CC BY
66
Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 22 (377).
Физика. Вып. 21. С. 75-82.
УДК 537.6, 537.86
МАГНИТНАЯ СТРУКТУРА, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В КОМПОЗИТНЫХ ПЛЁНКАХ (Coo,5Feo,5Zro,ol)x(Al2Oз)(l-X)/5
Л. Н. Котов1, М. П. Ласёк1, О. А. Кирпичёва2, Д. С. Безносиков1, Е. А. Голубев3, Ю. Е. Калинин4, А. В. Ситников4
1 ФГБОУ ВО «Сыктывкарский государственный университет им. Питирима Сорокина», Сыктывкар, Россия 2 ГОУ ДПО «Коми республиканский институт развития образования», Сыктывкар, Россия 3 Институт геологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар, Россия 4 Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия
Исследованы магнитная структура, высокочастнотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) электрические потери в композитных плёнках составов (Со0^е0^г001)х(А12О3)(1-ху5 на ситалловых подложках. Получены ВЧ и СВЧ спектры коэффициента передачи по мощности тока в линии, включающей композитные плёнки. По виду спектров сигналов в линии передачи с композитными плёнками определены области концентраций металлического сплава в плёнках и интервалы частот, которые характеризуются разным типом проводимости композитных плёнок. Для описания спектров потерь мощности в композитных плёнках предложена принципиальная электрическая схема с усреднёнными параметрами. На основе анализа полученных изображений рельефа и магнитных областей поверхностей композитных плёнок методом магнитно-силовой микроскопии (МСМ) снятых спектров выявлен структурный переход обусловленный явлением перколяции.
Ключевые слова: композитные плёнки, магнитная силовая микроскопия, микро- и наноструктура, перколяция, ВЧ и СВЧ спектры электрических потерь.
Знание высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) электрических свойств тонких композитных плёнок необходимо для объяснения механизмов электропереноса, ВЧ и СВЧ-отражений, поглощения, прохождения электромагнитных волн через плёнки, понимания нано-и микроструктуры композитных плёнок [1-6]. Поэтому исследование мощности потерь при прохождении ВЧ и СВЧ-сигналов тока в линии с композитными плёнками позволит выявить особенности поведения электродинамических свойств композитных плёнок, их связь с нано- и микроструктурой композитных плёнок, особенно в СВЧ-диапазоне, который широко используется в современной радиотехнике и связи. В данной работе приведены результаты исследований ВЧ и СВЧ-потерь мощности тока в линии, включающей композитные плёнки, являющиеся малой частью линии передачи сигналов.
Композитные гранулированные плёнки состава (Соо ,5рео,52го,о1)х(А12Оз)(1-х)/5 (где х ~ 0,25^0,66) получены в вакууме 10-4 торр на ситалловых подложках толщиной 0,47 мм и размерами поверхно-
сти 4,8 см2. Химическая формула показывает доли атомов металлов и молекулы диэлектрика А12О3. Плёнки изготовлены методом ионно-лучевого напыления на ситалловые подложки [7]. Для осаждения аморфной ферромагнитной металлической фазы композитов применялись сплавные мишени состава Со45Бе452г10. Пластины из диэлектрика А12О3 закреплялись на поверхности пластин металлического сплава перпендикулярно продольной оси сплавной мишени. Изменение числа пластин диэлектрика А12О3 и расстояния между ними позволяли изменять соотношение объёмов напыляемых металлического сплава и диэлектрика. В одном цикле напыления получали непрерывный спектр составов компонент составной мишени вдоль её длины. Для получения композитных плёнок, в которых концентрация изменялась в интервале х ~ 0,25^0,66, использовались 5 ситалловых пластин, расположенных друг под другом со стороной 48 мм по вертикали. Концентрация металлического сплава непрерывно изменялась вдоль вертикальной оси. Для получения плёнок с приблизительно одинаковым составом каждая си-талловая пластина с композитной плёнкой разреза-
лась на 3 части с размерами 15*25 мм2. Концентрация металлического сплава x для одной части плёнки изменялась не более чем на 0,03. Точный состав композитов определялся электронно-зондовым рентгеновским микроанализом с помощью энергодисперсионного детектора сканирующего электронного микроскопа JSM-6400 (Япония). Толщины плёнок определялись также с помощью микроскопа JSM-6400 по электронно-микроскопическим изображениям торца скола плёнок [5].
Исследование рельефа, магнитного фазового контраста поверхности образцов проводилось с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) Интегра Prima (NT-MDT, Россия). Использовались полуконтактный и контактный режимы для изучения рельефа и магнитного фазового контраста для изучения магнитных свойств поверхности. Для топографического сканирования использовались кантилеверы NC10 (NT-MDT). Для изучения магнитных свойств плёнок использовался метод магнитно-силовой микроскопии (МСМ) [8]. В МСМ использовался силиконовый зонд, покрытый магнитным сплавом CoCr толщиной 40 нм. Радиус закругления кончика зонда - 40 нм. Изображения, называемые магнитным фазовым контрастом, были получены в динамическом режиме. Частота колебаний внешней силы, действующей на зонд, составляла 47-90 кГц. Разность фаз между внешней силой и собственными колебаниями зонда изменялась в зависимости от силы магнитного взаимодействия зонда и области поверхности плёнок, над которой находился зонд. Полученная зависимость разности фаз от координат поверхности плёнок затем преобразовывалась в изображение, называемое магнитным фазовым контрастом. В результате преобразования получалось изображение магнитных областей плёнки, отображающих размеры и форму металлических магнитных областей (рис. 1).
По горизонтальной и левой вертикальной осям на изображениях фазового контраста, полученного методом МСМ, показаны координаты участков плёнок. Разность фаз в градусах между внешней силой, действующей на зонд, и колебанием зонда пропорциональна силе магнитного взаимодействия зонд-участок поверхности, показана на правой вертикальной оси изображений. Контраст от чёрного до белого цвета пропорционален значениям разности фаз.
Для исключения влияния электростатических эффектов на получаемые изображения в процессе съёмки плёнки были заземлены. Для уменьшения влияния рельефа поверхности на магнитно-
силовое изображение сначала определялся рельеф поверхности в обычном режиме атомно-силового микроскопа (АСМ) [8]. Во время следующего прохода на участке сканирования зонд перемещался над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, чтобы устранить влияние сил Ван-дер-Ваальса взаимодействия с поверхностью. Съёмки проводились в комнатных условиях.
Для определения ВЧ и СВЧ электрических потерь мощности в плёнках была собрана установка, состоящая из анализатора спектра (АС) GSP-7830, генератора качающейся частоты (ГКЧ) (Тайвань), двух коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом и подключаемого модуля, в который вставлялись исследуемые плёнки. Модуль состоял из металлического проводящего цилиндра, выполняющего роль проводящего экрана, и двух посеребрённых контактов с фторопластовой пластиной, на которую, крепились плёнки. Один коаксиальный кабель подключался к ГКЧ и к модулю. Второй кабель подключался к модулю и к анализатору спектра. Длина плёнки между контактами составляла 2,5 см. Для изготовленного модуля ширина плёнок могла меняться от 8 до 15 мм. При этом мощность потерь менялась не более чем на 5 dBm. Рабочий диапазон частот ГКЧ и АС составлял от 9 кГц до 3 ГГц. Значение мощности потерь Pdis в линии (коаксиальный кабель — композитная плёнка — коаксиальный кабель) определялось как разность выходной мощности ГКЧ Pout = 1 мВт и мощности на входе АС Pin. Pin определялась по измеренным спектрам коэффициента передачи по мощности K(f) в dBm, который определяется выражением: K(f) = 10 lg[Pin(f )/Pout], где f = ю/2п — частота сигналов тока.
Для калибровки установки были получены спектры K( f) в линии, состоящей из двух коаксиальных кабелей с модулем, в котором крепились плёнки из различных металлов (Cu, Al). В линии с металлическими плёнками с ростом f особенно начиная с 1,5 ГГц, наблюдалось резкое увеличение потерь мощности Pdis. Это связано с явлением скин эффекта, при котором уменьшается сечение токопроводящих областей и увеличивается сопротивление плёнки переменному току [10].
Методом магнитно-силовой микроскопии (МСМ) анализировалась структура магнитных областей на поверхности плёнок с различным содержанием металлического сплава (Fe-Co-Zr). Характер поведения структуры магнитных областей в композитных плёнках иллюстрируют изображения МСМ, приведённые на рис. 1 при различных x: 0,28 (а), 0,43 (б), 0,45 (в), 0,48 (г), 0,51 (д) 0,62 (е).
Д) е)
Рис. 1. Изображение структуры поверхности плёнок методом МСМ при х: а — 0,28; б — 0,43; в — 0,45; г — 0,48; д — 0,51; е — 0,62
Из рис. 1 видно, что с увеличением концентрации металлических сплавов от х = 0,28 до х = 0,62 магнитная структура плёнок претерпевает существенные изменения. В плёнках с концентрацией х от 0,28 до 0,43 наблюдается хаотичный разброс металлических магнитных частиц, расположенных в диэлектрической матрице [9]. Размеры
частиц и расстояние между частицами при увеличении концентрации х изменяются нелинейным образом от 10-20 до 30-50 нм [9], а расстояние от 200 до 50 нм, что связано, с одной стороны, с ростом концентрации металлического сплава, с другой стороны, с возникновением областей (размерами 0,5-1,0 мкм) с близко расположенными
металлическими частицами. В плёнках с х = 0,40 имеются определённые области с размерами 0,3-0,5 мкм, где плотность металлических частиц в 2-3 раза выше, чем для больших концентраций. Расстояние между частицами в этих областях от 10 до 100 нм. При дальнейшем увеличении х плотность таких областей увеличивается, кроме того, появляется выделенное направление этих областей. Далее при увеличении х до 0,43 растут размеры частиц от 50 до 100 нм при уменьшении среднего расстояния между ними до 100 нм. Для плёнок с х = 0,45 наблюдается увеличение размера магнитных областей до 100-150 нм; расстояние между ними — 0,3-0,4 мкм. Начинают вырисовываться области уплотнения магнитных частиц в форме нитей. При дальнейшем увеличении до х = 0,48 возникают области уплотнения магнитных частиц в форме ветвей. В области концентраций с 0,43 < х < 0,48 возникает структурный переход или явление перколяции. Период поперечной структуры нитей — порядка 0,4 мкм, с прямым участком нитей до 2 мкм. При следующем увеличении х до 0,51 вместо прямых нитей появляются зигзагообразные, расстояния между которыми 0,5-0,7 мкм. Для плёнок с х = 0,53 увеличивается сила взаимодействия зонта МСМ с поверхностью плёнок, то есть увеличилась плотность магнитных частиц в зигзагообразных нитях, а концентрация диэлектрических частиц в них уменьшается. При дальнейшем увеличении концентрации до х = 0,59 ширина магнитных областей в виде зигзагообразных нитей увеличивается до 2 мкм, а длина прямых участков нитей уменьшается до 2 мкм. При х = 0,62 зигзагообразность магнитных областей исчезает, а вместо них возникают замкнутые магнитные области (наподобие тора), которые имеют почти нулевые значения нормальной компоненты вектора намагниченности, и, соответственно, слабую силу взаимодействия зонд - область поверхности. Для самых больших концентраций металлического сплава х = 0,64 имеются соседние области длиной до 2 мкм с противоположным направлением намагниченности. То есть композитная плёнка имеет структуру, близкую к магнитной однородной металлической плёнке, в которой хаотически распределены диэлектрические частицы.
Для исследования влияния микро- и наноструктуры на потери электрической мощности ВЧ и СВЧ-сигналов в тонких плёнках были выбраны композитные металл-диэлектрические плёнки, поскольку их проводимость на постоянном токе меняется на два-три порядка в зависимости
от концентрации металлического сплава х [2-4]. По поведению спектров коэффициента передачи в линии, включающей композитные плёнки, можно определить тип динамической проводимости плёнок в зависимости от частоты и концентрации х. Композитные плёнки обладают сильно изменяющимися проводящими свойствами в ВЧ и СВЧ-диапазонах, которые в значительной степени определяются нано- и микроструктурой [2-4]. Как показано на рис. 1, композитные плёнки состоят из сложной неоднородной композиции проводящих и непроводящих микро- и нанообластей, которые для средних концентраций металлического сплава можно представить в виде упрощённой эквивалентной электрической схемы, состоящей из резисторов, индуктивностей и конденсаторов, которые могут соединяться как последовательно, так и параллельно [4]. Проводящие области, имеющие контакты друг с другом, являются участками линии с последовательно соединёнными сопротивлением и индуктивностью. Проводящие области, разделённые диэлектрическими, малыми по ширине, областями, являются конденсаторами. Большой набор электрических элементов микро- и наноразмеров в композитной плёнке [4] можно заменить упрощённой эквивалентной электрической схемой из двух ветвей, изображённой на рис. 2.
<К|> <1л>
Рис. 2. Упрощённая эквивалентная электрическая схема композитной плёнки
В первой верхней ветви расположены усреднённое сопротивление <Я1> и индуктивность <Ь]>, а во второй ветви: усреднённая ёмкость <С>, сопротивление <Я2> и индуктивность <Ь2> (далее знак усреднения < > опускаем). Только по первой ветви может протекать постоянный и переменный ток на низких частотах в исследованных композитных плёнках. Измерения удельного сопротивления по постоянному току в данных композитных плёнках приведено в работах [2; 4]. Для композитных плёнок величины Я, Ь, С, определяющие импеданс, определяются соотношением концентраций металлической х и диэлектрической фаз и формой, размерами микро- и нанообластей (гранул) в плёнках.
Были получены спектры коэффициента передачи мощности К(/) в линии из двух коаксиальных кабелей и модуля с композитными плёнками [^е0,5Со0^Г0,01)*+(А12Оз)(1-х)/5] с разной атомной концентрацией металлического сплава х: 0,28; 0,40; 0,43; 0,45; 0,66 (рис. 3).
500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000
500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000
Г,\Ш/
Рис. 3. Спектры коэффициента передачи по мощности в линии с композитными плёнками при х: 1 — 0,28; 2 — 0,40; 3 — 0,43; 4 — 0,45; 5 — 0,66
Из спектров, показанных на рис. 3, видно, что в линии, соединяющей ГКЧ и АС, возникает интерференция. Интервал частот Д/ между ближайшими пиками можно определить по формуле Д/ ~ и/2/, где и — скорость распространения сигнала тока в линии, / — расстояние между неодно-родностями (контактами) в линии [11. С. 61]. Из рис. 3 также видно наличие локальных минимумов на частотах 1,5 и 3 ГГц, скорее всего связанных с интерференцией волн тока внутри модуля между контактами с плёнкой. По виду спектров К(/) можно определить характер электропроводности плёнок в зависимости от концентрации металлического сплава х и частоты. При х < 0,28 композитная плёнка представляет собой диэлектрическую матрицу, в которой имеются металлические включения в виде мелких гранул и частиц. Для плёнок с такой структурой характерна диэлектрическая проводимость, которая не проводит ток до значительно высоких частот порядка 2 ГГц. На частотах выше 2 ГГц наблюдается уменьшение потерь и рост тока, проходящего через плёнку, что характерно увеличению тока смещения за счёт переизлучения распространяющейся электромагнитной волны, пропорциональной 4 степени частоты, металлическими включениями в плёнке. Поэтому для СВЧ-диапазона в плёнках с такой структурой начинается уменьшение по-
терь с ростом частоты /. Для концентраций от 0,3 до 0,4 возникают области с близко расположенными металлическими частицами. Проводимость здесь возможна за счёт ёмкостной составляющей импеданса К1~(1/2лС/), где С — усреднённая ёмкость конденсатора, составленного из соседних гранул плёнки. За счёт увеличения размеров металлических частиц в плёнке повышается их проводимость, как следствие увеличивается величина вихревых токов, экранирование усиливается, что приводит к увеличению потерь на низких частотах до 1 ГГц (кривая 2, рис. 3). Такое поведение структуры подтверждается изображениями фазового контраста МСМ, на которых видны форма, топология и размеры магнитных областей композитных плёнок, показанных на рис. 1. Размеры магнитных областей должны коррелировать с размерами и формой металлических областей.
Для плёнок с х = 0,41 до 0,43 характерна промежуточная проводимость вплоть до верхних частот 3 ГГц. При этом спектр меняет свой характер (кривые 2, 3, рис. 3). Для плёнок с х = 0,43; 0,45; 0,66 характерна металлическая проводимость, модуль импеданса Ш будет пропорционален [(Л + (ю£) ], как и для однородных металлических плёнок. С ростом концентрации х сопротивление Л уменьшается, а с ростом частоты индуктивное сопротивление будет возрастать и, соответственно, мощность потерь будет расти (кривые 3-5, рис. 3). Для х = 0,43 характерна нитеобразная параллельная структура, которая хоть и обеспечивает металлический характер проводимости, однако линии металлических прожилок составляют только половину плёнки, что приводит к ещё большему затуханию на низких частотах (К = 24 dBm). Нитеобразные и лабиринтопо-добные структуры появляются при увеличении концентрации х. Для плёнок с х = 0,51 характерна лабиринтоподобная структура (рис. 1д). Лабирин-топодобная структура позволяет току распространяться по путям с меньшим сопротивлением, что также обеспечивает металлический характер проводимости, в результате затухание тока в таких плёнках слабее. Для композитных плёнок с х = 0,66 характерна металлическая сетка с некоторыми диэлектрическими включениями, что должно характеризовать металлический характер проводимости. Диэлектрические включения позволяют уменьшить рост потерь с увеличением частоты в диапазоне до 1,5 ГГц (кривая 5, рис. 3).
Для построения зависимостей мощности электрических потерь тока в линии с композитными плёнками от концентрации металлического сплава х в СВЧ-диапазоне мощность сигнала определялась
из среднего значения от огибающих линий, соединяющих минимальные и максимальные значения осциллирующего коэффициента передачи К(/). Полученные зависимости изображены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости рассеиваемой мощности сигналов
тока в линии с композитными плёнками от х при /(ГГц): 1 — 3,0; 2 — 2,8; 3 — 2,4; 4 — 2,0. Символом Р, = 1-0,001*1 (, = 1, 4, 7) обозначено Р^в шШ
На вставке рис. 4. видно, что при малых х (0,25 < х < 0,30) наблюдается увеличение Р^ с ростом х, что объясняется увеличением омических потерь СВЧ тока за счёт скин эффекта в композитных плёнках. При возрастании х от 0,40 до 0,45 происходит смена типа проводимости, которая обусловлена структурным переходом в композитных плёнках (рис. 1). При х > 0,44 мощность потерь Р^ резко уменьшается с ростом х за счёт увеличения количества проводящих каналов и уменьшения удельного электрического сопротивления, а с ростом частоты Р¿¡¡, возрастает (кривые 1-4, рис. 4), вследствие увеличения индуктивного сопротивления в плёнках.
В работе описан новый метод исследования электрических потерь мощности ВЧ и СВЧ-сигналов тока в тонких композитных плёнках. Получены спектры коэффициента передачи по мощности в линии с композитными плёнками в диапазоне частот 9^3 ГГц. Показано, что представив компо-
зитные плёнки в линии передачи в виде упрощённой эквивалентной электрической схемы, усреднённые параметры которой определяются концентрацией металлических и диэлектрических фаз плёнок, можно качественно объяснить поведение спектров электрических потерь Р^ для больших концентраций металлического сплава (х > 0,3). Описано влияние активной и реактивной части импеданса эквивалентной схемы на Р^. По поведению спектров Раз/) на высоких частотах (/ >2 ГГц) в линии с композитными плёнками при разной концентрации х можно определять тип динамической проводимости в плёнках. С ростом х и числа проводящих каналов в композитных плёнках, спектры плёнок близки по виду к спектрам металлических плёнок. На основе изображений магнитных областей поверхностей плёнок, полученных с использованием метода МСМ, выявлен структурный переход, обусловленный явлением перколяции, в композитных плёнках при изменении концентрации металлического сплава в интервале 0,40 < х < 0,45. Дальнейшие исследования потерь в линии с плёнками позволят определять модуль комплексной удельной проводимости в ВЧ и СВЧ-диапазонах плёнок, что является важнейшей характеристикой большинства материалов, которые используются в электронных устройствах на этих частотах. Как видно из рис. 3, в исследованных линиях передач сигналов с композитными плёнками х ~ 0,66, плёнки могут быть использованы в качестве фильтров низких частот до 1,8 ГГц. При большом количестве диэлектрика (х < 0,28) ток не проходит (значения амплитуды шумов больше, чем полезного сигнала) через композитные плёнки вплоть до частот 2 ГГц. А при возрастании частоты, начиная с / > 2,2 ГГц, ток резко растёт, а потери падают, что соответствует СВЧ-фильтрам высоких частот с граничной частотой порядка 2,5 ГГц.
Авторы выражают глубокую благодарность В. В. Радаеву за помощь в исследование рельефа и магнитной структуры поверхности плёнок, В. Н. Филипову (Институт геологии КНЦ УрО РАН) за определение состава и толщины плёнок.
Работа выполнена при поддержке РФФИ № 13-02-01401-а.
Список литературы
1. Kim, K. FEM analysis on the effects of soft magnetic film as a noise suppressor at GHz range / K. Kim [et al.] // J. of appl. physics. - 2003. - Vol. 93, № 10. - P. 8588-8590.
2. Kotov, L. N. Influence of annealing on magnetic, relaxation and structural properties of composite and multilayer films / L. N. Kotov [et al.] // J. of Nanoscience and Nanotechnology. - 2012. - Vol. 12, № 2. - P. 1696-1699.
3. Котов, Л. Н. Магнитные и релаксационные свойства многонанослойных плёнок композит - композит/полупроводник / Л. Н. Котов [и др.] // Наноматериалы и наноструктуры - XXI век. - 2011. - № 4. - С. 27-34.
4. Калинин, Ю. А. Особенности отражения СВЧ волн от гранулированных плёнок / Ю. А. Калинин [и др.] // Изв. РАН. Сер. физ. - 2005. - Т. 69, № 8. - С. 1195-1199.
5. Антонец, И. В. Наноструктура аморфных гранулированных композитных пленок (Со^е^г10)х^г203)1-х / И. В. Антонец, Е. А. Голубев, Л. Н. Котов // Изв. Коми науч. центра УрО РАН. - 2015. - Вып. 1 (21). - С. 13-21.
6. Кудряшов, М. А. Частотная зависимость проводимости в нанокомпозитах Ag/PAN / М. А. Кудряшов [и др.] // Журн. теорет. физики. - 2012. - Т. 82, вып. 7. - С. 69-74.
7. Калинин, Ю. Е. Гранулированные нанокомпозиты металл-диэлектрик с аморфной структурой / Ю. Е. Калинин [и др.] // Физика и химия обработки материалов. - 2001. - № 5. - С. 14-20.
8. Кузнецов, Н. Т. Основы нанотехнологии : учебник / Н. Т. Кузнецов. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. - 397 с.
9. Котов, Л. Н. Структура и ширина линии ФМР композитных пленок состава (Со^е^Сгю^А^Оз),, 0,26 < х < 0,63 / Л. Н. Котов [и др.] // Вестн. Челяб. гос. ун-та. - 2013. - № 25 (316). Физика. Вып. 18. - С. 23-26.
10. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи с распределёнными параметрами / С. И. Баскаков. - М. : Высш. шк., 1980. - 152 с.
11. Стрижевский, Н. З. Коаксиальные видеолинии. / Н. З. Стрижевский. - М. : Радио и связь, 1988. - 200 с.
Поступила в редакцию 8 сентября 2015 г.
Сведения об авторах
Котов Леонид Нафанаилович — заведующий кафедрой радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета им. Питирима Сорокина, Сыктывкар, Россия. kotov1n@mai1.ru.
Ласёк Михаил Петрович — лаборант кафедры радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета им. Питирима Сорокина, Сыктывкар, Россия. mp1asek@yandex.ru.
Кирпичёва Ольга Анатольевна — методист центра развития образовательных систем ГОУ ДПО «Коми республиканский институт развития образования», Сыктывкар, Россия. Mer1isa@yandex.ru.
Безносиков Дмитрий Степанович — инженер кафедры радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета им. Питирима Сорокина, Сыктывкар, Россия. uvn71p3@gmai1.com.
Голубев Евгений Александрович — старший научный сотрудник Института геологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар, Россия. go1ubev@geo.komisc.ru.
Калинин Юрий Егорович — заведующий кафедрой физики твёрдого тела Воронежского государственного технического университета, Воронеж, Россия. ka1inin48@mai1.ru.
Ситников Александр Викторович — доцент кафедры физики твёрдого тела Воронежского государственного технического университета, Воронеж, Россия. sitnikov04@mai1.ru.
Bulletin of Chelyabinsk State University. 2015. № 22 (377). Physics. Issue 21. P. 75-82.
MAGNETIC STRUCTURE, HIGH AND ULTRA-HIGH ELECTRICAL LOSSES IN COMPOSITE FILMS (Co0,5Fe0,5Zr0,01)*(Al2O3)a-X)/5
L. N. Kotov1, M. P. Lasek1, O. A. Kirpicheva2, D. S. Beznosikov1, E. A. Golubev3, Yu. A. Kalinin4, A. V. Sitnikov4
1Syktyvkar State University named after Pitirim Sorokin, Syktyvkar, Russia 2Komi Republican Institute for Educational Development, Syktyvkar, Russia 3Institute of Geology of the Komi Science Centre Ural Branch of RAN, Syktyvkar, Russia 4Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Corresponding author M. P. Lasek, mplasek@yandex.ru
High-frequency (HF) and ultrahigh-frequency (UHF) electrical properties and magnetic structures of (Coo)5Feo)5Zro)o1)I(Al2O3)(1_I)/5 thin composite films on a polycrystalline glass substrate were investigated. HF and UHF spectra of a transmit power of current in a transmission line with composite films were ob-
tained. Different types of conductivity of composite films were determined for different concentrations of the metal in composite films and various frequency ranges. A electric circuit with average parameters was proposed to describe spectra of the transmit power in composite films. Magnetic structures of composite films were obtained using atomic force microscopy. As a result of analysis magnetic structures and spectra of the transmit power a structural phase transition was detected.
Keywords: composite films, magnetic force microscopy, micro- and nanostructures, percolation, high and ultrahigh spectra of electrical losses.
References
1. Kim K. et al. FEM analysis on the effects of soft magnetic film as a noise suppressor at GHz range. Journal of Applied Physics, 2003, vol. 93, iss. 10, pp. 8588-8590.
2. Kotov L.N. et al. Influence of annealing on magnetic, relaxation and structural properties of composite and multilayer films. Journal of Nanoscience andNanotechnology, 2012, vol. 12, no. 2, pp. 1696-1699.
3. Kotov L.N. et al. Magnitnye i relaksatsionnye svoystva mnogonanosloynykh plenok kompozit -kompozit/poluprovodnik [Magnetic and relaxation properties of multilayer films of the composite-composite/semiconductor] // Nanomaterialy i nanostruktury - XXI vek [Nanomaterials and Nanostructures - XXI Century], 2011, no. 4, pp. 27-34. (In Russ.).
4. Kalinin Yu.A. et al. Osobennosti otrazheniya SVCh voln ot granulirovannykh plenok [Features reflection of microwaves from the granular films]. Izvestija RAN. Seriya fizicheskaya [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics], 2005, vol. 69, no. 8, pp. 1195-1199. (In Russ.).
5. Antonets I.V, Golubev E.A., Kotov L.N. Nanostruktura amorfnykh granulirovannykh kompozitnykh plenok (Co45Fe45Zr10)x(Zr2O3)i-x [The nanostructure of amorphous granular composite films (Co45Fe45Zr10)x(Zr2O3)i-x]. Izvestija Komi nauchnogo centra UrO RAN [Proceedings of the Komi Science Centre of the Ural Division of the Russian Academy of Sciences], 2015, iss. 1(21), pp. 13-21. (In Russ.).
6. Kudryashov M.A. et al. Chastotnaya zavisimost' provodimosti v nanokompozitakh Ag/PAN [The frequency dependence of conductivity in nanocomposites Ag/PAN]. Zhurnal teoreticheskoy fiziki [Technical Physics], 2012, vol. 82, iss. 7, pp. 69-74. (In Russ.).
7. Kalinin Yu.E. et al. Granulirovannye nanokompozity metall-dielektrik s amorfnoy strukturoy [Granular Nanocomposites metal-insulator with an amorphous structure]. Fizika i khimiya obrabotki materialov [Physics and Chemistry of Materials Treatment], 2001, no. 5, pp. 14-20. (In Russ.).
8. Kuznetsov N.T. Osnovy nanotekhnologii [Basics of nanotechnology]. Moscow, BINOM. Laboratoriya znaniy Publ., 2014. 397 p. (In Russ.).
9. Kotov L.N. et al. Struktura i shirina linii FMR kompozitnykh plenok sostava (Co45Fe45Cri0)x(Al2O3)y, 0,26 < x < 0,63 [The structure and the width of the FMR line composite film composition (Co45Fe45Cri0)x(Al2O3)y, 0,26 < x < 0,63]. Vestnik Chelyabinskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Chelyabinsk State University], 2013, no. 25(316), Physics, iss. 18, pp. 23-26. (In Russ.)
10. Baskakov S.I. Radiotekhnicheskie tsepi s raspredelennymi parametrami [Radio engineering chains with the distributed parameters]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1980. 152 p. (In Russ.).
11. Strizhevskiy N.Z. Koaksial'nye videolinii [Coaxial video line]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1988. 200 p. (In Russ.).
Submitted 8 September 2015
Резонансное усиление эффекта Фарадея в диэлектрических многослойных наноструктурах
83
Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 22 (377). Физика. Вып. 21. С. 83-88.
УДК 537.6, 537.311.33
РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОСТРУКТУРАХ
М. Р. Жумаев, М. З. Шарипов
Бухарский инженерно-технологический институт, Бухара, Республика Узбекистан
Исследовано явление поворота угла плоскости поляризации в диэлектрических средах и найдены условия усиления эффекта Фарадея в многослойных нано размерных структурах.
Ключевые слова: эффект Фарадея, резонансное усиление, показатель преломления, световое поле, поляризация.
Введение
Основной проблемой проектирования одномерных наноструктур для различных применений является увеличение величины угла поворота плоскости поляризации и интенсивности света, распространяющегося через многослойные кристаллы.
В настоящей работе исследуются выше названные задачи для наноразмерных многослойных немагнитных диэлектрических кристаллов. Этот выбор обусловлен тем, что только в чисто диэлектрических материалах возможно возбуждение волноводных мод. В то же время в металло-диэлектрических структурах происходят связанные колебания электронов и локализованного электромагнитного поля.
Вращения плоскости поляризации в диэлектрических средах
Диэлектрическая проницаемость изотропных и однородных сред, согласно теории Максвелла, определяется следующим выражением [1]:
в = 1+а. (1)
Здесь а характеризует поляризуемость среды и определяет результирующий электрический дипольный момент электронов в единице объёма
Р = ЩГ0 = е 0 аЕ0, (2)
где N — концентрация электронов;
ц = -е — заряд электрона;
Г — амплитуда смещения электрона относительно его положения равновесия;
е0 — электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума);
Ё0 — амплитуда напряжённости электрического поля света.
Следовательно, для нахождения поляризумости диэлектрика а и его диэлектрической проницае-
мости е амплитуду электронных колебаний г0 надо выражать через амплитуду поля Е0 . Строго говоря, в этом случае следует рассматривать коллективизированные колебания электронов, так называемую волну поляризации, вместе с электромагнитным полем [2]. Но мы далее ограничимся случаем, когда задачу можно решать в линейном приближении.
В этом примере электрическое поле света можно считать однородным, а также полагать, что квази упругая возвращающая сила и сила сопротивления, действующие на электрон тоже линейны, то есть пропорциональна его смещению г и скорости 9.
Таким образом, в линейном приближении уравнение движения электронов можно записать в следующем виде:
й 9
т — = -аг + Ь9 + ц [Е + [9, В ]),
(3)
где а — эффективный коэффициент упругости;
Ь — эффективный коэффициент сопротивления;
Ё = (Ёх, Ёу ,0) — напряжённость электрического поля электромагнитной волны;
В = (0,0, В) — индукция приложенного магнитного поля.
Далее, записывая векторное уравнение движения (3) в скалярном виде, получаем следующую систему уравнений связанных колебаний:
т—— = -ах - Ь9х + цЕх + цВ9 у
Ж
й 9у \__
Ж
■ = -ау - Ь9 у + цЁу - цВ9х
