Анализ характеристик МСВ, распространяющихся в ферритовых пленках Текст научной статьи по специальности «Физика»

Физика твердого тела

УДК 537.635

Л.А. Митлина, Ю.В. Великанова, Ю.П. Ерендеев, С.В. Ляшенко,

А.А. Сидоров, Е.В. Кривошеева

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК МСВ, РАСПРОСТРАНЯЮЩИХСЯ В ФЕРРИТОВЫХ ПЛЕНКАХ

Методом подвижного преобразователя проведены измерения закона дисперсии магнитостатических волн в пленках феррошпинели Mg025Mn0)?75Fe2O4. Раздельно определены амплитуды, декременты затухания и волновое число полезного сигнала МСВ, а также величина сигнала наводки. На основании измерения дисперсии и затухания волн определены основные магнитные параметры образцов.

Перспективы применения спин-волновых колебаний в более высокочастотной области СВЧ диапазона, включая миллиметровый, связаны с разработкой материалов с большой величиной намагниченности насыщения (4лМ8) и высокими внутренними полям анизотропии (НА). К числу таких материалов относятся монокристаллические пленки феррошпинелей.

Монокристаллические пленки феррошпинелей могут составить конкуренцию пленкам же-лезо-иттриевого граната (ЖИГ). Из анализа имеющихся к настоящему времени результатов по распространению МСВ [1-5], следует, что из-за повышенных значений намагниченности пленок феррошпинелей границы частотной области существования поверхностных МСВ по сравнению с теми же границами при распространении их в ЖИГ смещались в сторону больших частот, причем сама эта область расширялась. Такое поведение МСВ свидетельствует о перспективности применения монокристаллических пленок феррошпинелей при:

а) разработке частотно-селективных функциональных устройств на МСВ, работающих на более высоких частотах, чем подобные устройства на ЖИГ;

б) создании широкополосных фильтров на МСВ с полосами пропускания (заграждения) порядка сотен мегагерц;

в) построении функциональных устройств на МСВ с меньшими габаритными размерами магнитных систем, так как те же рабочие частоты, что в аналогичных устройствах с применением пленок ЖИГ, достигаются при меньших значениях поля намагничивания.

Объекты и методы исследования. Для исследования были выбраны пленки состава Мво,25Мпо,75Ре204, выращенные методом химических транспортных реакций на (001) плоскости оксида магния. Изучение распространения МСВ в пленках феррошпинелей проводились методом движущегося преобразователя [6] с помощью макета линии задержки, блок - схема которого изображена на рис. 1.

Прямоугольный образец, представляющий собой магний-марганцевую пленку, со сторонами (2-6) на (10-15) мм, приклеенный к кварцевому держателю, прижимался к полоскам и помещался в постоянное магнитное поле, параллельно полоскам, что соответствовало возбуждению в пленках поверностных магнитостатических волн (ПМСВ). Однородное магнитное поле

Н0 || (100) создавалось электромагнитом ФЛ 1. Развертка по полю осуществлялась с помощью

источника питания “Выпрямитель ВСА-5” 12. Сигнал от СВЧ генератора 1 в режиме качания частоты поступал на вход экспериментального макета линии задержки 2. В качестве генератора СВЧ сигнала в измерителе используется генератор качающейся частоты (ГЧК 54). Волноводный тракт состоял из коаксиальной линии, двух ответвителей и согласованной нагрузки. Экспериментальный макет состоял из двух параллельно расположенных микрополосковых преобразователей на поликоровых подложках толщиной 0,5 мм. Микрополосковые преобразователи 9, закороченные на концах, длинной 12 мм и шириной 50 мкм изготавливались методом фотолитографии.

Сигнал с выходного преобразователя поступал на вход линейного детектора 3, усилителя постоянного тока 4. На выходе макета сигнал детектировался и поступал на вход 5 для визуального наблюдения. При включении в цепь панорамного измерителя типа Р2-56 снимались амплитудно-частотные характеристики макета ЛЗ (в дальнейшем для краткости АЧХ макета ЛЗ). Величина поля измерялась при помощи датчика Холла 7.

Результаты эксперимента и их обсуждение. Амплитудно-частотные характеристики макета ЛЗ. В соответствии с изложенной схемой эксперимента одна из антенн возбуждает в касательно намагниченном образце бегущую поверхностную магнитостатическую волну, которая принимается второй (такой же) антенной вместе с электромагнитной наводкой, возникающей вследствие сильной емкостной и индуктивной связи близко расположенных антенн. Вследствие этого в режиме качания частоты генератора на АЧХ суммарного сигнала будет наблюдаться интерференция А(1) МСВ и наводки с некоторым периодом.

На рис. 2 представлены АЧХ выходного сигнала для исследованных образцов в полях Н0>2На (Н0= 400 Э, 1000 Э, 2000 Э). При увеличении поля до Н0 = 2000 Э спектр возбуждения МСВ смещался в область больших частот до ~ 12 ГГц. Видно, что АЧХ выходного сигнала немонотонны и имеют дополнительные минимумы, количество и амплитуда которых изменяется при росте магнитного поля. Уровень затухания ПМСВ для образца с мелкодисперсной структурой блоков (образец 1, рис.3) несколько ниже < 12^20 дБ и зависит от поля, а у образца с крупными блоками (образец 2) ~ 25 дБ и практически не зависит от величины поля.

Полоса пропускания для обоих образцов зависит от величины поля (табл. 1). Полоса пропускания на уровне ~ 25 дБ для образца 1 уменьшается с увеличением поля. Для образца 2 полоса пропускания на уровне ~ 30 дБ, наоборот, имеет тенденцию к увеличению. Для случаев, когда полоса пропускания на данном уровне имела 2 интервала из-за провалов в АЧХ, выбирались наибольшие значения интервалов.

Таблица 1

Потери, соответствующие полосе пропускания (3,5^5,5) ГГц в поле Н0= 400 Э и (9^10,5) ГГц в полях Н0=1000 Э, 2000 Э для исследованных образцов

№ образца А, дБ О О К Д£ МГц

15 400 300

1 25 400 1700

1 1000 700

2000 400

30 400 400

2 1000 600

2000 1000

Величины провалов на АЧХ составляют в среднем ~ 5-^15 дБ. Возможно, из-за того, что поверхностные МСВ, обусловленные поверхностной анизотропией, могут резонансно взаимодействовать с ООМСВ и приводить к появлению провалов в области АЧХ [7]. А также, по аналогии с работой [7], эти провалы связаны с резонансным возбуждением структуры высокочастотным магнитным полем полоскового преобразователя и установлением в пленке колебаний намагниченности.

Дисперсионные характеристики. Для исследования дисперсионных свойств был использован метод подвижной приемной антенны [6]. При изменении расстояния между антеннами 1 26

2 12

Р и с. 1. Блок - схема установки: 1 - генератор СВЧ, 2 - измеряемый объект, 3 - детектор, 4 - усилитель постоянного тока, 5 - индикатор КСВН и ослабления, 6 - датчик Холла, 7 - электромагнит, 8 - поликоровые подложки, 9 - миркополосковые антенны, 10 - подводящие линии, 11 - образец,

12 - источник питания.

на фиксированной частоте разность фаз принимаемых сигналов наводки и ПМСВ также меняется. В результате интерференции обоих сигналов будут наблюдаться осцилляции интенсивности на приемной антенне. Расстояние между максимумами интенсивности непосредственно будет давать длину волны ПМСВ на данной частоте.

А

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

-45=

ДБ

1а

1б

10

11

ГГц

2а

2б

10

11

ГГц

3а 36

Р и с. 2. АЧХ выходного сигнала для пленок исходного состава Mg0,25Mn0,75Fe2O4 для образцов №1 (а) и №2(б) при расстоянии между антеннами 1 = 3 мм и полях : 1) Н0 ~ 400 Э; 2) Н0 ~ 1000 Э;

3) Н0 ~ 2000 Э.

3

4

5

8

9

8

9

а 6

Р и с. 3. Микроструктура пленок исходного состава Mg0,25Mn0,75Fe2O4: а - образец 1; б - образец 2, *150.

На рис. 4 представлены экспериментальные зависимости амплитуды выходного сигнала от расстояния между преобразователями при касательном подмагничивании пленки феррошпинели (образец 1). О возбуждении МСВ свидетельствовали периодические колебания амплитуды, которые возникали на выходном преобразователе за счет интерференции сигнала МСВ с сигналом наводки и опорным СВЧ-сигналом.

А,дБ

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 0

А,дБ

1

2

3

I, мм

а 6

Р и с. 4. Интерферограммы для образца №1 при Н0=400 Э (а), Н0=1000 Э (б)

Можно видеть, что колебания характеризуются единственным периодом. Для получения таких колебаний необходимо было выбрать минимальное расстояние между преобразователями не слишком малым, чтобы высшие моды ПМСВ успели затухнуть. Кроме того, наличие одного периода указывает на отсутствие отраженных МСВ и на практическую независимость фазы наводки от малого (<6 мм) изменения расстояния между преобразователями. Суммарная амплитуда наводки и опорного сигнала в данных измерениях всегда выбиралась большей, чем амплитуда сигнала МСВ.

Обработка интерферограмм осуществлялась по методике, представленной в работе [6]. Из-

Я 2р к,

вестно, что длина волны есть расстояние между максимумами Я = — , где к - вещественная

к'

часть волнового числа (к = к' + ik''). Измеряя Я (или к') при различных частотах О , можем построить зависимость к' (о ) - закон диссипации.

Колебания в выходном СВЧ-тракте складываются из колебания, вызванного МСВ [6]:

п(1) = и(1)ео8(О - к'1), (1)

и колебания, вызванного наводкой и опорным сигналом:

) = V(1) 008 (01, (2)

где о - частота, t - время, 1 - расстояние между преобразователями, U(1) = U0 exp(—k "1) и

V( 1) - соответствующие амплитуды колебаний, k' и k" - волновое число и декремент МСВ.

Сигнал на выходе линейного детектора равен

О 1 і-----------------

A(1) = — f dt[u(t) + v(t)][u(t) + v(t)] = -VV2 (1) + U2 (1) + 2V(1 )U(1 )cos k 1 , (3)

2p 0 p

Г 0,x < 0]

где функция 9(x) = < >. Пусть амплитуды U( 1) и V( 1) относительно мало меняются на

[1, x > 0J

периоде функции cos k'1, т.е.

1 dV

<< 1 и eV = -

еи =---------<< 1 и =------------------------------------<< 1. (4)

и к'U dl V кГ dl

Тогда, если пренебречь величинами порядка (4), то согласно (3), А( 1) достигает максимумов

при 12р = 2пр/к' и минимумов при 12р+1 = 2(2п + 1)р/к', где п=0, 1, 2,... Отсюда расстояние

между соседними максимумами (или минимумами) задается соотношением:

Я = (1 2п+2 - 1 2п ) = (1 2п+3 - 1 2п+1 ) = 2р/к , (5)

т.е. равно длине волны МСВ. Кроме того, из (3) можно найти величины сигналов в максимумах

А(1 2п) = 1 [V(12„) + и(12„)]° Л+(12„) (6)

р

и в минимумах

А(1 2п+1 ) = Р[V(1 2п+1 ) - и(12п+1)]° A- (12п+1). (7)

р

Функции A + (1) и A ~(1) можно определить равенствами (6) и (7) в любой точке 1. Смысл введения таких функций состоит в том, что они легко могут быть найдены с помощью экспериментальных интерферограмм. Для этого нужно лишь соединить плавными кривыми все интерференционные максимумы или минимумы. Зная, таким образом, функции A +(1) и A~(1), можно раздельно найти амплитуды МСВ и наводки по формулам:

V (1)= - [л+С^)-A-(4 V(^) = - [л *(1)+ Л-(1)]. (8)

Результаты обработки интерферограмм представлены в табл. 2, где амплитуды МСВ и наводки даны в относительных единицах, причем за единицу взята амплитуда наводки в точке 1 при Н0 = 0 Э. Амплитуда МСВ зависит от частоты. Амплитуда наводки выше, чем амплитуда МСВ, что не противоречит результатам [6].

Таблица 2

Амплитуда наводки и сигнала МСВ для исследуемых образцов при 1 = 3 мм

№ образца Э О Н f, ГГц Сигнал МСВ U Сигнал наводки V

3,32 0,42 2,35

3,4В 0,21 3,20

400 3,55 0,36 2,22

1 3,80 0,23 1,57

4,00 0,11 1,37

6,78 0,50 2,69

1000 6,86 0,68 3,11

7,00 0,16 3,22

3,7 0,30 2,63

2 400 3,75 0,20 2,85

3,85 0,28 2,06

3,95 0,04 1,70

Декремент затухания ПМСВ определяется по формуле [8]

к" = -1п 44, (9)

Я и (12)

т.к. расстояние между максимумами дает длину волны Я, где 12 -11 = Я .

На рис. 5 приведены зависимости /(к’) для случая Н0 || (100) при Н0=400 Э, Н0=1000 Э.Из полученных результатов следует, что ПМСВ характеризуется положительной групповой скорода

стью, т.е. --->0.

дк

ГГц

4,1 -

3,9

3,7

3,5

0

50

100

150

к' , см-1

а 6

Р и с. 5. Дисперсионные зависимости ПМСВ: а - образец 1 при Н0=400 Э, 1000 Э и 6 - образец 2

при Н0=400 Э для пленок Mg0,25Mn0,75Fe2O4 .

На рис.6 представлены зависимости декрементов затухания ПМСВ, вычисленные по формуле (9) для исследуемых пленок. Видно, что с ростом волновых чисел декременты немонотонно возрастают. Значение декремента к" возрастают наиболее сильно для образца 2, где наблюдается крупноблочная структура. Этот образец имеет более высокие значения к".

Фазовая скорость МСВ составляет (1,6-4,0)-108 см/с и групповая скорость (0,1-1,8)-108 см/с (табл. 3). С ростом к' групповые скорости слабо убывают.

к'', см-1

6

к'',см-1

14 -

12 -10 -8 -6 -4 -2 -0 -

50

100

150

к', см-1

к', см-1

б

Р и с. 6. Зависимость декремента затухания ПМСВ пленок Mg0,25Mn0,75Fe2O4 от волнового числа при Н0=400 Э: а - образец 1; 6 - образец 2.

По экспериментальным точкам кривых на рис.5, на которых выбираются три точки (о(), к()) так, чтобы к(2) - к(3) = к(3) - к(2), была определена эффективная толщина пленки

-1п

а(2) а(1)

к(з) к(1) а(з) а(2)

(10)

5

4

3

2

0

0

0

2

4

а

1

Аналогично по двум точкам и рассчитанному ё из (10) определялась намагниченность насыщения

4nM 0 = —

2

Г]/

2 2 W(2) - W(2)

exp (- 2k(1 )d ) - exp (- 2k(2 ) и по одной точке и рассчитанным d и 4®W0 определялось поле анизотропии:

1 I 2

1 w

HA = — Но + -2/ 2

Данные расчета приведены в табл. 4.

M

w(21)+ exP(- 2k (1)d)

(11)

(12)

Таблица 3

Параметры ПМСВ пленок исходного состава Mg0,2SMn0,7SFe2O4

Образец Э О Н w , ГГц k', см-1 k'', см-1 и ф , см/с игр , см/с

1 400 20.84 21.85 51,5 57,1 5,4 5,45 4,0108 3,8108 1,8108 1,6108 6,3-107 4,2-107

22,29 59,8 5,5 3,7108

23,86 25,12 74,8 105 5,9 6,4 3,2108 2,4-108

2 400 23,24 60,4 3,7 3,8108

23,55 92,4, 6,1 2,5108 5,1-107 3,0-107 1,0107

24,18 24,81 104,7 125,6 6,8 12,7 2,3108 2,0108

25,12 157 12,8 1,6108

Таблица 4

Магнитные параметры пленки исходного состава М^^Мп^РегО^ рассчитанные

из спектров МСВ

Обра- зец Намагниченность насыщения 4pM 0, Гс Первая константа анизотропии К1, эрг/см3 Поле анизотропии НА, Э Толщина пленки d, мкм Полуширина резонансной кривой АН k, Э

1 3496 -2,2-104 80 22 2,4(f=3,89 ГГц)

2 2713 -1,1-104 49 35 1,2(f=3,93 ГГц)

При малых потерях, когда k"" << k", параметр затухания [9]

1 + 1 °м

2 w

(13)

н 0

где wM = g4PM0, аюн = g

Н 0 -

2К1

M

, g - гиромагнитное соотношение. Параметр затухания

0 0

определяется групповой скоростью и k"

Wt = игр • k" .

(14)

Полуширина резонансной кривой (АНк) в этом случае (при к" < к') связана с параметром диссипации юг соотношением

®г = 7-АНк . (15)

Соотношения (13) - (15) позволяют оценить полуширину резонансной кривой, которая составляет в частотном диапазоне (3,2-4) ГГц для 1 образца величину порядка 1,6^6,6 Э и в диапазоне (3,7-4,0) ГГц для 2 образца - 1,2^3,1 Э, что удовлетворительно совпадает с данными работы [3] в близком интервале частот.

Проведенные исследования позволяют считать, что управляя микроструктурой эпитаксиальных феррошпинелей, можно получить образцы с различными дисперсионными характеристиками, декрементами затухания, фазовой и групповой скоростью, параметром затухания, шириной полосы пропускания МСВ. Расширение рабочих частот и продвижение спектра МСВ в

пленках феррошпинели в область больших частот, по сравнению с используемым материалом спин-волновой электроники ЖИГ, низкими декрементами затухания одного порядка с ЖИГ свидетельствуют о перспективности применения эпитаксиальных феррошпинелей для разработки СВЧ-устройств на магнитостатических волнах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. Анфиногенов В.Б., Зильберман П.Е., Митлина Л.А., Сидоров А.А., Тихонов В.В. Наблюдение и распространение

магнитостатических волн в пленках феррошпинели. // Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12. № 6. С. 996-999.

2. Анфиногенов В.Б., Зильберман П.Е., Митлина Л.А., Сидоров А.А., Тихонов В.В. Магнитостатические волны в

пленках феррошпинели. // Спиновые явления техники СВЧ. Тез. докл. региональной конференции Краснодар. 1987. С. 37-38.

3. 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.

4. Анфиногенов В.Б., Зильберман П.Е., Митлина Л.А., Сидоров А.А., Тихонов В.В. Магнитостатические волны в

пленках феррошпинели. //Proceedings of 9th Int. conf. on microwave ferrites. JCMF' 88. Estcrgom, Hungari. 1988. Р.

1-2.

5. Сорокин В.Г., Лавренов А.А. Магнитостатические волны в монокристаллических пленках марганцевого феррита. // Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. 1989. № 3. С. 85-95.

6. Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Тихонов В.В. Раздельное измерение параметров полезного сигнала и наводки в линиях передачи магнитостатических волн. // РЭ. 1985. 30. № 6. С. 1164-1169.

7. Высоцкий С.Л., Казаков ГТ., Маряхин А.В., Филимонов Ю.А. Объемные магнитостатические волны в обменносвязанных ферритовых пленках.// ЖТФ. 1998. Т. 68. № 7. С. 97-110.

8. Казаков Г.Т., Тихонов В.В., Зильберман П.Е. Резонансное взаимодействие магнитодипольных и упругих волн в пластинах и пленках железо-итриевого граната.// ФТТ. 1983.Т. 25. № 8. С. 2307-2312.

9. Гусев Б.Н., Чевилева А.Г., Гуревич А.Г., Эмирян Л.М., Шаронович О.Б. Затухание поверхностной магнитостатической волны. // Письма в ЖтФ. 1983. Т.9. Вып.8. С. 159-163.

Поступила 30.01.2004 г.