CC BY
9УДК004.624
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АНАЛИЗА СПЕКТРОВ ФЕРРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ
А. В. Бурмитских1' 2, Б. А. Беляев1' 2
1Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036 г. Красноярск, Академгородок, 50/38
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: ABurmitskikh@icloud.com
Представлен программно-аппаратный комплекс автоматизированного измерения параметров тонких магнитных пленок из анализа спектров ферромагнитного резонанса. Магнитные пленки широко используются в частотно-селективных элементах систем связи и радиолокации, управляемых магнитным полем СВЧ-атте-нюаторах и фазовращателях, в датчиках слабых магнитных полей, используемых в геофизике и авиакосмических системах.
Ключевые слова: ферромагнитный резонанс, тонкие магнитные пленки, Python, Django.
AUTOMATED SYSTEM FOR ANALYSIS FERROMAGNETIC RESONANCE SPECTRUM
IN THIN MAGNETIC FILMS
A. V. Burmitskikh1, 2, B. A. Belyaev1, 2
1Kirensky Institute of Physics 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: ABurmitskikh@icloud.com
The article presents a software and hardware system for the automated measurement of the parameters of thin magnetic films (TMF). It is possible to analyze the ferromagnetic resonance spectrum (FMR). Thin magnetic films are widely used in many sensors, in elements of frequency-selective devices, communication systems and radar. TMF are controlled by the microwave magnetic field in attenuators and phase shifters. The TMF magnetometersare used in geological exploration and aerospace.
Keywords: ferromagnetic resonance, thinmagnetic films, Python, Django.
Тонкие магнитные пленки (ТМП) из магнитомяг-ких материалов используются в качестве активных сред в конструкциях различных электрически управляемых СВЧ устройств, включая перестраиваемые фильтры, амплитудные и фазовые модуляторы, нелинейные устройства. Они широко используются в головках записи и считывания информации на жестких дисках, а также в магнитометрах слабых квазистационарных и высокочастотных магнитных полей [1; 2]. Очевидно, что характеристики устройств на ТМП во многом определяются не только материалом, но и качеством магнитных пленок. Для измерения основных магнитных параметров пленок и распределения их неоднородностей по площади используют сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса (ФМР) [3], регистрирующий спектры ФМР с малых локальных участках ТМП. Однако при создании устройств, в частности, магнитометров требуется измерять интегральные характеристики со всего образца заданных размеров. При этом в первую очередь, необходимо измерить эффективную намагниченность
насыщения MS, поле одноосной магнитной анизотропии Як, ширину линии ФМР АН, которая характеризует магнитные потери в образце.
кольца Гчльмгольца декторный анализатор <-X
у ч / J 4 ипраОляющии ТМП ; ПК
источник s \ / ч
питания система бращения (
Рис. 1. Блок-схема установки для измерения параметров ТМП
Для измерения названных параметров создана установка, блок-схема которой представлена на рис. 1.
Решетневские чтения. 2018
Рис. 2. Отображение спектров ФМР при исследовании магнитной пленки на установке
Установка позволяет регистрировать и анализировать спектры ФМР, записывать угловые зависимости резонансного магнитного поля и ширины линии ФМР, для вычисления магнитных параметров пленки [3]. Измеряемый образец магнитной пленки размещается в пучности высокочастотного магнитного поля измерительной ячейки в виде короткозамкнутого отрезка микрополосковой линии передачи, который является нагрузкой векторного анализатора цепей ZVL (фирмы R&S, Германия). Использование векторного анализатора цепей дает возможность снимать спектры ФМР либо в постоянном магнитном поле при сканировании СВЧ накачки в заданном диапазоне частот, либо на фиксированной частоте накачки при развертке постоянного магнитного поля. Кроме того, установка позволяет оценить величину коэффициента преобразования чувствительного элемента магнитометра K. Управление установкой осуществляется набором драйверов, посредством программы взаимодействия с пользователем, включающей в себя программы постобработки результатов и серверную часть. Программа написана с использованием языка Python 3, что делает систему кросс платформенной.
Измерительная ячейка размещается в центре колец Гельмгольца, создающих постоянное магнитного поле в пределах 0-20 Э, которые питаются от программируемого источника питания постоянного тока. Кольца Гельмгольца могут поворачиваться вокруг оси с помощью шагового двигателя с редуктором, изменяя направление постоянного магнитного поля. На каждом шаге поворота векторный анализатор цепей фиксирует частотную зависимость комплексного коэффициента отражения от измерительной ячейки S1b передавая данные в компьютер. После полного оборота колец Гельмгольца на шаг изменяется значение магнитного поля и цикл повторяется. Полученные данные сохраняются в виде текстового файла. Ход процесса измерения отображается в виде строки Pro-gressBar, а также выводится в виде логов выполняе-
мой текущей итерации. В качестве примера на рис. 2 показаны снятые с образца ТМП спектры ферромагнитного резонанса.
Далее запускается планировщик заданий, которые считывает данные с пользовательского каталога и производит расчеты магнитных параметров пленки, определяются частота и угол, при которых наблюдается максимальное значение K. Отдельно сохраняются данные в виде графиков зависимости спектра ФМР в развертке от угла, поля и частоты. Важно отметить, что спектр ФМР снимается с участка пленки, ограниченного размерами микрополосковой линии измерительной ячейки, поэтому установка позволяет также визуализировать распределения неоднородностей магнитных параметров по площади исследуемых образцов.
Полученные значения обрабатываются сервером отображения результатов. Сервер реализован с использованием фрейм ворка Django 2.0. В окне браузера отображаются данные измерения в виде таблицы, в которой реализована сортировка столбцов, а также производится нормировка значений K на коэффициент преобразования эталонного образца. Поэтому K исследуемых образцов изменяются в пределах от 0 до 1. При переходе в каталог результатов система отображает данные для пленок в виде графиков, используя надстройку Fancy Box 3.
Среднее время измерения одного образца при развертке по полю от 0 Э до 15 Э с шагом 0.5 Э, по углу от 0 до 180 градусов и шагом 1 градус и по частоте от 50 МГц до 2 ГГц составляет около 8 часов (снимается примерно 106 точек).
Полученные данные позволяют произвести отбраковку пленочных образцов для их использования в датчиках слабых магнитных полей. Установка также полезна при исследовании влияния на характеристики ТМП технологических условий их изготовления: скорости напыления, температуры подложки, толщины образцов и др.
Библиографические ссылки
1. Патент России № 2536083. Датчик слабых высокочастотных магнитных полей / Беляев Б. А., Бабицкий А. Н., Лексиков А. А. БИ № 35, опубликовано 20.12.2014.
2. Магнитометр слабых квазистационарных и высокочастотных полей на резонансных микрополоско-вых преобразователях с тонкими магнитными пленками / А. Н. Бабицкий, Б. А. Беляев, Н. М. Боев и др. // ПТЭ. 2016. № 3. С. 96-104.
3. Belyaev B. A., Izotov A. V., Leksikov A. A. Magnetic imaging in thin magnetic films by local spectrometer of ferromagnetic resonance // IEEE Sensors Journal. 2005. Vol. 5, No 2. P. 260-267.
References
1. Patent of Russia No. 2536083.Sensor weak high-frequency magnetic fields / Belyaev B. A., Babitsky A. N., Leksikov A. A. BI No. 35, published 12/20/2014.
2. Magnetometer of weak quasistationary and high-frequency fields on resonant microstrip transducers with thin magnetic films / A. N. Babitsky, B. A. Belyaev, N. M. Boev et al. // PTE. 2016. № 3. Р. 96-104.
3. Belyaev B. A., Izotov A. V., Leksikov A. A. Magnetic imaging of ferromagnetic resonance // IEEE Sensors Journal. 2005. Vol. 5, No. 2. P. 260-267.
© Бурмитских А. В., Беляев Б. А., 2018
