*112716*

Спектры магнитостатических колебаний в пленках, намагниченных параллельно поверхности.

Бадртдинов Г.С.

Самарский государственный технический университет, 443100, Самара ул. Молодогвардейская 244. E-mail: gregori2000@mai.ru

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 их диапазона, включая миллиметровый диапазон частот [1,2].

В данной работе определены области существования магнитостатических спиновых волн, их дисперсионные характеристики, параметры затухания для пленок различного химического состава и степени дефектности структуры;

Объект исследования - монокристаллические пленки исходного состава Mn_xFe_3-xO₄ c x = 1; 0,65 и Mg_0,25Mn_0,75Fe₂O₄; толщиной 15-30 мкм, полученных методом химических транспортных реакций на свежих сколах (001) оксида магния.

Методом сканирующей зондовой микроскопии исследовалось изменение рельефа поверхности пленок, полученных при различных технологических условиях.

В области сканирования (1000÷1000) нм² наблюдаются нанопирамидки (рис.1). Высота поверхностного слоя зависит от технологический условий роста и составляет (160-100)нм.

Рис. 1. Рельеф АСМ пленок исходного состава Mn_1,22Fe_1,78O₄ (Образец А-118). γ=2, Т_с=1353К, υ_p=0,06мкм/с, υ_охл=5 град/с.

Такой слой может быть связан с окислением феррошпинелей и иметь намагниченность меньше основного слоя.

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> (рис. 2,3) на спектрах поглощения при касательном намагничивании, толщину пленок d, намагниченность насыщения, константы кристаллографической анизотропии получим значения волнового числа k` и фазовой скорости

ω/ k.

2,23

1,43

1,34

1,79

Н,кЭ

Н,кЭ

а) б)

Рис. 2. Кривые резонансного поглощения в касательном поле пленки состава Mn_1,22Fe_1,78O₄ ( а- образец А-118, б - образец А-104).

а) б)

Рис. 3. Кривые резонансного поглощения в касательном поле пленки состава а - Mn_0,8Fe_2,2O₄ (образец Т-63), б- Mg_0,25Mn_0,75Fe₂O₄ (образец ВН-77).

На рис. (4) представлены результаты расчета дисперсионной зависимости, полученные по формуле (1). Для рассматриваемых пленок отличаются диапазоны частот и границы изменения волновых чисел. Ширина области возбуждения магнитостатических мод (∆f) находятся в соответствии с изменениями параметра затухания (таблица 1). Чем больше параметр затухания и выше намагниченность насыщения, тем шире область возбуждения магнитостатических мод.

Рис. 4. Дисперсионная зависимость магнитостатических мод для пленки состава Mn_1,23Fe_1,77O₄ толщиной 34 мкм (образец А-118 4πМs~2788 Гс, К₁=2,38∙10⁴ эрг/см³).

Таблица 1

Параметры затухания (f=9,75 МГц), границы области возбуждения магнитостатических мод пленок феррошпинелей

Образец	ωм, ГГц	α ·10^-2	Δf, ГГц	Δ k^`, см^-1
А-118	49,07	1,05	1,18	50 (251÷207)
Т-63	57,0	1,08	1,46	63 (271÷208)
А-104	49,73	1,12	1,62	72 (282÷210)
Вн-77	87,1	3,2	2,174	91 (384÷290)

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. 5), что не противоречит с групповой скоростью для тех же составов, определенных для ПМСВ методом подвижного преобразователя [2].

Рис. 5. Зависимость групповой скорости от частоты для пленки состава Mn_1,23Fe_1,77O₄ (образец А-118)

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.

(2)

Расчет по формуле (2) показывает, что μ<0 во всем диапазоне наблюдаемых магнитостатических мод (рис. 6) для рассматриваемых образцов (рис. 2,3).

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

Углы между векторами и магнитостатических мод

Образец	ω*10^-10, ГГц		tgφ	φ	ωН<ω<
А-118	2,688	4,28	2,069	64^010`	2,331<2,688<2,737
А-104	3,208	4,42	2,101	64^030`	2,8<3,208<3,231
Т-63	2,821	3,03	1,741	60^08`	2,138<2,821<2,929
Вн-77	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.

Таким образом, при исследовании спектра поглощения на ЭПР спектрометре в пленках состава х=1,22; х=0,78 и Mg_0,25Mn_0,75Fe₂O₄, намагниченных параллельно поверхности, регистрируется до 20 пиков поглощения; интерпретируя эти пики как магнитостатические моды по экспериментальным значениям намагниченности насыщения (4πM_S), констант кристаллографической анизотропии (К₁), магнитных полей наблюдаемых мод получены значения волновых чисел (k`), фазовых скоростей (υ_ф), групповых скоростей (υ_гр), диагональной компоненты тензора магнитной проницаемости (μ) и их зависимости от частоты; диапазон этих величин и ширина их области возбуждения Δf~(1,18-2,12)ГГц зависит от 4πM_S, К₁ и эффективного коэффициента затухания СВЧ волн (α); частоты ПМСМ лежат внутри интервала ОМСМ.

Литература.

1. Афиногенов В.Б., Высоцкий С.Л., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Луговской А.В., Маряхин А.В., Медников А.М., Нам Б.П., Никитов Ю. Ф., Огрин Ю. П., Ползиков Н.И., Раевский А.О., Сухарев А.Г., Темирязев А.Г., Тихомирова М.П., Тихонов В.В., Филимонов Ю.А., Хе А.С. Устройства на основе спиновых волн для обработки радиосигналов в диапазоне частот 50 МГц…20 ГГц.// Радиоэлектроика. 2000. № 8. С. 6-14.

2. 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.