Влияние температуры на свойства поверхностных магнитостатических волн в ферритовых пленках Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В ФЕРРИТОВЫХ ПЛЕНКАХ

А. В. Лыткин*, П. А. Макаров

Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина Россия, 167001, г. Сыктывкар, Октябрьский пр., 55 * email: anthony_lytkin@mail.ru

В работе теоретически исследовалась температурная зависимость спектра поверхностных магнитостатических волн и температурного коэффициента частоты от внешнего постоянного магнитного поля на примере ферритовых пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ). В статье представлены основные результаты, показывающие изменения границ спектра при различных температурах, произведена оценка параметров для стабилизации температурного коэффициента частоты.

Ключевые слова: магнитостатические волны (МСВ), поверхностные магнитостатические волны (ПМСВ), ферриты, ЖИГ, температурный коэффициент частоты (ТКЧ).

INFLUENCE OF THE TEMPERATURE ON THE MAGNETOSTATIC WAVES PROPETIES IN FERRITE PLATES

A. V. Lytkin*, P. A. Makarov

Syktyvkar State University named after Pitirim Sorokin 55 Oktyabrsky pr., 167001, Syktyvkar, Russia * email: anthony_lytkin@mail.ru

Dependencies of the spectrum magnetostatic surface waves and the temperature coefficient of frequency from external magnetic field on the example yttrium iron garnet (YIG) ferrite plates was studied at this work. The main results are represent the temperature influence on the boundaries of magnetostatic waves spectrum and evaluation of stabilization parameters of the temperature coefficient of frequency.

Keywords: magnetostatic waves (MSW) magnetostatic surface waves (MSSW), ferrites, yttrium iron garnet (YIG), temperature coefficient of frequency.

Неуклонно возрастающие требования к характеристикам современных систем обработки сигналов стимулируют исследование новых методов распознавания, контроля и обработки сигналов. Для работы с частотами СВЧ-диапазона перспективными являются устройства, основанные на распространении МСВ в монокристаллах ферромагнитных и ферримагнитных пленок, такие как пленки ЖИГ [1, 2].

Такие материалы могут при определенных условиях обладать уникальными физическими, в частности магнитными, свойствами. Кроме того, благодаря особенностям их кристаллической структуры, их свойства удается варьировать в широких пределах [3]. Эти особенности представляют собой большую ценность для фундаментальных исследований и могут найти широкое практические применение в различных областях, например таких как СВЧ-электронике, автоматике, спектроскопии и во многих других [2].

Однако, ЖИГ и другие ферриты обладают существенным недостатком, связанным с сильной зависимостью намагниченности насыщения от температуры [1]. В связи с этим возникает необходимость в применении дополнительных мер по обеспечению термостабильности.

Известно [1], что дисперсионное уравнение для ПМСВ, распространяющихся в изотропном магнетике, намагниченном до насыщения полем, касательным поверхности пластины и перпендикулярным направлению распространения волны, в пренебрежении затуханием, определяется следующим образом:

где/"- линейная частота, /. и / нижняя и верхняя границы

п J итп ^ тах I I ^

спектра ПМСВ соответственно, к - волновое число, d - толщина

пленки.

Без учета кристаллографической анизотропии, анизотропии формы образца, обменного взаимодействия и магнитного затухания для нижней и верхней границы спектра ПМСВ справедливы соотношения [4]:

Здесь у гиромагнитное отношение (для ЖИГ у ~ 2,8 МГц/Э), H - внешнее постоянное магнитное поле, 4пМ0 - намагниченность насыщения (для ЖИГ при температуре T = 300К намагниченность насыщения 4nM0 ~ 1760 Гс, а при T = 273К: 4nM0 ~ 1600 Гс).

При комнатной температуре верхняя и нижняя границы спектра ПМСВ в зависимости от внешнего постоянного магнитного поля имеют вид как показано на рис. 1. Также на рис. 1 приведена зависимость ширины спектра (разность частот верхней и нижней границы Af = f - f. ). Очевидно, что с ростом величины поля

I ^ j max j тп' r-i I |

верхняя и нижняя границы спектра сливаются, а спектр становится более узким.

Хорошо установлено, что пленки ЖИГ обладают достаточно сильной температурной нестабильностью, причиной которой может являться множество факторов. В соответствии с работой [5] можно утверждать, что намагниченность насыщения пленок ЖИГ различных составов в диапазоне температур T = 210^330К линейно убывает с ростом температуры. Кроме того, имеются данные [1], где изменение намагниченности насыщения на 1K d (4nM0 ) / dT достигает значения -4 Гс/К.

В работе были получены зависимости, аналогичные тем, ко-

20

Juvenis scientia 2016 № 2 | ФИЗИКА

(4)

Рис. 1. Границы и ширина спектра ПМСВ в зависимости от внешнего поля для ЖИГ при Т = 273К

торые приведены на рис. 1 для различных температур. Отдельно получены зависимости для нижней границы спектра/ш.п (Н) (рис. 2а), верхней границы спектра/шх (Н) (рис. 2б) и ширины спектра Д/~(Н) (рис. 2в). Из полученных зависимостей видно, что с ростом температуры верхняя и нижняя граница спектра смещаются в длинноволновую область, причем для верхней границы это смещение существеннее, чем для нижней. Отметим также, что ширина спектра с ростом температуры уменьшается.

Для оценки влияния температуры на частотные характеристики ПМСВ вводится температурный коэффициент частоты:

Явный вид выражения (4) для произвольной длины волны (волнового числа) можно получить путем дифференцирования выражения (1) по температуре. Однако, более удобным является способ выразить ТКЧ, через соответствующие верхнюю и нижнюю границы спектра ПМСВ.

Дифференцируя выражение (2) и выражение (3) по температуре, и подставляя их в соотношения (4), получим явный выражения для ТКЧ для нижней и верхней границы спектра соответственно:

,, , 1 ¿У 1

а,., =---г-—

-,ЫТ 2(Н + 2лМ0) аТ

(5)

(6)

Для удобства будем считать, что не зависит от температуры и является постоянной величиной, что приводит к обнулению первых слагаемых в соотношениях (5) и (6). Таким образом выражения для ТКЧ примут вид:

1 ¿(4.^-) "2(Я + 4Я1/5) ¿Т

ХН + 2лМ0) ИТ

(7)

(8)

С помощью выражений (7) и (8) были получены зависимости ТКЧ от внешнего поля для нижней а . (Н) и верхней а (Н)

^ шт у ' I шах 4 '

границ спектра МСВ при температуре 273К и соответствующей намагниченности насыщения 4пМ0 = 1600Гс. Соответствующие зависимости приведены на рис. 3. Было выявлено, что низкочастотная граница спектра ПМСВ более стабилизирована по температуре. Однако начиная со значений поля Н = 2500Э ТКЧ стабилизируется по полю для всего спектра. Это означает, что с ростом величины поля влияние температуры на распространение волны уменьшается.

Рис. 3. Зависимости ТКЧ для нижней и верхней границы спектра ПМСВ от внешнего магнитного поля при Т = 273К

Таким образом, в ходе работы были получены зависимости верхней и нижней границ спектра ПМСВ, а также зависимость ширина спектра от внешнего постоянного магнитного поля при различных температурах. Также была получена зависимость ТКЧ от внешнего постоянного магнитного поля для обеих границ спектра. Установлено значение поля, при котором ТКЧ стабилизируется.

Рис. 2. Границы и ширина спектра ПМСВ в зависимости от внешнего поля при различных температурах: А - верхняя граница спектра, Б -нижняя граница спектра, В - ширина спектра

ЛИТЕРАТУРА

1. Шагаев В. В. Спектр и температурная характеристика поверхностной магнитостатической волны в монокристаллической ферритовой пленке // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Естественные науки». - 2013. - №3. - С. 40 - 51.

2. В. С. Исхак. Применение магнитостатических волн // ТИИЭР. -1988. Т. 76. - №2. - С. 86 - 104.

3. С. Крупичка. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов: Т. 1. - М.: Мир, 1976. - 353 с.

4. Макаров П. А., Шавров В. Г., Щеглов В. И. Влияние диссипации на свойства поверхностных магнитостатических волн в касательно намагниченной пластине феррита // Журнал радиоэлектроники. - 2014. - №7.

5. Ищук С. И., Костюк П. С., Лопатинский И. Е. Феррогранатовые пленки с повышенной термостабильностью магнитных параметров / ЖТФ. - 1998. - №68. - С. 46-50.

Поступила в редакцию 14.03.2016