Д.ф.м.н. Рандошкин В.В., д.ф.м.н. Салецкий А.М., к.ф.м.н. Усманов Н.Н.

Московский государственный университет им. М. В .Ломоносова, Физический факультет,Москва, Россия

Ферромагнитный резонанс в эпитаксиальных пленках (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 и (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210)

 

Висмут-содержащие монокристаллические пленки феррит-гранатов (Вс-МПФГ), выращенные методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из переохлажденного раствора-расплава, являются перспективными материалами для различных магнитооптических устройств [1-7].

Фундаментальной особенностью ЖФЭ является нестационарность начальной и заключительной стадий эпитаксиального роста. Как следствие, в Вс-МПФГ формируются переходные поверхностные слои подложка/пленка и пленка/воздух, отличающиеся по химическому составу и физическим параметрам от основного объема пленки [8,9]. Информацию о переходных поверхностных слоях несут спектры ферромагнитного резонанса (ФМР) [10,11].

Динамические свойства магнитных материалов, включая ФМР, во многом определяются параметром затухания. Диссипацию в магнитных материалах оптимально характеризует приведенный параметр затухания Ландау-Лифшица Λ [12], однако на практике чаще используют безразмерный параметр Гильберта α [13,14]. Значения Λ для редкоземельных ионов определены в работе [13]. Медленно релаксирующими являются немагнитные ионы Lu3+, Y3+, La3+, а также магнитный ион Gd3+. Наименьшим параметром затухания и, как следствие, наибольшей подвижностью доменных стенок (ДС) обладают монокристаллы Y3Fe5O12 [15].

В Вс-МПФГ с ориентацией (111) и достаточно малым затуханием (α ≤ 0.15) реализуется механизм движения (ДС), сопровождаемый генерацией микродоменов перед движущейся ДС [16]. Этот эффект объясняется излучением спиновых волн (СВ) движущейся ДС [17]. При α > 0.15 излучение СВ движущейся ДС приводит к уширению ее изображения [18-20]. В Вс-МПФГ с ориентацией (111), не содержащих быстрорелаксирующих ионов, приложение планарного магнитного поля приводит к подавлению генерации микродоменов перед движущейся ДС [21,22].

В МПФГ с ориентациями (110) и (210), не содержащих быстрорелаксирующих ионов, но обладающих ромбической магнитной анизотропией (РМА), генерация микродоменов перед движущейся ДС не наблюдается, а имеет место только уширение изображения движущейся ДС [23-26]. Это позволило заключить, что и приложение планарного магнитного поля, и наличие РМА вызывает усиление диссипативных процессов в Вс-МПФГ.

Целью настоящей работы являлось сравнение ФМР в Вс-МПФГ (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 и (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210). Пленки (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 не содержат быстрорелаксирующих ионов, а их эффективное значение гиромагнитного отношения – такое же как у иона Fe3+. Ион Tm3+ среди быстрорелаксирующих редкоземельных ионов вносит наименьшее затухание, при этом Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 могут иметь повышенное гиромагнитное отношение, которое определяется формулой Киттеля:

                      g = g0 (MFe + MTm)/MFe,                                                  (1)

 

где MTm - намагниченность додекаэдрической подрешетки, обусловленная ионами Tm3+, MFe - суммарная намагниченность тетра- и октаэдрической подрешеток, обусловленная ионами Fe 3+.

Ионы Lu3+ и Tm3+на пару с ионами Bi3+создают достаточно слабую магнитную анизотропию, так что сигнал ФМР для всех исследованных Вс-МПФГ наблюдается при любых направлениях постоянного магнитного поля.

Исследуемые Вс-МПФГ выращивали на подложках Gd3Ga5O12 с ориентацией (210) из раствора-расплава на основе Bi2O3 - B2O3.

Измерения проводили с помощью спектрометра Е-4 фирмы «Varian», который был настроен на частоту ω/2π = 9.34 ГГц. Переменное магнитное поле прикладывали в плоскости пленки. Для изотропного образца ФМР на этой частоте имеет место при постоянном магнитном поле His  ≈3400 .. Если при перпендикулярном (параллельном) резонансе резонансное поле H^ < His (H׀׀ > His), то образец обладает одноосной магнитной анизотропией, а при H^ > His (H׀׀ < His) – анизотропией типа «легкая плоскость».

Ориентация внешнего магнитного поля определяется азимутальным φ и полярным θ углами, причем φ задает направление в плоскости пленки, а θ  - относительно нормали к пленке.

На рис. 1 показаны спектры параллельного резонанса для Вс-МПФГ (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12, причем соседние спектры получены при направлениях внешнего магнитного поля, отличающихся на 1800. Видно, что формы этих соседних спектров, диапазоны внешнего магнитного поля и амплитуды пиков поглощения в общем не различаются.

Из рис. 1 видно, что спектр ФМР при параллельном резонансе содержит, по меньшей мере, два пика. Более интенсивный пик (при меньшем магнитном поле) связан с основным объемом пленки, а высокополевой пик – с переходным поверхностным слоем, который имеет более высокую магнитную анизотропию. Если направление внешнего магнитного поля варьируется, спектр ФМР трансформируется, но во всех случаях более интенсивный пик лежит слева.

При параллельном резонансе ширина линии ФМР ΔН для обоих пиков практически одинакова и не зависит от направления внешнего магнитного поля в плоскости пленки (рис. 1).

При перпендикулярном резонансе (θ = 00) два основных пика не совпадают, а при некотором θ они перекрываются. при этом ширина линии ФМР увеличивается примерно вдвое. Это свидетельствует о росте диссипации энергии при совпадении резонансных частот для основного объема пленки и переходного поверхностного слоя.

 

Рис. 1. Спектры параллельного резонанса (θ = 0) для Вс-МПФГ (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) при различных значениях азимутального угла φ, град, 40 (a); 80 (b); 140 (c); 180 (d); 220 (e); 260 (f); 320 (g); 360 (h).

На рис. 2 для Вс-МПФГ (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 показаны азимутальные зависимости для двух основных пиков в спектре ФМР. Видно, что резонансное поле для основного объема пленки (кривая 1), имеющего пониженную магнитную анизотропию, сильнее изменяется, чем для слоя с повышенной анизотропией (кривая 2). Максимумы на кривых 1 и 2 практически эквидистантны, что отражает кристаллографическую двуосность.

 

Рис. 2. Азимутальные зависимости резонансных полей параллельного резонанса для Вс-МПФГ (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) для основного объема пленки (1) и переходного поверхностного слоя (2).

 

Полярные зависимости резонансных полей для двух основных пиков показаны на рис. 3. Видно, что как и в спектре параллельного резонанса максимумы на кривых 1 и 2 практически эквидистантны.

 

Рис. 3. Полярные зависимости резонансных полей (φ= 2100) для Вс-МПФГ (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) для основного объема пленки (1) и переходного поверхностного слоя (2).

 

На рис. 4 показаны спектры параллельного резонанса для Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) при азимутальных углах φ, различающихся на 1800. Видно, что в отличие от Lu-содержащих пленок (рис. 1) спектр ФМР Tm-содержащих пленок содержит только одну линию, а амплитуды линий на рис 4, a и b различаются, хотя резонансные поля и ширина линий ФМР одинаковы.

Наличие только одной линии в спектре ФМР для Tm-содержащих Вс-МПФГ (рис. 4) означает, что переходной поверхностный слой обладает повышенным γ, и для него резонансное поле выходит за пределы развертки ФМР-спектрометра, а интенсивность линии снижается до уровня шума. 

Азимутальные зависимости резонансного поля для Tm-содержащих Вс-МПФГ с ориентацией (210) (рис. 5), как и для Lu-содержащих пленок (рис. 2), обладают 1800 симметрией. Видно, что резонансное поле в зависимости от φ изменяется от Hmin ≈ 3130 Э до Hmax ≈ 3630 Э, т.е. магнитная анизотропия в плоскости пленки невелика.

 

Рис. 4. Спектры параллельного резонанса (θ = 90) для Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) при азимутальных углах φ, град: 30 (a); 210 (b).

 

При изменении полярного угла в плоскостях, перпендикулярных плоскости пленки, при разных φ формы линии ФМР и диапазоны магнитных полей, которые они занимают, для θ и θ + 1800, не отличаются.

При варьировании полярного угла резонансное поле (рис. 6) изменяется сильнее, чем при варьировании азимутального угла (рис. 5). Резонансное поле при перпендикулярном резонансе составляет H ≈ 5980 Э. Другими словами, Tm-содержащие Вс-МПФГ с ориентацией (210) обладают анизотропией типа «легкая плоскость».

 

Рис.5. Азимутальные зависимости резонансного поля для Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) для противоположных направлений внешнего магнитного поля.

 

Рис. 6. Полярные зависимости резонансного поля для Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) для трех значений φ

Рис. 7. Азимутальные зависимости интенсивности и ширины линии ФМР для Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) для противоположных направлений полярного угла.

 

Рис. 8. Полярные зависимости интенсивности и ширины линии ФМР для Вс-МПФГ (Bi,Tm)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210) для трех значений азимутального угла.

 

Литература

1. Бобек Э., Делла Торрe Э. Цилиндрические магнитные домены / Пер. с англ. под ред. М.А.Боярченеова, В.К.Раева. М.: Энергия, 1977, 192 с.

2. Лисовский Ф.В. Физика цилиндрических магнитных доменов, М.: Сов. радио, 1979, 192 с.

3. Раев В.К., Ходенков Г.Е. Цилиндрические магнитные домены в элементах вычислительной техники. М.: Энергия, 1981, 216 с.

4. Эшенфельдер А. Физика и техника цилиндрических магнитных доменов: Пер. с англ., М.: Мир, 1983, 496 с.

5. Балбашов А.М., Лисовский Ф.В., Раев В.К. и др. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Справочник. Под ред. Н.Н.Евтихиева, Б.Н.Наумова. М.: Радио и связь, 1987, 488 с.

6. Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988, 192 с.

7. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1991, 320 с.

8. Дудоров В.Н., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. Синтез и физические свойства монокристаллических пленок редкоземельных феррит-гранатов, УФН, 1977, т. 122, № 2, с. 253-293.

9. Рандошкин В.В., Старостин Ю.В. Методы измерения параметров материалов-носителей цилиндрических магнитных доменов. Радиоэлектроника за рубежом. НИИЭИР, 1982, № 18, с. 1-57.

10. Рандошкин В.В. Исследование свойств магнитных пленок феррит-гранатов методом ферромагнитного резонанса (обзор). Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1999, т.65, № 12, с. 20-26.

11. Рандошкин В.В. Невизуальные методы исследования слоистости и неоднородности по толщине пленок феррит-гранатов (обзор). Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1997, т.63, № 11, с. 26-35.

12. Vella-Coleiro G.P., Smith D.H., Van Uitert L.G. Damping of domain-wall motion in rare-earth iron garnets. Appl. Phys. Lett., 1972, vol. 21, N. 1, p. 36-37.

13. Рандошкин В.В., Ксенофонтов Д.М., Мастин А.А., Рандошкин И.В., Сажин И.А., Сысоев Н.Н., Титов И.С., Труханов П.С. Вестник МГУ. Сер. 3. Физика, астрономия, 2006, № 6, с. 46-49.

14. Hagedom F.B., Gyorgy E.M. Domain wall mobility in single crystal yttrium iron garnet. J. Appl. Phys., 1961, vol. 32, N. 3, p. 282-283(s).

15. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Непокойчицкий Г.С. Экспериментальное обнаружение нового механизма движения доменных границ в сильных магнитных полях. ЖЭТФ, 1983, т. 84, № 3, с. 1006-1021.

16. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. О механизме зарождения микродоменов вблизи движущейся доменной стенки. ФТТ, 1986, т. 28, № 5, с. 1522-1525.

17. Телеснин Р.В., Рандошкин В.В., Зимачева С.М. Исследование движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов. ФТТ, 1977, т. 19, № 3, с. 907-909.

18. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Динамика доменных стенок в тулий-содержащих пленках вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1990, т. 32, № 1, с. 246-253.

19. Рандошкин В.В. Особенности движения доменных стенок с излучением спиновых волн. ФТТ, 1995, т. 37, № 10, с. 3056-3073.

20. Рандошкин В.В. Механизм движения доменных стенок с излучением спиновых волн в одноосных магнитных пленках. Известия вузов. Физика, 1997, № 7, с.9-14.

21. Рандошкин В.В. Зависимость скорости доменных стенок от магнитного поля в одноосных пленках феррит-гранатов с разным затуханием. ФТТ, 1995, т. 37, № 3, с. 652-659.

22 Рандошкин В.В. О диссипации энергии при движении доменной стенки. Письма ЖТФ, 1995, т. 21, № 23, с. 74-78.

23. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Чани В.И., Червоненкис А.Я. Динамика доменных стенок в пленках (Y,Lu)1Bi2(Fe,Ga)5O12 с орторомбической анизотропией. ФТТ, 1989, т. 31, № 7, с. 70-76.

24. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сажин Ю.Н. Динамические домены в пленках (Y,Lu,Pr,Bi)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210). ФТТ, 1990, т. 32, № 5, с. 1456-1460.

25. Рандошкин В.В. Особенности проявления спин-волнового механизма движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов с ромбической магнитной анизотропией. ФТТ, 1997, т. 39, № 8, с. 1421-1427.

26. Рандошкин В.В., Полежаев В.А., Сысоев Н.Н., Сажин Ю.Н. Особенности динамики доменов в монокристаллических пленках (Bi,Y,Lu,Pr)3(Fe,Ga)5O12 с ориентацией (210). ФТТ, 2003, т. 45, № 7, с. 1213-1220.