При учете обменного взаимодействия в феррите помимо электродинамических граничных условий непрерывности тангенциальных полей НТ и нормальных индукций Вп :
ВМ = (2) (7)
где индексы 1 и 2 относятся к контактирующим средам, требуется наложить дополнительные граничные условия на закрепление спинов на поверхности [4], которые в наиболее часто рассматриваемом случае одноосной поверхностной анизотропии могут быть представлены в
виде [4]:
-^-^- + As cos 2Єатх, = О,
HZ. W
--jf- + As cos2 eQmyl = 0,
где As параметр закрепления поверхностных спинов на поверхности пленки s, ^-направление нормали к поверхности s, во -угол между нормалью к поверхности zs и направлением равновесной намагниченности Мп, которая считается направленной по оси z'.
Наконец, магнитострикция может приводить к взаимодействию СВ и упругих волн (УВ) и образованию на частотах фазового синхронизма5 магнитоупругих волн (МУВ) [116]. Для их
4Различают три типа магнитострикции [29]: линейную, которая возникает вследствие зависимости магнитной анизотропии кристалла от деформации, объемную, которая возникает вследствие того, что обменная энергия зависит от деформации, и эффект формы, который возникает вследствие зависимости энергии размагничивания в ограниченном образце от деформации. Применительно к пленкам ЖИГ основную роль играет линейная магнитострикция
5В отсутствии фазового синхронизма МСВ может испытывать эффективное рассеяние на решетке, наведенной ПАВ за счет магнитострикции. Эффекты рассеяния МСВ на ПАВ теоретически рассматривались в работах [107-111], а экспериментально исследовались в работах [112-115].
описания уравнение Ландау-Лифшица (1) следует дополнить уравнением движения упругой
среды [117]:
д2иг доц
р^ = ^' (9)
где
Ъп = 0, (10)
и наличии жесткого акустического контакта на границе пленки (f) и подложки (s), чему отвечает равенство нормальных компонент упругих напряжений Эп и смещений й на границе
*Л=5?*" (11)
Uf = us.
В работе [118] была показана возможность образования на поверхности ферромагнетика магнитоупругого аналога поверхностной волны Гуляева-Блюстейна. Поверхностные маг-нитоупругие волны (ПМУВ) типа Рэлея рассматривались в работах [119-126]. Были также рассмотрены МУВ в ферромагнитном слое при касательном [127, 128] и нормальном [129] намагничивании. В работах [130, 131] были исследованы ПМУВ Лява в структуре пленка на полубесконечной подложке в случае, когда материал пленки или подложки является ферромагнетиком, а также обсуждалось влияние металлизации. ПМУВ Рэлея и Лява в структуре типа ферромагнитная пленка на полубесконечной диэлектрической подложке с учетом неоднородного обмена при произвольной ориентации намагничивающего поля в плоскости пленки были рассмотрены в работе [132]. Была проанализирована также возможность усиления ПМУВ Лява [133, 134] и Рэлея [135] за счет взаимодействия с электронами в структурах типа ферромагнетик-полупроводник. В работе [136] обсуждалась волна типа Стоунли на границе двух ферромагнитных полупространств. Щелевые ПМУВ в полуограниченпых ферромагнетиках рассматривались в работах [137, 138]. Экспериментально ПМУВ исследовались в пластинах [139-142], а также пленках [142-146] ЖИГ. При этом исследовались возможности использования магнитострикции для возбуждения ПАВ в ферритах [139, 142], создания невзаимных устройств на ПМУВ [143, 144] и перестраиваемых СВЧ генераторов [144], а также датчиков магнитного поля [146]. Исследовалась также возможность использования нелинейности ПМУВ для эффективной свертки [141, 144] и параметрического усиления [145] сигналов.
Эффекты резонансного взаимодействия МСВ с объемными упругими модами феррито-вой слоистой структуры, приводящие к образованию "быстрых"МУВ, с фазовыми скоростями Уф много больше скорости звука в среде vs (уф » vs) рассматривались для касательно [127,150-153] и для нормально [147, 149, 150] намагниченных ферритовых слоев. Обсуждалось и влияние электронов на распространение быстрых МУВ в структурах ферромагнетик-полупроводник [150, 151]. Быстрые МУВ в нормально намагниченных ферритовых слоистых структурах были обнаружены в работах [154, 148]. Подробное экспериментальное исследование быстрых МУВ в нормально намагниченных пластинах и пленках ЖИГ было выполнено
в работе [155], где изучались также нелинейные эффекты и особенности формирования быстрых МУВ в пленках ЖИГ с доменной структурой. В работах [156, 157, 104, 58] изучались быстрые МУВ, образованные в результате резонансного взаимодействия ПМСВ со сдвиговыми модами структуры ЖИГ/ГГГ. Сравнение эффективности гибридизации различных типов МСВ (ПОМСВ, ПМСВ и ООМСВ) с упругими модами структуры ЖИГ/ГГГ проводилось в работе [158]. В работе [157] было отмечено улучшение гибридизации МСВ с упругими модами на частотах СВР. Возбуждение упругих волн обменными СВ в пленках ЖИГ с неоднородным распределением параметров по толщине исследовалось в работах [159-161]. Возбуждение магнитоупругих колебаний тонкопленочной структуры методом ФМР исследовалось в работах [162-164], а влияние неоднородного обмена на возбуждение упругих волн магнитостатическими колебаниями в структуре ЖИГ/ГГГ подробно исследовалось в работах [165-168].
Вклад в эффективное поле (6) НФ со стороны полей размагничивания Нт и магнитной анизотропии На не меняет характер названных СВ, однако может существенно повлиять на их частоту. По этой причине пленки гексаферритов, обладающие значительным полем одноосной анизотропии Ни, а также пленки ферромагнитных металлов, имеющие большую намагниченность AttMq, считаются перспективными для разработки устройств на СВ на диапазон частот > 20 ГГц [39]. Эпитаксиальные структуры ЖИГ/ГГГ и пленки феррошпинелей позволяют исследовать распространение МСВ в области частот 1-20 ГГц. Изучение свойств СВ на частотах ниже 1 ГГц (10-1000 МГц) практически не проводилось, поскольку наличие "внутренних" полей анизотропии На не позволяет в большинстве случаев получить частоту возбуждения СВ существенно ниже 500-1000 МГц не приводя при этом к формированию доменной структуры в пленке.
Между тем, задача освоения высокочастотного и нижнего СВЧ диапазонов (10-1000 МГц) является актуальной, поскольку при этом существенно расширяются возможности технических применений СВ. Кроме того, на низких частотах можно ожидать более яркого проявления тех эффектов, наблюдение которых затруднено на СВЧ, например магнитоупругого взаимодействия [169]. Наконец сами слабоанизотропные магнитные материалы представляют определенный интерес, поскольку на их основе могут быть разработаны новые подходы к управлению характеристиками СВ.
Цель работы состояла в поиске слабоанизотропных пленок ферритов гранатов, обладающих малыми полями анизотропии и перспективных для использования в качестве волноводов СВ на частотах 10-1000 МГц; исследовании различных способов управления характеристиками спиновых волн в планарных слоистых структурах на основе слабоанизотропных пленок ферритов; изучении нелинейных явлений при распространении спиновых волн; в разработке методов диагностики параметров ферритовых пленок и новых методов измерения характеристик СВ, а также предложении новых устройств обработки информации СВЧ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения списка цитированной литературы из 526 наименований, изложена на 454 страницах, включая 251 рисунок, 6 таблиц и 2 приложения.
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, отмечается новизна проведенных исследований и дается краткое изложение содержания по главам.
Свойства слабоанизотропных эпитаксиальных ферритовых структур Y3[Fe2-yScy](Fe^xGax)Ol2
Возможность целенаправленного изменения свойств эпитаксиальных пленок ферритов гранатов путем диамагнитного замещения ионов Fei+ в октаэдрических [а] и тетраэдрических (d) позициях широко используется для решения разнообразных задач магнитоэлектроники [170, 171].
К настоящему времени подробно изучено влияние на намагниченность и поля анизотропии диамагнитного замещения ионов Fe ионами Ga, Al, Sc, In, Cr [170]. В работе [171] приведена подборка экспериментальных и расчетных данных зависимости обменной жесткости ЖИГ при легировании Eu, Ga, Sm, La, Gd, Yb, Al, Tm, Ca, Ge, которая показывает возможность изменения параметра обменной жесткости в три раза.
В данной главе рассматриваются результаты исследований магнитных свойств эпитаксиальных пленок Y3,[Fe2-yScy\(Fe -xGax)0\2 при степени замещения х = 0.9 — 1.1, у = 0.2 — 0.3, выращенных на подложках ГГГ ориентации (111) сотрудником ВНИИМЭТ А.В. Маряхиным. Приведены результаты измерений полей анизотропии, констант магнитострикции и неоднородного обмена, а также диссипативного параметра АНд, характеризующего потери МСВ в таких пленках. При легировании эпитаксиальных пленок ЖИГ во избежание возникновения механических напряжений на границе пленка-подложка требуется учитывать зависимость постоянной решетки ЖИГ от степени замещения [170]. Это ограничивает диапазон изменений х и у. В данной работе изучались пленки состава {Yi}[Fe2-yScy](Fe3-xGax)Oi2, где у 0,3, х 1,1 и всегда у х,. При этом степень замещения ионами Ga(x) и Sc(y) определялась косвенным путем из известных [172] зависимостей от величины хну параметра рассогласования Да постоянных решетки пленки оу = aj(x,y) аь = as(x,y) (Аа = Аа(х,у) — as — ay) и намагниченности насыщения 4TTMQ = 4тгМо(х, у). МСВ в пленках ЖИГ наиболее широко исследуются в диапазоне частот / 3 ГГц, где удается наблюдать все основные типы МСВ -ПМСВ, ПОМСВ и ООМСВ. Наблюдение МСВ на частотах / 3 ГГц затрудняют нелинейные процессы первого порядка (трехмагнонные), резко ограничивающие мощность МСВ на частотах / 2 /я при мощности входного сигнала Рш и 10—100 fiW [32, 173]. Исключение составляют ПОМСВ, которые на частотах (/я---2/я) имеют нераспадный спектр. Для ПОМСВ частота /я напрямую связана с полем подмагничивания Но соотношением /я = 7(- 0 — 47гМо). Поэтому при Но — 47TMQ можно ожидать /я — 0 и частота ПОМСВ должна быть сколь-угодно низкой. Однако из-за влияния полей анизотропии значения /я в пленках ЖИГ оказываются /я 300 МГц [174] и описываются в случае пленок ЖИГ на подложке ГГГ ориентации (111) выражением: /я = 7№ - 47riV,Mo + 4TrNtM0 + НС + Hme) (1.1) где считается, что ось z совпадает с нормалью к пленке по которой направлена ось [111], -/V, и Nt - компоненты тензора размагничивания в направлении нормали и в плоскости пленки, соответственно, Nz + Nt = 1, Nt h/D, /і-толщина пленки, .D-длина наименьшей из сторон, Нс -ноле кубической анизотропии, Нте- поле ростовой анизотропии, обусловленное несоответствием постоянных решетки пленки и подложки До приводящим к возникновению за счет магнитострикции полей Нте.
Даже в отсутствии разориентации оси ростовой анизотропии и нормали пленки п очень трудно реализовать строгое совпадение векторов Но и п. Как было показано в [177] для поликристаллических пленок пермаллоя с анизотропией типа легкая плоскость намагниченных нормально даже незначительное (порядка 20 секунд) отклонение Но от нормали ведет к росту частоты /я- Кроме того, в работе [177] отмечалось, что разориентации проекции Но на плоскость пленки и легкой оси приводит к сглаживанию минимума в зависимости /я(Яо). Влияние разориентации Яо и п на характер зависимости /я(Яо) применительно к пленкам ЖИГ впервые было описано в работе [32], а более подробно исследовано в [178].
Таким образом, поля анизотропии и большая намагниченность насыщения затрудняют наблюдение в пленках ЖИГ распространения МСВ на частотах / 300 МГц. Один из возможных путей понижения рабочих частот МСВ - использование легированных пленок ЖИГ, в которых подбором состава удается снизить намагниченность и поля анизотропии [9]. В работе [174] исследовался ФМР в пленках La -замещенного ЖИГ. Ионы La3+ имеют больший ионный радиус в сравнении с вытесняемыми ионами У3+. Поскольку намагниченность ЖИГ обусловлена ионами железа Fe3+ находящимися в октаэдрических (а) и тетра-эдрических (d) позициях, то введение ионов La3+, вытесняющих ионы Y3+ в додекаэдрических позициях (с), намагниченность и кубическую анизотропию меняет слабо, а главным образом меняет рассогласование постоянных решеток пленки а/ и подложки as, делая его отрицательным (as aj) в сравнении с пленками чистого ЖИГ. В этом случае поле Нте меняет знак и оказывается возможным получить взаимную компенсацию полей Нс и Нте (Нс + Нте я» 0). В работе [174] удалось наблюдать ФМР в таких пленках на частотах / « 68 МГц.
Особенности распространения магпитостатических волн в пленках ЖИТ
Исследовались пленки Ga,Sc:2KIir ориентации (111) с параметрами, указанными в таблице 2.1. Значения полей Н/. определялись из ориентационных зависимостей длинноволновой границы спектра МСВ косонамагниченной пленки F9_ o = Fq oif), с помощью соотношения (1.16), аналогично тому ,как это описано в разделе 1.1.3. Поля Ни определялись по положению F9_ o ПОМСВ в нормально намагниченных пленках [174]. Видно, что в сравнении с чистым ЖИГ, где Hj- =-43 Э, Ни =-80 Э, исследуемые пленки обладают меньшими полями анизотропии - являются слабоанизотропными. Пленки, вырезанные в виде прямоугольных пластин со сторонами а=20 мм и Ь=о мм, совпадающими с кристаллографическими направлениями [112] и [ПО], соответственно, помещались на короткозамкнутых микрополосковых преобразователях шириной 30 мкм и длиной 4 мм так, что стороны Ь были параллельны микрополоскам. Расстояние между микрополосками S могло меняться, что использовалось для измерения волновых чисел q = q (f) МСВ [200]. Результаты измерений дисперсионных зависимостей сопоставлялись с соответствующими расчетами. Были также исследованы АЧХ макета типа линии задержки.
Покажем возможность возбуждения МСВ на частотах ниже 100 МГц на примере распространения ПОМСВ в пленках №3 и №6. В пленке толщиной d 14 мкм ATTMQ « 400 Гс возбуждение МСВ начиналось при внешнем поле Но и 310 Э в полосе частот от }т{п « 60 МГц до fmax НО МГц с волновыми числами q w (60 — 120) cm l. Характер дисперсии возбуждаемых волн отвечает ПОМСВ и показан при нескольких значениях поля Щ на рис.2.1. В отличии от [175], частота ПОМСВ с увеличением поля монотонно возрастала.
ПОМСВ, идущими на частотах / 2 /mjn при мощности ПОМСВ Р (2 - 3) мкВт. Пространственный декремент ПОМСВ q с изменением поля существенно не менялся и составлял q" я (6 — 18) ст 1. На рис.2.1 пунктиром показана зависимость AHq = AH(q ), рассчитанная с помощью (1.49). Аналогичные свойства имели ПОМСВ в пленке d я 6 мкм, AKMQ « 360 Гс (пленка №6 таблица 2.1), где возбуждение волн начиналось с частот fmin и 40 МГц при поле Яо ю 225 Э. АЧХ макета при нескольких значениях Яо показана на рис.2.2. Обращают на себя внимание участки "сбоя"и "замирания"интерференции, возникающие при Я0 « 240 Э, которые становились еще более заметными с ростом поля. Положение таких участков отвечает обменным "щелям"в спектре ПОМСВ, т.к. хорошо описывается соотношением (1.43) при значении постоянной неоднородного обмена а я 3 Ю-10 cm2.
Для измерения полей кубической анизотропии Яс использовались зависимости /mm( ) в косонамагниченной пленке, где (р угол между осью [ПО] и проекцией магнитного поля на плос -71 кость пленки. На вставке к рис.2.1. показана такая зависимость fmin(tp) для пленки №3 намагниченной в поле Но и 481 Э ориентированного под углом 9ц 30 к нормали, которая хорошо согласуется с расчетом по формуле (1.16) при Нс = K\/MQ ЯІ —4 Э (К\ и —127 эрг/см ), что существенно меньше чем в чистом ЖИГ, где К\ « —6000 эрг/см , KI/MQ « —43 Э.
Методом двухкристальной рентгенодифрактометрии в положении (444;444) на трехкри-сталыюм рентгеновком дифрактометре в излучении CuKd\ был измерен параметр рассогласования Аа = a,f — as, оказавшийся равным Да и —(0.004....0.006) А. Считая, что упругие модули Са,8с:ЖИГ отвечают чистому ЖИГ, а значение Ащ —0.75 10_6, что соответствует степени легирования ЖИГ ионами Ga, х « 1.0 [218], получим с помощью (1.3) для пленки №3 Нтпе —(112 — 64) Э, для пленки №6 Нте « —(125 — 72) Э. Такие значения Нте хорошо согласуются с условиями возбуждения ПОМСВ на частоте fmin с помощью соотношения (1.1) и оказываются меньше, чем для чистого ЖИГ, где Нте и —(210 — 84) Э.
Рассмотрим теперь свойства МСВ в пленке №2,которая отличается от других пленок знаком поля одноосной анизотропии (Ни 0) - т. е. обладает одноосной анизотропией типа "трудная ось".
АЧХ макета с пленкой №2 при расстоянии между антеннами S яз 5 мм и возбуждении основных типов МСВ, а также отвечающие этим волнам измеренные (точки) и рассчитанные с помощью (1.15) (сплошные линии) дисперсионные зависимости q = q (f) показаны для выбранных значений подмагничивающих нолей HQ на рис.2.3-2.о.Здесь же для соответствующих случаев пунктиром приведены зависимости q = q (f), рассчитанные в пренебрежении полями анизотропии.
Сопоставим теперь вид АЧХ макета типа линии задержки с результатами расчета спектра МСВ.Для случая ПОМСВ (рис.2.5) имеется хорошее соответствие частотного интервала прохождения сигнала с расчетом. В случаях, отвечающих ПМСВ (рис.2.3) и ООМСВ (рис.2.4), наблюдаются "дополнительные"области прохождения сигнала, отмеченные римской П. Указанные области занимают интервалы частот,отвечающие, для соответствующих рис.2.3,2.4 ориентации поля Н$, МСВ, распространяющимся но ширине пленки. Амплитуда сигнала в областях II существенно определялась конфигурацией подводящей линии к микроиолоске, и при использовании Г-образной подводящей линии возрастала (см. линии Иг на рис.2.3, 2.4), а также могла быть изменена вращением образца на микрополосках или выбором формы образца. Отметим, что при изменении расстояния между преобразователями S осцилляции выходного сигнала на фиксированной частоте носили немонотонный характер,!! построение дисперсионных зависимостей в областях II с помощью метода подвижного зонда [200] оказалось невозможным.
Дипольно-обменные и магнитоупругие волны в структурах феррит-полупроводник и феррит-металл
В работах [84,254-256] показано, что влияние проводящих пленок на дисперсию и поглощение ПМСВ, а также на характер отражения ПМСВ периодическими проводящими структурами существенно определяются величиной параметра G = t/(L2CKq), где -толщина проводника, LcK-глубина скин-слоя. Такое влияние на свойства ПМСВ наиболее подробно изучено в двух крайних случаях G « 1 и G » 1, которые характерны для структур типа феррит-полупроводник и феррит-металл, соответственно [74, 75, 257]. При этом влияние проводника на свойства ПМСВ сводится в основном либо к возникновению дополнительных омических потерь (G « 1), либо к изменению дисперсии (G » 1) в сравнении со случаем свободной ферритовой пленки.
Трансформация характеристик ПМСВ в структурах феррит-проводник при непрерывном изменении параметра G в пределах (0, со) рассматривалась в работах [84,256-258]. Одним из результатов, общим для этих работ, является утверждение о возможности для некоторого частотного интервала AF плавного перехода дисперсионных кривых ПМСВ от случая свободной (G — 0) пленки ЖИГ к случаю полностью металлизированной (G — со). При этом в области значений параметра G 1 полученные решения имели мнимую часть волнового вектора q (частоты ш ) одного порядка с действительной частью q (co ) и отвечали нераспространяю-щимся волнам: q q (ш ш).
Отмеченная смена характера решений при значениях G 1 может оказать существенное влияние на их дальнейшую трансформацию с изменением G, если учесть два следующих известных факта. Во-первых, дисперсионное уравнение для ПМСВ как в свободной, так и в односторонне металлизированной пленках допускает неограниченное число решений, относящихся к нераспространяющимся волнам [259] . Во-вторых, такие решения могут перейти в разряд распространяющихся при учете дополнительных взаимодействий [260] в структуре. Можно ожидать, что аналогичное поведение решений при изменении параметра G будет наблюдаться и в структурах феррит-проводник.
В данном разделе приведены результаты исследования трансформации характеристик распространения ПМСВ в металлизированных пленках ЖИГ в зависимости от значений G и проанализировали полученные результаты с учетом множественности решений отвечающих нераспространяющимся волнам. При этом в качестве меняющегося параметра структуры бралась толщина металлической пленки t, поскольку такая ситуация может быть достаточно точно воспроизведена экспериментально в процессе напыления слоя металла на поверхность ЖИГ.
4 вблизи испарителя напыляемого материала 3. Через вакуумноплотные СВЧ вводы макет включался в тракт измерителя 4 разности фаз ФК2-18, который в свою очередь подключался к генератору качающейся частоты 5 и индикаторному блоку 6 прибора для исследования амплитудно-частотных характеристик Х1-42. К выходу индикаторного блока 6 подключался самописец 7 для регистрации АЧХ и ФЧХ макета. Макет состоял из поликоровой платы с приемной 8 и возбуждающей 9 микрополосками шириной 30 мкм, длиной 4 мм , разнесенными на расстояние б мм, на которые накладывалась пленка ЖИГ 10.Конфигурация платы обеспечивала доступ напыляемого материала из испарителя к рабочей поверхности ЖИГ в области между микрополосками на площади 4ж4 mm2. Для контроля сопротивления R напыленного слоя металла на поверхность пленки ЖИГ наносились контактные площадки 11 в форме полосок шириной 0.5 мм по всей длине металлической пленки (см. вставку к рис.3.1). В дальнейшем, при пересчете толщины металла t по значениям R пленки, измеряемым омметром 12, значения площади пленки металла брались без учета площади контактов. Магнитное поле Но ориентировалось в плоскости структуры вдоль микрополосок и создавалось миниатюрным электромагнитом, который также располагался в откачиваемом обьеме 2 и на рис.3.1 не показан.
Для экспериментов брались пленки ЖИГ с параметрами: 4TTMQ = 700 — 1750 Гс, толщина d = 4.5-11.2 мкм, ширина линии ФМР 1&Н = 0.5—0.8 Э. Волны возбуждались на частотах 1-4 ГГц, в диапазоне магнитных полей HQ = 100 — 600 Э. На поверхность ЖИГ напылялись In, Си, №. Регистрировались изменения в АЧХ и ФЧХ макета в зависимости от сопротивления пленки R, которое связывалось с толщиной металлической пленки t и параметром G. Разумеется, на время регистрации АЧХ и ФЧХ напыление приостанавливалось.
Влияние анизотропии и межслойного обмена на распространение МСВ в двухслойных ферритовых структурах
Использование многослойных ферритовых структур в качестве волноводов МСВ представляет интерес с точки зрения расширения возможностей управления их дисперсией и затуханием, а также формирования новых типов сшш-волновых возбуждений [41, 289, 290]. Наиболее полно указанные возможности реализуются в тех случаях, когда частотные диапазоны существования МСВ в отдельных слоях оказываются достаточно близки и возникают области вырождения спектров изолированных пленок - ферритовые пленки, составляющие многослойную структуру, являются, по-существу, связанными волноводами МСВ. В пренебрежении магнито-упругим взаимодействием1 выделяют два основных механизма связи пленочных волноводов: через дипольные поля [64, 292] и через обменное взаимодействие на границах пленок [293, 65]. В случае, когда на границе пленок между постоянными межслойного обмена А и энергии поверхностной анизотропии Ks выполняется соотношение A\2 KS, в формировании спектра спин-волновых возбуждений многослойной структуры заметное участие принимают оба указанных механизма [68]. При этом влияние обменной связи слоев на распространение МСВ наиболее ярко проявляется на частотах синхронизма дипольных и обменных волн структуры и связано, во-первых, с возникновением динамического закрепления спинов на межслойной границе [294]; во-вторых, с процессами формирования единого спектра обменных волн структуры, сопровождающимися возникновением эффекта "расталкивания-[295] мод спин-вол нового резонанса (СВР) слоев в области вырождения. Формирование спектра дипольных МСВ многослойных структур рассматривалось,например, в работах [63,296-303,67,64,292], а в тех случаях когда учитывалась обменная связь слоев в работах [304-315,68,65,295,]. Было показано, что свойства как дипольных так и обменных волн в многослойных структурах существенно отличаются от таковых для изолированных слоев.
Однако, к моменту начала данной работы распространение дипольных и обменных волн в слоистых структурах изучалось, как правило, раздельно. Было известно лишь три теоретические работы, где учитывались эффекты гибридизации дипольных и обменных волн в структуре [65, 292, 68]. Однако в работе [292] обменное взаимодействие слоев не учитывалось (Лі2=0), так что в формировании спектра спин-волновых возбуждений структуры принимали лишь дипольные поля, "провисающие"из пленок в окружающее пространство. В работах [65, 68] были учтены как "обменный"(Ліг Ф 0), так и "полевой"механизмы связи слоев. Это позволило изучить влияние параметра обменной связи слоев на формирование спектра спин-волновых возбуждений структуры. При этом основной акцент делался на исследовании коротковолновой (q 105 см-1) части спектра, которая доступна для исследований методом Бриллюэновского рассеяния света [311, 305]. Было показано, что на частотах синхронизма дипольных и обменных волн, в дисперсии волн возникают "щели", вполне аналогично тому, как это имеет место в одиночных слоях.
Несмотря на указанные аналогии в поведении дисперсионных кривых на частотах синхронизма дипольных и обменных волн одиночных и многоаюйных пленок, в последнем случае речь идет о принципиально новом коллективном возбуждении слоистой структуры [68].
Так, в случае, когда основную роль в формировании единого спектра слоистой структуры играет обменная связь слоев, это проявляется в изменении формы и частотном сдвиге резонансных кривых[310], возникновении эффекта "расталкивания"мод СВР [68]. Кроме того, обменная связь приводит к эффекту динамического закрепления спинов на межслойной границе[310, 294].
Было показано, что процесс формирования спектра СВ структуры существенно определяется типом обменной связи - "ферромагнитная"(Лі2 0) или "анитиферромагпитная"(Лі2 0) [316]. В случае антиферромагнитной связи в спектре СВ возникают поверхностные состояния [316]. В работе [308] было изучено влияние разориентации спинов в слоях на эффективность обменного взаимодействия и динамического закрепления спинов на межслойной границе.
Наиболее распространенные экспериментальные методы исследования СВ структур с меж-слойным обменом включают ФМР [307, 314, 315], СВР [306, 208] и Бриллюэновское рассеяние света [305, 311].
При исследовании формирования спектра дипольных МСВ слоистых структур наибольшее внимание уделялось зависимости спектра от числа и параметров слоев и возможности управления за счет этого дисперсией МСВ [63,296-303,290,67,64]. При этом особое внимание было уделено исследованиям спектра ПМСВ в двухслойных структурах, где оказывается возможным существование на границе между пленками внутренних волн. Отметим, что большинство экспериментальных исследований касалось именно свойств ПМСВ в двухслойных ферритовых структурах.
По-видимому,одной из немногих работ по исследованию свойств дипольных волн в структуре типа "магнитная сверхрешетка", насчитывающей до 90 слоев Fe/Pd, является работа [305].
Таким образом, до сих пор эффекты волноводного распространения МСВ в структурах на основе обмешю-связанных пленок экспериментально не исследовались. Как следствие, остаются не изученными зависимости характеристик МСВ от параметра обменной связи слоев,а также от соотношения параметров закрепления и обменной связи на межслойной границе.
Следует отметить, что экспериментальные исследования СВ в обмешю-связанных структурах были выполнены, главным образом, на пленках ферромагнитных металлов толщинами юо А, и лишь в небольшом числе работ [314, 315] использовались эпитаксиальные пленки разбавленного феррита-граната иттрия толщинами порядка 1 мкм. Для таких структур реализовать волноводный режим распространения СВ до сих пор не удавалось ввиду сильного затухания, обусловленного как большой шириной линии ФМР, так и характером дисперсии СВ в таких тонких слоях.
Похожие диссертации на Спиновые волны в слоистых структурах на основе слабоанизотропных пленок ферритов гранатов
