CC BY
54
УДК 537.635
Л. А. Митлина, А. А. Сидоров, Г. С. Бадртдинов
НЕСОВЕРШЕНСТВО СТРУКТУРЫ, МАГНИТНЫЕ И СВЧ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК МАРГАНЦЕВЫХ ФЕРРОШПИНЕЛЕЙ
Рассмотрено влияние степени дефектности структуры на параметры ферромагнитного резонанса и магнитной анизотропии монокристаллических плёнок феррошпинелей. Оценены внутренние напряжения, характеристики наведённой одноосной анизотропии в плоскости плёнки. Получено удовлетворительное согласие констант одноосной анизотропии, определённых методом вращательных моментов и методом ферромагнитного резонанса.
Введение. Многие физические свойства плёнок феррошпинелей зависят от несовершенства кристаллического строения, которые определяются технологическими условиями синтеза [1]. Плёнкам феррошпинелей свойственны следующие несовершенства: точечные дефекты (вакансии, междоузель-ные и примесные атомы) [2]; дислокации и их скопления [3, 4]; дисперсность мозаичных блоков и степень их разориентировки [5], микродеформации (микронапряжения) [5].
Внутренние напряжения в плёнках феррошпинелей определялись методом рентгеновской тензометрии [5, 6], по радиусу кривизны [7], методом ферромагнитного резонанса [8]. Значительными внутренними напряжениями объясняются некоторые особенности магнитных свойств: магнитной анизотропии, доменной структуры, спектров ферромагнитного резонанса [7, 8]. В упругодеформи-рованной плёнке внутренние напряжения могут изменить направления вектора намагниченности [9], а также привести к дисперсии магнитной анизотропии в случае неравномерного их распределения.
В данной работе предпринята попытка изучения влияния выше указанных структурных особенностей на магнитные свойства плёнок марганцевых феррошпинелей: параметры ферромагнитного резонанса, магнитную анизотропию.
Объекты и методы исследования. Для исследования были выбраны плёнки исходного состава МпхЕез_хО4 с х = 1; 0,65, выращенные методом химических транспортных реакций на свежих сколах (001) плоскости оксида магния.
При выборе химического состава феррошпинелей исходили из потенциальных возможностей практического применения данного типа феррошпинелей в СВЧ устройствах из-за высокой намагниченности (~ 3000-5000 Гс) и больших полей анизотропии (~ 100-200 Э).
По данным рентгеноструктурного и микроструктурного анализов синтезированные образцы однофазны и имеют структуру шпинели с химическим составом, сдвинутым в сторону обогащения марганцем.
Исследование спектров ферромагнитного резонанса (ФМР) проводились на полуавтоматизиро-ванной установке в трёх сантиметровом диапазоне длин волн (рис. 1). При помощи специального приспособления образец можно было ориентировать своими кристаллографическими осями по отношению к полю электромагнита. Измерения проводились в плоскости (001), в которой расположены два основных направления [100] и [110].
Для расчёта констант анизотропии из кривых вращательных моментов использован метод наименьших квадратов [10, 11], позволивший рассчитывать гармоники вплоть до восьмого порядка.
13
Рис. 1. Блок-схема установки ФМР: 1 — СШ-гене-ратор, 2 — аттенюатор, 3 — вентиль, 4 — резонатор, 5 — детекторная секция, 6 — потенциометр двухкоординатный самопишущий, 7 — вольтметр, 8 — датчик Холла, 9 — миллиамперметр, 10 — блок питания датчика, 11 — электромагнит, 12 и 13 — источники питания
При этом Ki = ^Я(2А4 + 2А8); Ки = j'f\JА\ + В\\ (3 = arctg^—-g|^, где Ап и Вп — амплитуды п-ой
гармоники соответственно при sin р и cos р; Со —упругая постоянная нити; V — объём образца; в — угол ориентации оси наведённой магнитной анизотропии относительно направления [100].
Результаты эксперимента и их обсуждение. В монокристаллических плёнках с отрицательным значением первой константы кристаллографической анизотропией, к которым относятся плёнки феррошпинелей, направления лёгкого намагничивания совпадают для плоскости (001) с кристаллографическим направлением [110], трудного намагничивания—с [100]. Экспериментально для плёнок феррошпинелей это подтверждается на зависимости намагниченности от величины магнитного поля
ІЗб
(рис. 2) и ориентационной зависимости поля резонанса (рис. 3)
Одной из важнейших характеристик плёнок является ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР). Из данных о ширине линии ФМР (АН) и резонансного поля (Н) может быть вычислен коэффициент затухания а = характеризующий процессы релаксации магнитного момента в плёнке и определяющий пригодность её для работы в том или ином диапазоне частот.
Исследования ФМР в плёнках (табл. 1) показали, что ширина линии больше в направлении [110], чем в [100], коэффициент затухания составляет ~ 10-2, что согласуется с данными для объёмных феррошпинелей [12].
Наибольшая анизотропия АН для кристаллографических направлений [110] и [100] характерна для образцов с анизотропным распределением дислокаций по поверхности образца (рис. 4)
На ширину линии ФМР существенное влияние оказывает давление воздуха в камере синтеза. Увеличение давления воздуха в 2,5 раза приводит к росту удельного сопротивления, что свидетельствует о снижении концентрации анионных вакансий, т. е. переходу Ре2+ ^Ре3+, и соответственно к уменьшению ширины линии ФМР в 2-4 раза (табл. 2).
Степень пластической деформации плёнок, произошедшей в процессе роста и последующего охлаждения, существенно влияет на частотную зависимость АН (рис. 5). Наиболее резкая зависимость АН от частоты наблюдается для плёнок исходного состава МпРе204 с анизотропным распределением дислокации.
Знание резонансных полей для различных кристаллографических направлений позволяет произвести оценку внутренних напряжений.
Условия резонанса для кристаллографических направлений [100] и [110], находящихся в плоскости плёнок феррошпинелей (001), определяются соотношениями [13]:
2 (тт 2К\\( 2К\ ( ЗАюо
— ) = ( #100 + -Т~Г ) ( #100 + —Ь 47Г ( М8 +
2
2К,\/ ж, 4 Л ЗА^\
7 ) Vя”0 “ Ж) Г110 + Ж + 4’ Г’ + 4*М, )
Рис. 2. Зависимость намагниченности плёнки марганце- Рис. 3. Ориентационная зависимость поля вого феррита от величины магнитного поля в различных резонанса в плоскости плёнки на частоте кристаллографических направлениях: 1 — [110], 2 — [100], 11,68 ГГц
3 — [001]
Т аблица 1
Резонансные параметры плёнок исходного состава MnFe2 O4
№ образца Частота, ГГц Резонансные поля Полуширина резонансной кривой Коэффициент затухания
#юо, Э #по, Э А#юо, Э А#юо, Э а юо «но
А-98 8,82 2042 1736 19,9 38,7 9,7- 10“3 3,2 • 10“2
А-90 10,89 2230 1920 20 28 8,9 • 10_3 1,45 • 10“2
А-92 10,89 2160 1880 43 52 2,0 • 10“2 2,7 • 10“2
А-118 8,82 1798 1486 18,8 81 1,05 • 10“2 5,4 • 10“2
А-88 9,7 2300 1968 17 23 со 1 О т-Ч СО г- СМ 1 О т-Ч СЧ т-Ч
Таблица 2
Влияние давления воздуха в камере синтеза на резонансные параметры пленок
исходного состава MnFe2O4
Давление воздуха в камере синтеза, Па Толщина плёнки, мкм Удельное сопротив- ление, Ом-см Резонансные поля Поле анизотропии #а, Э Ширина линии ФМР
#110, Э Н юо, Э Д-Нкю, Э Д-Нпо, Э
33 3 • 102 2161 2023 110 72 90
1,1 • ю3 50 1 • 102 2186 1973 170 79 90
55 2 • 102 2073 1985 70 84 110
30 2 • 102 1960 1859 81 16 24
27•103 23 1 • 102 1997 1872 100 16 21
46 7-Ю2 1960 1872 70 31,4 49
Рис. 4. Дислокационная структура плёнки исходного состава МпГе204 (образец А—118); увеличено в 150 раз
8 9 10 11 /, ГГц
Рис. 5. Частотная зависимость АН для плёнок исходного состава Мпо,б5Гє2,зб04 с хаотическим распределением дислокаций по поверхности (1) и короткими скоплениями (3); для плёнок исходного состава МпЕе2 04 с короткими скоплениями (2) и мощными скоплениями дислокаций (4)
В плоскости (001) кубических кристаллов существует приближенное равенство для резонансного поля:
и К 1 /3 5
Н
рез
7
- + - С08 4р
2Мэфф
Из этого равенства для На и 47гМэфф с учётом у?1 = 0 и у?2 = ^, если этим углам соответствуют резонансные И100 и Ицо, следуют выражения:
4
На, = —- (Нюо — Нцо)
5
4пМэфф =
(Нпо + (Нпо ~ Яа) - (Н100 + Нау
Нюо — Нцо + 2Яа
Учитывая что 4пМэфф = 4пЫ3+3Аюоа/Ы3, где А100 = —28,8-10—6 [14] для марганцевого феррита, были оценены остаточные внутренние напряжения для плёнок исходного состава МпРе204-
В табл. 3 приведены резонансные поля на частоте 9,75 ГГц, эффективная намагниченность (4пМэфф), поле анизотропии (Иа), значение первой константы кристаллографической анизотропии (К1) определённой методом вращательных моментов.
В табл. 4 приведены значения константы одноосной анизотропии в плоскости плёнки (КЭкс), определённой методом вращательных моментов, расчётные значения внутренних напряжений (а), константы одноосной анизотропии (КЦрасч), угла отклонения (9) оси лёгкого намагничивания от [110] и угла в между осью [100] и направлением одноосной анизотропии.
Для расчёта Ки, 9 и в использовались выражения, предложенные в работе [9]:
ки = ~ и 16
(<тх - (Т,)2 01
(Си-С12)2
+
СІІ
в =
/Зі (ах - а.) 4ііі (Си — С12) ’
Таблица 3
Магнитные параметры плёнок исходного состава MnFe2O4
№ образца #ю о, Э Яио, Э Яа, Э 4тг Мэфф, Гс г я, ■ Гс К1 ■ 10 4, эрг-см 3
А-98 2250 1950 240 3198 243 -2,95
А-102 2188 1906 226 3318 242 -2,77
А-104 2210 1910 240 3530 231 -2,58
А-119 2125 1834 233 3213 208 -3,65
А-89 2250 1930 256 3407 255 -2,38
А-82 2160 1880 224 3276 313 -3,26
А-92 2130 1880 200 3234 287 -3,5
А-112 2126 1834 234 3221 282 -2,87
Таблица 4
Технологические условия получения, внутренние напряжения и характеристики одноосной анизотропии в плоскости плёнки
№ образца <т, МПа кГч о эрг-см 7>^ЭКСП о эрг-см в драсч дэксп Тс, “С ^под Лил V», мкм/мин "^ОХЛ) град/мин
А-98 38,6 1170 2000 2°15' 24°26' 33° 1060 36 2,2 300
А-102 76,84 2350 2700 4°34' 30°51' 34° 1060 30 2,2 300
А-104 168,77 5140 4400 10°46/ 30°6' О со сч 1060 32 2,2 600
где /3\ = — §Аюо (Си — С12), /?2 = —§АшС44 — магнитоупругие константы [14].
Для расчёта напряжений их, ихх использовались формулы [15, 16] для относительной упругой
деформации: еупр = ^; для деформации, обусловленной эффектом Пуассона, ' еупр;
&хг ~ §—напряжение сдвига для системы {110} (110) с точечной симметрией кристалла тЗт, к которой относятся феррошпинели.
Закономерности изменения микроструктуры и внутренних напряжений в плёнках феррошпинелей определяются условиями синтеза, в частности скоростью роста (^р), скоростью охлаждения (^охл), температурой синтеза (Тс), соотношением толщины подложки и плёнки (^под/^пл). При сравнительно одинаковых Тс, ур, ^под/^пл внутренние напряжения увеличиваются с ростом скорости охлаждения (табл. 4). При этом соответственно растут значения константы одноосной анизотропии и угол (9) отклонения ОЛН от направления [110]. Первая константа (табл. 3) и угол между [100] и осью наведённой анизотропии изменяются незначительно.
Наличие блоков и других структурных дефектов является причиной неоднородности магнитной структуры монокристаллических плёнок феррошпинелей [1]. Их можно рассматривать как результат воздействия на намагниченность различного рода внутренних полей — полей наведённой и кристаллографической анизотропии. Полную ширину линии ФМР можно представить в виде трёх слагаемых [17]:
АН = АН0 + АНк + АНв,
где АН0 — собственная ширина линии ФМР, АНк — уширение, связанное с амплитудной дисперсией анизотропии, АН в — уширение, обусловленное угловой дисперсией. При больших частотах АН® ^ ~ 2На ■ 92, где 9 — угол отклонения оси лёгкого намагничивания блока оси среднего направления ОЛН. Величина АНк в среднем для всех блоков ~ М ■ 9.
Расчёт (табл. 5) показы-
Таблица 5
Экспериментальная и расчётная ширина линии ФМР
вает, что экспериментальные значения ширины линии ФМР удовлетворительно описывается уширением, связанным с амплитудой дисперсионной анизотропии.
Проведённые исследования показали, что для всех рассматриваемых образцов имеет место отклонение ОЛН от направления [110]. Константы одноосной анизотропии, определённые различными методами, совпадают по порядку величины. Наблюдается
№образца в, рад 2 Кг II, яа АНК АН0 А Ярасч А Нэкс Ан100
А-102 0,0378 242 240 19,43 1,45 20,88 23,9
А-119 0,17577 208 237,8 36,56 7,35 43,93 43
тенденция уменьшения константы одноосной анизотропии с ростом степени пластической деформации, что не противоречит выводам работы [18].
Плёнки феррошпинелей, полученные газофазным методом, в силу трёхмерного роста [1] имеют блочную структуру с размером блоков ^3-600 мкм в зависимости от химического состава и технологических условий. Размеры блоков превышают радиусы обменного взаимодействия ^30-90 нм [6]. Такие плёнки в целом должны характеризоваться [19] разбросом локальных осей лёгкого намагничивания. А наличие угловой дисперсии анизотропии должно приводить к различию интегральных характеристик плёнок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Митлина, Л. А. Физико-химические основы получения, дефектность структуры и свойства монокристаллических плёнок феррошпинелей [Текст] / Л. А. Митлина // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер: Физ.-мат. науки. — 2004. — № 30. — С. 114-149. — ISBN 5-7964-0622-1.
2. Митлина, Л. А. Структурные дефекты и явления переноса в эпитаксиальных феррошпинелях [Текст] / Л. А. Митлина, А. Д. Харламов, И. В. Колосова, А. Е. Левин // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер: Физ.-мат. науки. — 1998. — № 6. — С. 47-54. — ISBN 5-7964-0084-3.
3. Alekcandrov, L. N. Dislocation structure of epitaxial ferrospinel films [Text] / L. N. Alekcandrov, L. A. Mitlina, A.L. Vasilyev, V. A. Mikhailov // Cryst. Res. Technol. — 1986. — Vol. 20, No. 1. — P. 89-95.
4. Fitzgerald, A. G. Defects in epitaxial ferrite films grown by chemical vapour deposition [Text] / A. G. Fitzgerald, G. May // Thin Solid Films. — 1976. — Vol. 35, No. 2. — P. 201-213.
5. Алавердова, О. Г. Неоднородность деформации и субструктура эпитаксиальных слоев MgxMn1-xFe2O4/MgO [Текст] / О. Г. Алавердова, Л. П. Коваль, И. Ф. Михайлов и др. // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. — 1982. — Т. 18, № 6. — C. 1020-1024.
6. Беккер, Я. М. Механические напряжения в плёнках ферритов их магнитные свойства [Текст] / Я. М. Беккер, Г. М. Зотова, С. А. Майоров / В сб. Магнитные плёнки. —Минск: Вышейшая школа. — 1974. — С. 68-72.
7. Митлина, Л. А. Анизотропия плёночных монокристаллов магний-марганцевого феррита наведённая пластической деформацией [Текст] / Л. А. Митлина, А. В. Пец, В. В. Молчанов // Изв. вузов. Физика. — 1982. — № 3. — С. 31-34.
8. Митлина, Л. А. Неоднородные моды ФМР в плёнках марганцевых феррошпинелей [Текст] / Л. А. Митлина, А. А. Сидоров, А. Д. Харламов // Изв. вузов. Физика. — 1987. — № 11. — С. 57-61.
9. Березин, Д. Г. О природе одноосной анизотропии в монокристаллических плёнках Li феррита [Текст] / Д. Г. Березин, В. П. Гаврилин // Магнетизм и электроника (ферритовые плёнки). — 1982.—T. 104.—С. 141-144.
10. Митлина, Л. А. Магнитная анизотропия пленок марганцевого феррита [Текст] / Л. А. Митлина, А. А. Сидоров, А. Л. Васильев // Магнитные свойства кристаллических и аморфных материалов: Сб. научн. трудов. — Иркутск: ИГПИ, 1983.— С. 171-173.
11. Митлин, В. М. К методике обработки кривых вращательных моментов плёнок на ЭВМ [Текст] / В. М. Митлин,
A. А. Сидоров // Магнетизм и электроника: Сб. научн. тр. — Куйбышев: КГПИ. — 1980. — С. 153-156.
12. Белов, К. П. Магнитные и СВЧ свойства монокристаллов магний-марганцевых ферритов [Текст] / К. П. Белов, Ф. В. Белов, А. В. Залесский, А. А. Попова // В сб.: Ферриты. — Минск: Изд. АН БССР, 1960.—C. 83-88.
13. Гуревич, А. Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках [Текст] / А. Г. Гуревич.—М.: Наука, 1973.— 591 с.
14. Смокотин, Э. М. Температурная зависимость магнитострикции простых ферритов [Текст] / Э. М. Смокотин,
Э. В. Рубальская и др. // Изв. Ан СССР. Физика. — 1970. — Т. 34, № 5. — С. 1064-1066.
15. Хирт, Дж. Теория дислокаций [Текст] / Дж. Хирт, И. Лотте. —М.: Атомиздат, 1972. —599 с.
16. Концевой, Ю. А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур [Текст] / Ю. А. Концевой, Ю. М. Литвинов, Э. А. Фаттахов. — М.: Радио и связь, 1982. — 240 с.
17. Саланский, Н. М. Физические свойства и применение плёнок [Текст] / Н. М. Саланский, М. М. Ерухимов. — Ново-
сибирск: Наука, 1975. — 210 с.
18. Дикштейн, И. Е. О магнитной анизотропии ферромагнитных кристаллов с дислокациями [Текст] / И. Е. Дикштейн,
B. В. Тарасенко // ФММ. — 1976. — Т. 42, Вып. 4. — С. 679-683.
19. Кирсанов, Г. Г. Эффективная магнитная анизотропия дисперсионных тонких магнитных плёнок [Текст] / Г. Г. Кирсанов, Д. И. Семенцов, В. В. Сидоренков // ФММ. — 1986.—Т. 61, № 5. — С. 1036-1038.
Самарский государственный технический университет, г. Самара Поступила 13.11.2007
[email protected] В окончательном варианте
03.02.2008
L. A. Mitlina, A. A. Sidorov, G. S. Badrtdinov
IMPERFECTION OF STRUCTURE, MAGNETIC AND OHF PROPERTIES OF MONOCRYSTAL FILMS MANGANOUS FERROSPINEL
Influence of degree of structure deficiency on parameters of a ferromagnetic resonance and magnetic anisotropy of monocrystal films of ferrospinel has been considered. The elastic stress and the uniaxial anisotropy characteristics were approximated. The satisfactory consent of calculation of a constant uniaxial anisotropy is received by a method of the magnetic torque curve and a method of a ferromagnetic resonance.
Samara State Technical University, Samara, Russia Received 13.11.2007
