Физика/2. Физика твердого тела

Бадртдинов Г.С.

Самарский государственный технический университет, Россия

Email: gregori2000@mail.ru.

Магнитостатические моды в спектре поглощения в пленках феррошпинелей, намагниченных параллельно поверхности.

Одно из перспективных направлений создания устройств аналоговой обработки информации в диапазоне СВЧ состоит в использовании магнитостатических волн (МСВ), распространяющихся в ферритовых пленках. Дисперсионные свойства спиновых волн и эффективность их возбуждения в пленках феррошпинелей и иттрий железистого граната, применяемого для СВЧ устройств, одинаковы. Высокая намагниченность и большие поля анизотропии в пленках феррошпинелей делает перспективным их применение в верхней части СВЧ диапазона, включая миллиметровый диапазон частот [1].

При исследовании спектра поглощения на ЭПР спектрометре в пленках состава Mn_хFe_3-хO₄ для х=1,22; х=0,8 и Mg_0,25Mn_0,75Fe₂O₄, намагниченных параллельно поверхности, регистрируется до 20 пиков поглощения (рис.1). Интерпретируя эти пики как магнитостатические моды по экспериментальным значениям намагниченности насыщения (4πM_S), констант кристаллографической анизотропии (К₁), магнитных полей наблюдаемых мод в данной работе получены значения волновых чисел (k`), фазовых скоростей (υ_ф), групповых скоростей (υ_гр), диагональной компоненты тензора магнитной проницаемости (μ) и их зависимости от частоты.

Дисперсионная зависимость спектра магнитостатических мод при Н || <100> выражаются формулой:

, (1)

где , β- константа анизотропии (), , k`-волновое число. Используя экспериментальные значения Н<sub>k</sub> на спектрах поглощения, толщину пленок d, намагниченность насыщения, константы кристаллографической анизотропии получим значения волнового числа k` и фазовой скорости ω/ k (υ_ф~10⁸ см/с).

Н,кЭ

2,23

1,43

Н,кЭ

1,79

1,34

а) б)

Рис. 1. Кривые резонансного поглощения в касательном поле пленки состава Mn_1,22Fe_1,78O₄ ( а- образец 1 d~30 мкм, б - образец 3 d~20 мкм).

На рис. 2 представлены результаты расчета дисперсионной зависимости, полученные по формуле (1).

Рис. 2. Дисперсионная зависимость магнитостатических мод для пленки состава Mn_1,22Fe_1,78O₄ (образец 1 4πМs~2788 Гс, К₁=2,38∙10⁴ эрг/см³).

Для рассматриваемых пленок отличаются диапазоны частот и границы изменения волновых чисел. Ширина области возбуждения магнитостатических мод (∆f) находятся в соответствии с изменениями параметра затухания (α) (таблица 1). Чем больше параметр затухания и выше намагниченность насыщения, тем шире область возбуждения магнитостатических мод.

Учет запаздывания приводит к существованию групповой скорости магнитостатической волны : ,

где и к существованию дополнительного (немагнитного) механизма затухания таких волн. Частота .

Групповая скорость имеет порядок (10⁷÷10⁸)см/с (рис. 3), что не противоречит групповой скорости для тех же составов, определенных для ПМСВ методом подвижного преобразователя [1].

Рис. 3. Зависимость групповой скорости от частоты для пленки состава Mn_1,22Fe_1,78O₄ (образец 1)

Таблица 1

Образец	Исходный состав	ωм, ГГц	α ·10^-2	Δf, ГГц	Δ k^`, см^-1
1	Mn1,22Fe1,78O4	49,07	1,05	1,18	50 (251÷207)
2	Mn0,8Fe2,2O4	57,0	1,08	1,46	63 (271÷208)
3	Mn1,22Fe1,77O4	49,73	1,12	1,62	72 (282÷210)
4	Mg0,25 Mn1,75Fe2O4	87,1	3,2	2,174	91 (384÷290)

В касательно намагниченной пленке перпендикулярно магнитному полю распространяются поверхностные магнитостатические моды (ПМСМ), частоты которых лежат в интервале , а параллельно магнитному полю обратные объемные магнитостатические моды (ОМСМ) в частотном диапазоне, где . ПМСМ ожидаются в пленках ниже однородного резонанса, ОМСМ будут располагаться выше однородного резонанса. Для всех рассматриваемых составов объемные магнитостатические моды находятся в частотном диапазоне .

Объемные волны существуют только при диагональной компоненте тензора магнитной проницаемости μ<0. Расчет по формуле:

показывает, что μ<0 во всем диапазоне наблюдаемых магнитостатических мод (рис. 4) для рассматриваемых образцов (таблица 1).

Для поверхностных мод, когда т.е. , где tg²φ=ω_Н/ω_М, магнитостатические моды наблюдаются в диапазоне частот . Определив угол между векторами и получим согласие эксперимента в диапазоне частот магнитостатических мод наблюдаемых ниже однородного резонанса (таблица 2).

Таблица 2

Образец	ω*10^-10, ГГц		tgφ	φ	ωН<ω<
1	2,688	4,28	2,069	64^010`	2,331<2,688<2,737
3	3,208	4,42	2,101	64^030`	2,8<3,208<3,231
2	2,821	3,03	1,741	60^08`	2,138<2,821<2,929
4	3,45	9,65	3,105	72^010`	3,065<3,45<3,487

Такие волны существуют в связанных структурах с разными намагниченностями слоев. Объемные волны в системе из двух ферромагнетиков имеют объемный характер только в первом ферромагнетике, во втором они экспоненциально убывают при удалении от поверхности, поэтому частоты поверхностных волн в такой системе всегда лежат внутри интервала частот объемных магнитостатических мод.

Методом сканирующей зондовой микроскопии исследовалось изменение рельефа поверхности пленок, полученных при различных технологических условиях. В области сканирования (1000÷1000) нм² наблюдаются нанопирамидки [2]. Высота поверхностного слоя зависит от технологический условий роста и составляет (160-100)нм. Такой слой может быть связан с окислением феррошпинелей и иметь намагниченность меньше основного слоя, что определяет возникновение спин - волнового резонанса в пленках намагниченных перпендикулярно поверхности [2].

1. Анфиногенов В.Б., Митлина Л.А., Попков А.Ф., Сидоров А.А., Сорокин В.Г., Тихонов В.В. Магнитостатические волны в пленках феррошпинели. // ФТТ. 1988. Т.30. №7. С.2032-2039.

2. Л.А. Митлина, Г.С. Бадртдинов, Ю.В. Великанова, М.Р. Виноградова, И.В. Никифорова. Спин – волновой резонанс в пленках феррошпинелей намагниченных перпендикулярно поверхности. // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия физ.-мат. Науки. Самара: СамГТУ.2011. вып. 4(25). С. 125-133.