авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Магнитодипольные колебания и волны в планарных ферритах: структурно-обусловленные особенности характеристик

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ШАГАЕВ Владимир Васильевич

МАГНИТОДИПОЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ПЛАНАРНЫХ

ФЕРРИТАХ: СТРУКТУРНО-ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий Московского государственного института электроники и математики

(технического университета)»

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук,

профессор Г.Г. Бондаренко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ю.А. Филимонов

доктор физико-математических наук,

профессор, Ю.К. Фетисов

доктор физико-математических наук,

доцент В.И. Козлов

Ведущая организация: Саратовский государственный университет

им. Н.Г.Чернышевского

Защита состоится «19» июня 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.231.01 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор

С.Н. Артеменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение возбуждений в спиновой подсистеме магнитоупорядоченных веществ относится к числу важнейших направлений современной физики твердого тела [1]. Глубокий и длительный интерес к магнитодинамическим явлениям связан как с необходимостью всестороннего исследования многочисленной и постоянно пополняемой группы магнитных материалов, так и с возможностью построения новых электронных устройств [2]. Предметом особого внимания является пленочное состояние магнетиков. Волновые возбуждения в пленках формируются в условиях размерного ограничения и влияния граничных условий, и данные факторы во многом определяют характеристики волн [3, 4]. Создание технологии эпитаксиального выращивания пленок ферритов в конце 1960-х годов стало мощным толчком в исследовании и применении распространяющихся спиновых волн [5, 6]. Перспективными для технических приложений оказались сверхвысокочастотные длинноволновые возбуждения. В механизме распространения волн с большими длинами основную роль играет дипольно-дипольное взаимодействие, а влияние неоднородного обменного взаимодействия пренебрежимо мало. За магнитодипольными спиновыми волнами утвердилось историческое название «магнитостатические волны» (МСВ). Основой для разработки планарных МСВ-устройств стали пленки железоиттриевого граната (ЖИГ, Y3Fe5O12), выращиваемые на монокристаллических подложках гадолиний галлиевого граната.



Центральное место в разработке и совершенствовании материалов спин-волновой электроники отводится решению двух задач – снижению затухания МСВ и повышению термостабильности их характеристик.

Существенным недостатком СВЧ-ферритов (в том числе и ЖИГ) является сильная температурная зависимость намагниченности насыщения, приводящая к температурной зависимости характеристик устройств. Особенно остро проблема температурной стабилизации характеристик возникает при разработке частотоизбирательных устройств высокого разрешения. Повышение стабильности, как правило, достигается применением термостатирующих узлов и электронных схем стабилизации. Известно, однако, что наиболее эффективные методы, реализующие определенную функцию аппаратуры, основаны непосредственно на физических явлениях, протекающих в структурных элементах при передаче и преобразовании сигналов. С этой точки зрения, подходы в решении задачи по термостабилизации рабочих параметров приборов на МСВ, не связанные с увеличением габаритов и энергозатрат, должны исходить из использования свойств самих пленочных ферритов. В частности, одним из факторов, определяющих дисперсионные зависимости МСВ в пленках, является кристаллографическая магнитная анизотропия. Особенности проявления анизотропии в температурных изменениях частот МСВ мало изучены и практически не используются. К моменту начала исследований по теме диссертации (1991 г.) разработка методов термостабилизации характеристик велась в предположении изотропности магнитных свойств материала пленки [7]. Влияние магнитной кристаллографической анизотропии феррита на температурный сдвиг частот МСВ во внимание не принималось. В целом ряде работ подробно исследован спектр МСВ ферромагнитного слоя с кубической магнитной анизотропией [8], однако анализ температурных изменений спектра при этом не проводился.

В решении другой проблемы – снижении затухания МСВ – основные усилия направлены на поиск необходимого состава и достижение структурного совершенства и однородности пленок [9]. Вместе с тем пленкам, выращенным по технологии жидкофазной эпитаксии, присуща неоднородность свойств по толщине [10]. Особенно значительна неоднородность в переходном слое между пленкой и подложкой. Однако детальные исследования влияния переходных слоев на характеристики МСВ не проводились. Еще один аспект проблемы затухания собственных магнитных колебаний связан с достоверным определением ширины линии ферромагнитного резонанса (ФМР), являющейся мерой затухания колебаний намагниченности. Сравнительно недавние эксперименты [11] показали, что ширина линии ФМР в эпитаксиальных пленках гексаферрита бария (BaFe12O19), измеренная волноводным методом, существенно зависит от толщины подложки. Между тем механизм этой зависимости не был выяснен. Учитывая роль, отводимую гексаферритам в продвижении спин-волновой электроники в диапазон миллиметровых длин волн, исследование природы затухания колебаний в них относится к разряду важных задач.

Таким образом, актуальность темы исследований диссертационной работы определяется общефизическим интересом к изучению влияния структуры, присущей планарным ферритам, на характеристики магнитостатических волн, а также возможностью использования возникающих в результате этого влияния эффектов для улучшения характеристик магнитоэлектронных устройств.

Цель диссертационной работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании влияния магнитной кристаллографической анизотропии и неоднородности планарных ферродиэлектриков на характеристики собственных магнитодипольных колебаний и волн, а также в разработке эффективных методов повышения термостабильности этих характеристик.

В задачи работы входило:

  1. Теоретическое исследование влияния кристаллографической магнитной анизотропии ферромагнитного слоя на температурные коэффициенты частот собственных магнитных колебаний и волн.
  2. Экспериментальное исследование температурных характеристик спектров МСВ в пленках чистого и замещенного ЖИГ при различных кристаллографических ориентациях плоскости пленки и намагничивающего поля.
  3. Разработка методов температурной стабилизации характеристик МСВ в ферритовых пленках с кубической магнитной анизотропией, основанных на использовании внутренних компенсационных механизмов.
  4. Развитие теории магнитодипольных колебаний и волн в планарных ферродиэлектриках с целью исследования влияния на их характеристики слоистой неоднородности вблизи границ раздела. Выяснение механизма затухания, связанного со слоистой структурой эпитаксиальных ферритовых пленок.
  5. Разработка методов измерения магнитных параметров пленочных ферромагнетиков, основанных на динамических явлениях в СВЧ-диапазоне.
  6. Совершенствование методов исследования пленочных структур в миллиметровом диапазоне. Развитие методов расчета и анализа характеристик колебаний и волн.

Научная новизна работы. В диссертации систематически исследованы характеристики магнитодипольных колебаний и волн в ферродиэлектрических пленках с учетом их кристаллической и слоисто-неоднородной структуры. При этом построены модели пленок с более высоким уровнем адекватности по сравнению с существующими моделями.

Экспериментально установлено и теоретически обосновано неизвестное ранее термостабилизирующее влияние кристаллографической магнитной анизотропии планарных ферритов на частоты МСВ и ферромагнитного резонанса.

Получены новые результаты по методам управления температурными характеристиками волн намагниченности. Требуемое изменение характеристик в разработанных методах осуществляется выбором кристаллографической ориентации пленки и направления намагничивания.

На основе существующих представлений о слоистой структуре планарных ферритов проведено теоретическое исследование влияния переходных слоев на дисперсионные и диссипативные характеристики МСВ.

Выяснен механизм влияния подложек на ширину линии резонансного поглощения СВЧ-поля в волноводном методе исследования пленочных ферритов. Обоснована необходимость локализации резонансных колебаний намагниченности при определения ширины линии ФМР феррита.

Предложен новый способ определения эффективного поля магнитной кристаллографической анизотропии, основанный на измерении частотно-полевых зависимостей в спектрах МСВ.

Разработан метод вывода дисперсионного уравнения поверхностной МСВ с явным видом зависимости частоты от волнового вектора и магнитных параметров в кристаллически-анизотропных планарных ферритах.

Практическая значимость. Проведенные в диссертации исследования тесно связаны с созданием устройств функциональной СВЧ-электроники.

Обнаруженные свойства ферритовых пленок позволяют существенно улучшить термостабильность известных спин-волновых устройств без изменения их конструкции. Развитые представления о механизмах затухания МСВ могут быть использованы для совершенствования технологии и улучшения спин-волновых характеристик планарных ферритов. Разработан и реализован метод определения параметров ферромагнитных пленок: намагниченности насыщения, поля магнитной кристаллографической анизотропии, ширины линии ФМР. В работе получен целый ряд соотношений, которые составляют основу для инженерного расчета характеристик пленочных приборов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется: использованием в теоретическом анализе современных представлений о природе магнитных материалов и корректном выборе методов расчета; использованием в экспериментальных исследованиях стандартной измерительной аппаратуры и методов контроля; согласием основных теоретических положений работы с результатами экспериментов; апробацией основных результатов в ходе выполнения НИР, ОКР и при производстве эпитаксиальных ферритовых структур (НИИМЭТ, г. Калуга).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  1. В ферритовых слоях поле магнитной кристаллографической анизотропии может существенно влиять на температурную зависимость частот собственных магнитных колебаний. Определяющими факторами влияния являются температурная зависимость поля анизотропии и ориентация вектора намагниченности относительно кристаллической решетки и плоскости слоя.
  2. Кристаллографическая магнитная анизотропия планарных ферритов может быть использована для повышения термостабильности характеристик МСВ. Компенсирующее влияние поля анизотропии на температурный сдвиг частот реализуется выбором кристаллографической ориентации слоя и геометрии намагничивания. Учет анизотропии позволяет решать задачи по оптимизации угловых зависимостей температурных коэффициентов частот в наклонном намагничивающем поле и задачи, в которых условие термостабильности налагается на частоты двух магнитных колебаний.





  3. Пленки чистого и замещенного ЖИГ с ориентациями типа {ab0} характеризуются сильной анизотропией температурных коэффициентов частот МСВ, возбуждаемых в касательных намагничивающих полях. При намагничивании вдоль касательной оси типа <100> вклады в температурные коэффициенты, обусловленные изменениями намагниченности насыщения и поля кубической анизотропии, имеют разные знаки и частично, а в отдельных случаях полностью, компенсируют друг друга. Используя пленки с данными ориентациями вместо традиционно используемых {111}-пленок, можно существенно повысить термостабильность характеристик МСВ-устройств.
  4. Учет переходных слоев пленочных ферродиэлектриков в законах дисперсии МСВ может быть осуществлен введением понятия эффективной толщины пленки и добавлением мнимой части к волновому числу. При этом мнимая добавка определяет затухание МСВ, обусловленное слоистой неоднородностью.
  5. Параметры поля магнитной кристаллографической анизотропии пленочных ферритов могут быть определены из частотно-полевых зависимостей, измеренных в спектрах МСВ. При этом теоретической основой метода служат выведенные уравнения, связывающие характеристики частотно-полевых зависимостей с компонентами тензора эффективных размагничивающих факторов анизотропии.
  6. Разработанная модель ферродиэлектрических пленок с кубической магнитной анизотропией и касательной осью типа <110> позволяет с высокой точностью описывать анизотропию характеристик поверхностной МСВ. При этом теоретической основой описания является полученное дисперсионное уравнение, которое имеет вид явного выражения для частоты при любой кристаллографической ориентации пленки и любом касательном направлении вектора намагниченности.
  7. Ширина линии ФМР пленочного феррита, регистрируемая по мощности поглощения электромагнитной волны в короткозамкнутом волноводе с образцом на замыкающей стенке, существенно зависит от толщины и диэлектрических свойств подложки. Эффективным способом уменьшения искажения ширины резонансной зависимости является ограничение области пространственной локализации резонансных магнитных колебаний. Размер области определяется материальными параметрами пленки и подложки и может быть оценен на основе выведенных соотношений.

Из совокупности сформулированных положений следует, что в диссертации решена крупная научно-техническая проблема физики магнитных материалов, имеющая важное хозяйственное значение – установлены закономерности и развиты модельные представления, определяющие свойства монокристаллических планарных ферродиэлектриков с термостабильными характеристиками слабозатухающих магнитодипольных колебаний и волн, что вносит существенный вклад в физику пленочного состояния СВЧ-ферритов и открывает новые подходы к разработке научных основ практических применений магнитных структур с управляемыми спин-волновыми свойствами.

Личный вклад автора. При выполнении работы автором сделан определяющий вклад в постановку задач исследования, в проведение экспериментов и выполнение теоретических выкладок и расчетов, в написание статей и тезисов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах, в том числе: V Всесоюзной школе-семинаре по спин-волновой электронике СВЧ (Звенигород, 1991); Всероссийской научно-технической конференции «Оксидные магнитные материалы. Элементы, устройства и применения» (Санкт-Петербург, 1992); Семинаре стран СНГ «Магнитоэлектронные устройства СВЧ» (Киев, 1993); VI Международной школе-семинаре по спин-волновой электронике СВЧ (Саратов, 1993); IX – XVIII Международных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1999 – 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Структура и свойства твердых тел» (Нижний Новгород, 1999); V – IX Russian-Chinese International Symposium «Advanced Materials & Processes» (Baikalsk, 1999; Beijing, 2001; Krasnodar, 2003; Guangzhou, 2005; Astrakhan, 2007); International Conference «Physics of Electronic Materials» (Kaluga, Russia, 2002); X и XIII Всероссийских научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Москва, МГИЭМ, 2003, 2006); 13-th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials (Tomsk, Russia, 2006); Всероссийских научно-технических конференциях «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе» (Калуга, 2006 – 2008); 6-th and 7-th International Conference «Interaction of Radiation with Solids» (Minsk, Belarus, 2005, 2007); IV and V International Conference «New Electrical and Electronic Technologies» (Zakopane, Poland, 2005, 2007).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 55 печатных работах, в том числе 18 статьях в рецензируемых журналах из Перечня, определенного ВАК, авторском свидетельстве и 2-х патентах на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений, списка цитированной литературы из 203 наименований, изложена на 282 страницах, содержит 7 таблиц, 63 рисунка.

Первые параграфы глав 1, 3 – 6 посвящены обзору литературы по вопросам, рассматриваемым в этих главах (глава 2 развивает теорию, построенную в главе 1, и необходимости в обзорном параграфе для этой главы нет). Каждая глава завершается выводами, отражающими ее основное содержание.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и определены задачи исследования, дана краткая аннотация содержания работы по главам, приведены научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Волновые свойства анизотропного магнитодиэлектрического слоя» посвящена исследованию наиболее общих свойств магнитодипольных возбуждений в ферромагнитных слоях с произвольным видом магнитной анизотропии.

В начале главы приведены теоретические сведения, необходимые для изучения колебаний и волн, возбуждаемых в магнитной подсистеме ферромагнитного слоя. Теоретическое исследование этой и последующих глав выполнено в рамках феноменологического подхода на основе уравнения движения намагниченности в безобменном приближении и уравнений Максвелла в магнитостатическом пределе и с учетом электродинамических граничных условий. Подробно изложен вывод дисперсионного уравнения (ДУ) МСВ для произвольной геометрии намагничивания слоя. Учет магнитной анизотропии осуществлен с помощью тензора эффективных размагничивающих факторов. Отмечено, что длинноволновая граничная частота выведенных дисперсионных зависимостей совпадает с частотой ФМР, так что и волны и однородное колебание намагниченности могут быть изучены на основе единого подхода.

Детально исследованы магнитодинамические свойства слоев, у которых вектор равновесной намагниченности направлен вдоль кристаллографической оси симметрии не ниже третьего порядка. Особенностью данной геометрии является симметричный вид тензора эффективных размагничивающих факторов

. (1)



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.