Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы исследования 19
1.1 Магнитооптические эффекты 19
1.2 Методы эффективной среды в оптике и магнитооптике дисперсных сред 25
1.2.1 Определение методов эффективной среды . 28
1.2.2 Приближение Максвелла-Гарнетта. 31
1.2.3 Приближение Бруггемана (EMA). 33
1.2.4 Симметризованное приближение Максвелла-Гарнетта (СМГ). 31
1.2.5 Размерный эффект в оптических спектрах. 36
1.2.6 Расчет полного тензора диэлектрической проницаемости в приближениях МГ, EMA и СМГ. 39
1.3 Оптические и магнитооптические спектры магнитных нанокомпозитов 45
1.4 Магниторефрактивный эффект в наноструктурах 55
1.5 Магниторезистивный эффект в приборах наноэлектроники. Возможности бесконтактного измерения магнитосопротивления. 71
Глава 2. Магниторефрактивный эффект в нанокомпозитах 74
2.1 Особенности частотной зависимости МРЭ для нанокомпозитов. 74
2.2 Теория МРЭ в нанокомпозитах. Модель полубесконечного пространства и бесконечно тонкой пленки . 79
2.3 Зависимость МРЭ при малых углах падения света от магнитосопротивления нанокомпозита. МРЭ как бесконтактный способ измерения магнитосопротивления нанокомпозита. 83
2.4 Сравнение рассчитанного эффекта с экспериментальными данными. 88
2.5 Выводы к главе 2. 97
Глава 3. Магниторефрактивный эффект в манганитах 98
3.1 Теория МРЭ в манганитах без учета частотной зависимости проводимости. 98
3.2 Возможности усиления МРЭ в магнитофотонном кристалле. 98
3.3 Теория МРЭ в манганитах в рамках двухфазной модели проводимости . 107
3.4 Выводы к Главе 3. 114
Глава 4. Магнитооптика нанокомпозитов 115
4.1 Влияние размерного эффекта на диагональные и недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости. 115
4.2 Учет конфокальности эллипсоидальных частиц эффективной среды. 118
4.3 Расчет магнитооптических спектров нанокомпозитов с учетом размерного эффекта. 120
4.4 Выводы к Главе 4. 129
Глава 5. Особенности магнитопрохождения и магнитоотражения в металлических нанослоях. особенности оптических и магнитооптических спектров гибридных мультислоев . 130
5.1 Расчеты магнитопрохождения и магнитоотражения металлических нанослоев Fe/Cr.
131
5.2 Оптические спектры гибридных мультислоев CoSiO2 136
5.3 Магнитооптические спектры гибридных мультислоев CoSiO2 141
5.4 Выводы к Главе 5. 147
Глава 6. Высокочастотный магнитоимпеданс в нанокомпозитах 148
6.1 Особенности магнитопрохождения в нанокомпозитах в высочастотной области 148
6.2 Расчет магнитопрохождения в нанокомпозитах в ысочастотной области в рамках теории МРЭ. МРЭ как бесконтактный способ измерения магнитосопротивления нанокомпозита 152
6.3 Выводы к Главе 6. 159
Глава 7. Термоэдс в магнитных нанокомпозитах 160
7.1 Термоэдс и туннельная термоэдс в магнитных гранулированных сплавах. 160
7.2 Формула для полевой зависимости термоэдс. Анализ полученных результатов для магнитных нанокомпозитов. 165
7.3 Выводы к Главе 7. 169
Заключение 170
Список опубликованных по теме диссертации работ 174
Литература 183
- Определение методов эффективной среды
- Теория МРЭ в нанокомпозитах. Модель полубесконечного пространства и бесконечно тонкой пленки
- Теория МРЭ в манганитах в рамках двухфазной модели проводимости
- Оптические спектры гибридных мультислоев CoSiO2
Определение методов эффективной среды
Исходные параметры компонент є и у были получены экспериментально на однородных пленках Со и Сu. Рассчитанные в приближении ЕМА спектры ЭЭК оказались в удовлетворительном согласии (при Е 2.5 эВ) с экспериментальными данными (рис. 1.6). Расхождение между рассчитанными и полученными экспериментально спектрами на рис. 1.6 в области энергий ha 2.5eV, объясняется спецификой эксперимента. В этом диапазоне энергий амплитуда эффекта регистрируется несколько заниженной, из-за необходимости увеличения щели монохроматора. В рамках данного приближения был описан экспериментальный факт зависимости МО спектров от концентрации магнитной компоненты Со и было показано, что форма гранул оказывает значительное влияние на МО свойства пленки [87]. Лучшее согласие с экспериментом получается при концентрации х несколько меньшей нежели экспериментальная. Можно предположить, что реально концентрация магнитной компоненты несколько ниже концентрации заданной при изготовлении образцов.
До недавнего времени из класса гранулированных сплавов металл-диэлектрик был исследован только Co-CuO. Образцы COxCuOi-x получались путем тщательного перемешивания порошков Со и СиО и последующего прессования в «таблетки» толщиной 2 мм и диаметром 15 мм. Далее производился отжиг полученных образцов в вакууме. Были получены данные о микроструктуре, химическом составе, сформировавшихся после отжига фазах образцов, показано наличие в образцах CuO, Cu2O, Co и Cu [9]. Система CoxCuO1-x является системой ферромагнитный металл - диэлектрик. Проведенные исследования показали наличие перколяционного перехода в районе x=0.23.
МО свойства этой системы исследовались при комнатной температуре в геометрии ЭЭК в диапазоне энергий падающего света 1-4 эВ [9]. Результаты эксперимента изображены на рис. 1.6. На этом же рисунке представлены результаты, полученные в рамках EMA теории. Как видно из этого рисунка расчетная концентрация меньше экспериментальной. Обычно это объясняется расходом ферромагнитной компоненты при изготовлении образца, т.е. наличием окисления, изолированных магнитных атомов и/или частиц размеры которых меньше критического размера однодоменности.
Однако, разница между экспериментальной и рассчитанной концентрациями увеличивается при увеличении содержания магнитной компоненты [9]. Такой результат трудно объяснить наличием окисления, так как при увеличении концентрации уменьшается доля поверхности ферромагнитной компоненты, следовательно, окисленной части должно быть меньше. Поэтому было предположено, что оптические и МО свойства кобальта в образцах отличаются от свойств кобальта, определенных на предыдущих пленках и похожих на свойства массивного кобальта [9]. Это предположение было подтверждено экспериментально при исследовании пленки из этого чистого кобальта. Строго говоря, приближение ЕМА не может быть применено к образцам из этой серии, так как структурные исследования показали, что размеры частиц в них сравнимы с длиной волны падающего излучения. Однако, такое удачное совпадение расчетных спектров с экспериментальными дает возможность предположить, что эти большие частицы неоднородны и состоят из более мелких окисленных по поверхности частиц. В этом случае приближение ЕМА может быть успешно применено.
На примере проведенных исследований МО свойств гранулированных пленок CoAg, CoCu, CoCuO видно, что свойства гранулированных сред определяются огромным числом параметров и связаны с ними сложным образом. Во-первых, эти свойства определяются свойствами материалов компонент составляющих образец и зависят от способа его приготовления. Во-вторых, от концентрации, формы частиц и магнитного состояния образца.
Теория МРЭ в нанокомпозитах. Модель полубесконечного пространства и бесконечно тонкой пленки
В работе [108] для сплавов металл-металл было получено изменение знака МРЭ при изменении частоты. (Рис 1.11). Однако этот результат не получил теоретического обоснования.
Интересной задачей является исследование МРЭ в видимой области спектра, которое сейчас находится в начальной стадии. Согласно (1.42) при переходе от ИК к видимой области спектра вклад, определяемый МС, должен уменьшаться и поэтому для видимой области спектра, имеющей наибольшее практическое значение, этот вклад можно наблюдать только в магнетиках с чрезвычайно высокими значениями Лр/р, какими являются манганиты с колоссальным МС. В работах [97, 109] было показано, что в видимой области спектра четный эффект магнитоотражения вблизи температуры Кюри (ТС) в манганитах Lao.7Cao.3Mn03 и (Рго.4Ьао.б)о.7Сао.зМп03 может достигать 2% (при наклонном падении света под углом 45о в поле 7 кЭ), что на о дин-два порядка больше традиционных нечетных магнитооптических эффектов при тех же температурах и длинах волн, хотя и существенно меньше, чем МРЭ в ИК области. Эффект исследовался только на отражении, когда отражение от подложки может существенно влиять на величину и спектральную зависимость МРЭ тонких пленок [110], и связывался с влиянием сильного магнитного поля на поляроны [109].
При исследовании МРЭ в манганитах в видимой области спектра возникает ряд принципиальных трудностей. Во-первых, в этой области четные магнитооптические эффекты, определяемые как вкладами в диагональные элементы, так и недиагональными компонентами тензора диэлектрической проницаемости, отнюдь не малы и могут давать значительные вклады в магнитоотражение и магнитопропускание (см., например, [111] и ссылки в этой работе). Экспериментальное разделение вкладов четных по полю и намагниченности магнитооптических эффектов и МРЭ остается нерешенной проблемой. Во-вторых, в манганитах приложение сильного магнитного поля может влиять на соотношение различных магнитных фаз, электронную структуру и на межзонные переходы, одновременно изменяя как первый, так и второй член в выражении (1.42). В-третьих, достаточно сильное магнитное поле может изменять и характерные резонансные частоты взаимодействия света с манганитами, например, за счет магнитострикции или эффекта Яна –Теллера.
В [32, 112] приведены результаты исследования магнитоотражения и магнитопропускания в видимой области спектра эпитаксиальных пленок La0.7Ca0.3MnO3 и La0.9Ag0.1MnO3 различной толщиной. Причиной выбора разных составов являлось изучение влияния одно- и двухвалентного замещения лантана на МРЭ. Для этих составов хорошо изучены магнитные, магнитотранспортные и оптические свойства, а также особенности МРЭ в ИК-области спектра [110, 113], что позволяет провести сравнительный анализ механизмов магнитоотражения и магнитопропускания в видимой и ИК-области спектра.
В работе [114] представлены результаты изучения природы эффектов AR/R и At/t в видимой и ИК областях спектра в манганитах с колоссальным магнитосопротивлением. В качестве модельного материала был выбран состав Ьа Са МпОз с хорошо изученными свойствами. Образцами служили эпитаксиальные пленки на подложках (ООІ)ЬаАЮз, полученные методом химического осаждения из паров металлоорганических соединений (MOCVD), а также монокристаллы, выращенных методом зонной плавки с радиационным нагревом, с различной степенью однородности химического состава полированной поверхности. Необходимость исследования магнитоотражения в монокристаллах обусловлена деформацией спектров ИК отражения плёнок за счёт вклада отражения от границы плёнка-подложка. Были обнаружены гигантские эффекты магнитоотражения и магнитопропускания неполяризованного света в легированном манганите в широкой спектральной области [114].
Спектры AR/R кристаллов имеют максимумы +2% и 4 % при ДА,=12-15 мкм, близкому значению времени релаксации носителей заряда т 5 10 15 с, что соответствует теории МРЭ (Рис. 1.12а). Оценка AR/R согласно [27] дала максимальное значение +5% для кристалла 1, что близко к экспериментальным данным. Сравнение результатов для кристаллов 1 и 2, различающихся по однородности химсостава (кристалл 2 менее однороден, чем кристалл 1), свидетельствует о том, что композиционные (и соответствующие магнитные) неоднородности поверхности уменьшают величину AR/R [114].
Теория МРЭ в манганитах в рамках двухфазной модели проводимости
В работе [12] при построении СМГ для описания магнитооптических спектров не были учтено, что эллипсоидальные частицы среды должны быть конфокальны, то есть их фокусы должны совпадать. Это необходимо для более корректного заполнения ячеек эффективной среды. Отметим, что в нанокомпозитах все частицы среды могут иметь разные факторы-формы. Частицы эффективной среды рассматривались, как эллипсоиды с двумя равными полуосями, поэтому достаточно рассмотреть задачу конфокальности для полуоси эллипса; Ь2=а2-с2; є - эксцентриситет для вытянутого и сплюснутого эллипсов соответственно. Это известные формулы, связывающие эксцентриситет и полуоси эллипса. Используя (4.5), зная форм-факторы магнитных частиц и применяя формулы из [145] : для сплюснутого эллипса, можно, решив трансцендентные уравнения (4.6, 4.7), найти полуоси а и Ъ магнитных частиц. Принимая во внимание, что объемная концентрация частиц есть: для частиц типа Б, где v - объемы соответствующих частиц, найдем a и b для немагнитных частиц и далее из (4.8), (4.9) найдем интересующие нас форм-факторы для немагнитных частиц. Учет конфокальности позволяет улучшить описание ферромагнитных гранулированных сплавов в приближении СМГ.
Расчет магнитооптических спектров нанокомпозитов с учетом размерного эффекта. Расчеты оптических и МО спектров проводились в СМГ [12, 51] и EMA[24] для гранулированного сплава Co-А1203 c объемной концентрацией Co х равной 45-49%. Выбор данного сплава определяется тем, что для него хорошо известны все оптические и магнитооптические параметры [24], микроструктура [24] и по составу он близок к порогу перколяции. Считалось, что все частицы являются однодоменными сферами или эллипсоидами вращения, имеют одинаковый размер и форму. Оптические и МО данные для Co и Al203 были взяты из [24, 146].
На рис. 4.1 и рис. 4.2 представлены результаты выполненного в приближении Бруггемана расчета действительной и мнимой части єи/ соответственно для сплава Co-А1203 с концентрацией Co равной 45%, из которого видно, что в ближней ИК области спектра размер гранул оказывает значительное влияние на спектры диагональной и недиагональной компонент эффективного ТДП, а следовательно и на оптические спектры. Чем меньше размер частиц, тем сильнее это влияние (Рис. 4.1, 4.2). Этот эффект проявляется только при концентрациях гранул х = 0.4-0.6. Именно поэтому в ранней работе [24] не обнаружено влияния размеров частиц на рассчитанные в МГ оптические спектры гранулированных сплавов при х 0.2. Следует также подчеркнуть, что чем меньше вклад межзонных переходов в оптическую проводимость, тем больше роль размерного эффекта.
На рис. 4.3 представлены спектры экваториального эффекта Керра (ЭЭК) 8(G)), рассчитанные для того же сплава. Параметр 8 (со) определяется как у так и є [12]. Как видно из рис. 4.3, размерный эффект оказывает очень сильное влияние на МО спектры в ближней ИК области, изменяя их амплитуду и профиль. Столь сильное влияние связано с тем, что 8 (со) линейно зависит от у нелинейно от [12] и в обеих этих функциях как в реальной, так и в мнимой частях проявляется РЭ. Без учета РЭ в АЭХ изменения спектров за счет РЭ в у и є одного порядка (Рис. 4.3) и как видно приводят к увеличению ЭЭК. Дополнительный учет РЭ в АЭХ может как усилить, так и ослабить ЭЭК, что определяется знаком
Оптические спектры гибридных мультислоев CoSiO2
Впервые рассмотрены возможности усиления магниторефрактивного эффекта. Доказано, что в условиях интерференции, а также при использовании наноструктур в качестве дефекта в фотонных кристаллах величина магниторефрактивного эффекта значительно возрастает.
Построена, основанная на двухфазной модели проводимости, теория магниторефрактивного эффекта (МРЭ) в манганитах.
Впервые продемонстрировано, что форм-фактор частиц эффективной среды значительно влияет на величину магниторефрактивного эффекта (МРЭ). Показано, что спектры МРЭ сильно зависят от магнитопроводимости и оптических свойств тонких пленок и кристаллов манганитов, что позволяет использовать данный эффект в качестве важного инструмента измерения магнитосопротивления и других оптических и магнитооптических характеристик манганитов.
Выполнены модельные расчеты магнитопропускания и магнитоотражения многослойной плёнки, состоящей из нанослоёв Cr и Fe в рамках теории магниторефрактивного эффекта. Показано, что наряду с толщиной большое влияние как на величину, так и спектральную зависимость магнитопропускания и магнитоотражения, оказывает эффективное время релаксации, плазменная частота и параметр спиновой асимметрии. Доказано, что даже для тонких пленок, обладающих незначительным магнитосопротивлением (МС), эффекты магнитоотражения и магнитопропускания превышают традиционные магнитооптические эффекты(например, экваториальный эффект Керра в ферромагнетиках), что обусловливает перспективность этих новых эффектов для создания устройств магнитофотоники.
Впервые теоретически обосновано, что размерный эффект оказывает существенное влияние на магнитооптический отклик гранулированной системы вблизи порога перколяции в ближней ИК области. При этом размерный эффект изменяет амплитуду, профиль и даже знак магнитооптических эффектов в ближней ИК области спектра.
Теоретически обоснована важность учета размерного эффекта в системах с большим аномальным эффектом Холла, в частности для магнитных нанокомпозитов.
Расчеты оптических и магнитооптических спектров гибридных систем обосновали, что аномально высокое оптическое поглощение и высокая магнитооптическая активность в гибридных мультислоях связаны с близостью композиционного состава слоев к порогу перколяции и наличием интерференции.
В частотном диапазоне 30-50 ГГц исследован коэффициент прохождения электромагнитных волн через пленки магнитных нанокомпозитов ”ферромагнитный металл-диэлектрик”, обладающих туннельным магнитосопротивлением и магниторефрактивным эффектом. Рассмотрены случаи, когда образцы находятся вблизи и вдали ферромагнитного резонанса. Расчетами продемонстрирована линейная корреляция между изменением коэффициента прохождения и магнитосопротивлением, что позволяет рассматривать данный результат с точки зрения бесконтактного измерения магнитосопротивления.
Впервые теоретически доказано, что полевая зависимость термоэдс в магнитных гранулированных сплавах Co-Al2O3 и Fe-Al2O3 с туннельным типом проводимости связана с туннельной термоэдс. Впервые получена формула для ее полевой зависимости. Результаты работы могут найти применение для объяснения оптических и магнитооптических свойств систем металл-металл, металл-диэлектрик, гибридных мультислоев ферромагнитный металл-полупроводник, многослойных магнитных систем и манганитов, для бесконтактного контроля твердотельных элементов памяти, сенсоров с магнитосопротивлением, а также для поиска новых материалов с повышенным оптическим и магнитооптическим откликом.
