Введение к работе
,'::..,., і
Актуальность темы.
В настоящее время активно развивается новое направление функциональной микроэлектроники - спин-волновая электроника. Принцип действия устройств спин-волновой электроники основан на возбуждении и распространении когерентных волн намагниченности (или спиновых волн) в монокристаллических ферромагнитных пленках (ФП) с малыми магнитными потерями. С помощью спин-волновых устройств может- осуществляться обработка сигнала непосредственно в сверхвысокочастотном диапазоне: фильтрация, дисперсионная и оездисперсионная задержка, управление фазой, свертка сигналов и др. К основным достоинствам устройств спин-волновой электроники относятся: возможность электрической перестройки центральной частоты и рабочей полосы, малые потери на распространение спиновых волн (СВ), простота их возбуждения и приема. Это делает спин-волновые устройства уникальными с точки зрения применения в системах связи, радиолокации, радионавигации, особенно в миллиметровом диапазоне волн (1 ].
На сегодняшний день наиболее широко применяемым материалом спин-волновой электроники является слабоанизотропный железо-иттриевый , гранат Fe,Y50,j (ЖИГ). Однако на протяжении последних четырех-пяти лет
возрастает также интерес к пленкам сильноанизотропных ферромагнетиков, например, феррошпинели и гексаферрита [2,3]. Использование таких материалов позволило бы существенно расширить рабочий диапазон устройств, повысить рабочую частоту,а также уменьшить вес и габариты магнитной системы.
В настоящее время"н'аиоолее строгое описание спин-волновых процессов дает, дипольно-обменная теория, то есть теория, учитывающая наряду с зеемановским идиполь-дигсольным и неоднородное обменное взаимодействие в спин-системе ферромагнетика. Кроме того, эта теория учитывает также особенности состояния спинов на поверхностях пленки (обменные граничные условия).
В рамках дипольно-обменной теории был получен целый ряд результатов для изотропных ФП: исследован спектр СВ в свободных и экранированных ФП, построена теория линейного и параметрического
-і -
возбуждения СВ. Эти результаты позволяют, в свою .очередь, рассчитывать рабочие характеристики реальных спин-волновых устройств.
Исследования, посвященные возбуждению и распространению СВ в анизотропных ферромагнитных пленках (АФП), как правило, ограничиваются частными случаями, соответствующими конкретной кристаллографической ориентации пленки и ориентации внешнего магнитного поля. Исключение составляют работы (см., например, [41), где построена' теория спектра СВ в свободных (т. е. без учета влияния металлических экранов) АФП с произвольной кристаллографической ориентацией при произвольном направлении внешнего магнитного поля. Анализ влияния анизотропии на спектр СВ, проведенный в этих работах, показал необходимость учете анизотропии даже в случае использования слабоанизотропных пленок ЖИГ.
Учет анизотропии ФП представляет интерес также и с точки зрения температурных характеристик спин-волновых устройств. На сегодняшний день проблема термостабильности характеристик спин-волновых устройств является наиболее серьезным фактором, ограничивающим их внедрение. <. Цепью диссертационной работы является построение теории спектра и возбуждения дипольно-обменных спиновых волн в "экранированных анизотропных ферромагнитных пленках и разработка методики расчета рабочих характеристик спин-волновых устройств на однородно намагниченных под произвольными углом к поверхности экранированных анизотропных ферромагнитных пленках.
В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования являются:
-
Теоретическое исследование влияния кубической и одноосной магнитной кристаллографической анизотропии на дисперсионные характеристики дипольно-обменных спиновых волн в экранированных АФП.
-
Теоретическое исследование влияния кубической и одноосной анизотропии на характеристики линейного возбуждения дипольно-обменных спиновых волн в экранированных АФП.
З.Создание методики расчета рабочих характеристик спин-еопиовых устройств на анизотропных ферромагнитных пленках.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Р.шена грэничная задача о спектре нормальных дипольно-обменных спиновых волн в экранированных анизотропных ферромагнитных пленках с произвольной кристаллографической ориентацией при произвольном
направлении внешнего постоянного магнитного поля. Получены аналитические выражения для. закона дисперсии спиновых волн в анизотропных ферромагнитных пленках со свободными и закрепленными поверхностными спинами.
-
Построена теория линейного возбуждения дилольно-обменных спиновых волн в экранированных анизотропных ферромагнитных пленках с произвольной кристаллографической ориентацией при произвольном направлении внешнего постоянного магнитного поля.Получены аналитические выражения для спин-волновых функций Грина, описывающих отклик спин-системы анизотропной ферромагнитной пленки на стороннре сверхвысокочастотное магнитное поле.
-
Получены выражения для сопротивления излучения микрополосковых антенн спиновых волн в экранированных анизотропных ферромагнитных пленках.
Новые научные результаты, .полученные в ходе диссертационного исследования, позволили сформулировать научные положения, выносимые нз зашиту:
1. Влияние кубической анизотропии на спектр спиновых волн в
перпендикулярно намагниченной экранированной ферромагнитной пленке
приводит к зависимости частоты спиновых волн от ориентации волнового
.вектора относительно кристаллографических осей, лежащих в плоскости пленки. В пленках с ориентациями (111) и (100) анизотропия сдвигает дисперсионную зависимость по частоте, что может быть описано эквивалентным изменением внутреннего магнитного поля.
Нормальная одноосная анизотропия приводит к увеличению обственной частоты спиновых волн.
2. При касательном -намагничивании влияние кубической анизотропии
проявляется в зависимости частоты спиновых волн от ориентации как
волнового вектора, так и вектора равновесной намагниченности по
отношению к кристаллографическим осям, лежащим в плоскости пленки.
Нормальная одноосная анизотропия приводит к уменьшению собственной частоты спиновых волн.
3. Влияние магнитной анизотропии произвольного типа на сопротивление
излучения микрополосковой антенны спиновых волн в перпендикулярно
намагниченной экранированной АФП при неизменной длине спиновой волны
может быть описано только изменением частоты возбуждаемых спиновых
волн. В соответствии с этим в АФП имеет место зависимость величины
сопротивления излучения от ориентации волнового вектора
возбуждаемых спиновых волн относительно кристаллографических осей, лежащих в плоскости пленки. О пленках с ориентаииями (111) и (100) анизотропия приводит только к сдвигу частотной зависимости сопротивления излучения, описываемому эквивалентным изменением внутреннего магнитного поля.
4. Влияние кубической анизотропии на сопротивление излучения
микрополосковой антенны спиновых волн в касательно намагниченной
экранированной АФП проявляется в зависимости сопротивления излучения
как от ориентации волнового вектора, так и от ориентации вектора
равновесной намагниченности относительно кристаллографических осей,
лежащих в плоскости пленки. Для продольных волн влияние анизотропии
описывается, как и при перпендикулярном намагничивании, только
изменением частоты спиновых волн. Для поперечных волн влияние
анизотропии имеет более сложный характер и не может быть описано только
изменением частоты возбуждаемых волн. »
Одноосная нормальная анизотропия в касательно намагниченной пленке приводит к увеличению сопротивления излучения.
5. Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) бегущих дипольно-обменных
спиновых волн определяется конкуренцией между температурными
зависимостями намагниченности насыщения пленки и поля магнитной
анизотропии. Их относительные вклэды в ТКЧ зависят от
размагничивающих факторов анизотропии и интенсивности диполь-
дипольного взаимодействия. Путем подбора кристаллографической
ориентации пленки, внешнего магнитного поля, величины и направления
волнового вектора относительно кристаллографических осей может быть
достигнута полная ил'и частичная компенсация двух конкурирующих
температурных зависимостей, т.е, обеспечена термостабилизация частоты
спиновых волн.
Так. например, для частот 6-см диапазона длин волн при касательном намагничивании минимальное значение ТКЧ поперечной волны достигается в пленках с кристаллографическими ориентациями (100), (110), (210), (211) при распространении волны вдоль направлений (001), (001), .(001), (215) соответственно.
Практическая ценность работы: 1. В работе получен ряд соотношений, которые могут быть непосредственно
использованы для инженерного расчета слин-волновых устройств с
многозлементными антеннами, использующих экранированные АФП с любым типом анизотропии при произвольной ориентации внешнего постоянного магнитного поля.
-
Разработана методика расчета основных рабочих характеристик спин-волновых устройств на экранированных анизотропных ферромагнитных пленках.
-
Создано программное обеспечение, позволяющее проектировать спин-волновые устройства с заданными характеристиками и анализировать зависимость этих характеристик от различных параметров. В частности, учет температуры в расчетных соотношениях дает возможность рассчитывать термостабильные спин-волновые устройства. Созданное программное обеспечение может функционировать как самостоятельно, так и в составе САПР.
Апробация работы: результаты работы были представлены на международных, всесоюзных и региональных конференциях, в том числе:
-
6th International School on microwave physics and technique MWS-89 (1989 г., Bulgaria, Varna).
-
2 International symposium on surface waves in solids and layred structures ISSWAS-89 (1989, Bulgaria, Varna)
-
35th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials MMM-90 (1990, California, San-Diego)
-
на 4й Всесоюзной школе-семинаре "Спин-волновая электроника СВЧ" (1989г., Львов).
-
на 4м семинаре По функциональной магнитозлектронике (1990г., Красноярск).
-
на 5й Всесоюзной школе пс спин-волновой электронике СВЧ (1991, Звенигород).
-
на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ (1989-1990г., Санкт-Петербург).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи и 7 тезисов на международных и всесоюзных конференциях.
Структура и ппъем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложения и списка литературы, включающего 89 наименований. Основная часть работы изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 50 рисунков.
