Магнитоэлектрический эффект в пленках висмут-неодимовых ферритов-гранатов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.21:537.86

МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПЛЕНКАХ ВИСМУТ-НЕОДИМОВЫХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ*

А. Н. Масюгин1, О. Б. Фисенко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

1 E-mail: albert.masyugin@mail.ru

Исследована температурная зависимость магнитострикции и электростриции на эпитаксиальных пленках висмут-неодимовых ферритов-гранатов. Изучено поведение диэлектрической проницаемости пленок в магнитном поле при температурах 80-500 К. Полученные результаты вносят вклад в фундаментальное развитие новых электрооптических устройств и как следствие в ракетно-космической отрасли.

Ключевые слова: магнитострикция, электрострикция, мультиферроик, эпитаксия, висмут-неодимовый феррит-гранат.

MAGNETOELECTRIC EFFECT IN BISMUTH-NEODYMIUM FERRITE-GRANATE FILMS

A. N. Masyugin1, O. B. Fisenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 1 E-mail: albert.masyugin@mail.ru

We investigated the temperature dependence of the magnetostriction and electrostriction on epitaxial films of bis-muth-neodymium ferrite-garnets. We studied the behavior of the dielectric permittivity of films in a magnetic field at temperatures of 80-500 K. The results obtained contribute to the fundamental development of new electro-optical devices and as a result in the rocket and space industry.

Keywords: magnetostriction, electrostriction, multiferroic, epitaxy, bismuth-neodymium ferrite-garnet.

Висмут замещенные иттриевый феррит гранаты находят применение в качестве пространственных модуляторов света, индикаторов и других магнитооптических устройств (МО) в области видимого света [1]. Иттриевый феррит гранат имеет кубическую симметрию с центром инверсии [2] и при низких температурах (ниже 130 К) в них обнаружен структурный переход с триклинным искажением решетки [3]. В пленках (ВгЬи)3(Ре0а)5012 толщиной 10 мкм, выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложке в^ва5012 с ориентацией подложки (210) найдена электрическая поляризация доменных стенок, которую можно переключать внешним магнитным полем [4].

Исследовалось два типа пленок №да2ре5012(450пт)/№2В^Ре40а1012(90пт) на подложке из стекла и №0.5В^5Ре5012(450пт) на монокристаллической подложке 0^ва5012(000) в направлении (111). Пленки получены методом эпитаксиально-го осаждения.

Магнитные свойства пленок исследовались на основе петлей гистерезиса М(Н), измеренных градиентным магнитометром в магнитных полях до 2 кЭ, направленных перпендикулярно и параллельно поверхности пленки. Установлено уменьшение намагничен-

ности насыщения и коэрцитивного поля при замещении железа ионами галлия. Проведено исследование диэлектрической проницаемости в интервале температур 80-500 К и магнитных полей до 13 кОе. Обнаружено увеличение емкости пленки в магнитном поле ниже температуры перехода в магнитоупорядоченное состояние. Максимум магнитоемкости пленки на стекле достигает двух процентов при Т = 200 К (рис. 1). Если подложку и пленку представить в виде последовательно соединенных конденсаторов, измерить емкость подложки и выделить емкость пленки. В этом случае магнитоемкость пленки увеличится на порядок.

Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты (рис. 2) при низких температурах удовлетворительно описывается в модели Дебая с частотой релаксации 5МГц. В области низких частот ю < 300 Гц диэлектрическая релаксация обусловлена перескоком электронов по дефектам пленки 1т(е) ~ с/ю. При температурах выше комнатной в диэлектрическую восприимчивость добавляется диффузионный вклад доменных границ в виде

Яе(е) = 80 + Хэ/(1 + (ют)2) - V ^ (ю), !т(е ) = х0ют/(1 + (ют )2) + с/ю. (1)

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-БРФФИ № 18- 52-00009, № 18-32-00079 mo^.

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

а б

Рис. 1. Магнитоемкость пленок К<!1В12Ге5012(450пт)/Ш2В11Ее40а1012(90пт) на подложке из стекла (а) и Шо.^г.^е^г^Опт) на монокристаллической подложке 0(130а5012 (ООО) (б) от температуры

б

Рис. 2. Частотная зависимость емкости пленки К(!1В12Ге5012(450пт) /Щ2В11Ее40а1012(90пт) на стекле (а)

и тангенс диэлектрических потерь (б): 1 - исходное состояние при Т = 320 К; 2 - после охлаждения в поле Е = 400 в/см и нагреве до Т = 320 К; 3 - после охлаждения в поле Е = 400 в/см при Т = 80 К, 4 - после охлаждения в магнитном поле Н = 12 кОе при Т = 80 К. Емкость и диэлектрические потери, вычисленные в модели Дебая (1) (сплошные линии)

а

Динамические характеристики электрической поляризации на больших временах определим путем измерения заряда при включении прямоугольного импульса напряжения с амплитудой Е = 400 в/ст с частотой ю = 0.01, 0.003 Гц. Зависимость релаксации поляризации от времени невозможно описать одной функциональной зависимостью типа экспоненты, логарифма или степенной функцией.

При включении и выключении электрического поля Е = 400 в/ст изменение электрической поляриза-

ции в магнитном поле достигает 40 % и зависит от направления магнитного поля относительно пленки. Поляризация линейно растет с увеличением магнитного поля и коэффициент магнитоэлектрического взаимодействия является тензором второго ранга Р, = щ Ц-, температурная зависимость которого имеет два максимума.

Неоднородные электрические состояния, типа доменов и доменных границ, определены импедансной спектроскопией. Импеданс и сопротивление на пере-

менном токе квадратично растут с увеличением магнитного поля.

References

1. Ishikawa H., Nakajima K., Machida K., Tanii A. Optical isolators using Bi-substituted rare-earth iron garnet films. Opt. Quantum Electron, 22. P. 517-528 (1990). Doi: 10.1007/BF02189502.

2. Krichevsov B. B., Pavlov V. V., Pisarev P. V. The giant linear magnetoelectric effect in garnet ferrite films, J. Exp. Theor. Phys. Lett, 49 (8) (1989). P. 466-469.

3. Kita E., Takano S., Tasaki A., Siratori K., Kohn K., Kimura S. Low-temperature phase of yttrium iron garnet (YIG) and its first-order magnetoelectric effect, J. Appl. Phys. 64 (1988) 5659-5661. Doi: 10.1063/1.342262.

4. Pyatakov A. P., Sechin D. A., Sergeev A. S., Ni-kolaev A. V., Nikolaeva E. P., Logginov A. S., Zvezdin A. K. Magnetically switched electric polarity of domain walls in iron garnet films, EPL. 93 (2011). Doi: 10.1209/0295-5075/93/17001.

© MacroraH A. H., Oncemo O. E., 2018