CC BY
41
Физика твердого тела
УДК 537.635
Л.А. Митлина, Ю.В. Великанова
ВЛИЯНИЕ ПОТЕРЬ НА ПАРАМЕТРЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН
Показано, что учет диссипации в дисперсионном уравнении приводит к ограничению значений волновых чисел и граничных частот области существования поверхностных магнитостатических (ПМСВ) волн в пленках феррошпинели М£0 ,25МПо, 7^е204. Сравнение данных области существования ПМСВ без учета и с учетом потерь дало основание полагать, что потери ведут к сужению этой области. На основании измерения дисперсии и затухания волн определено время задержки.
Проблемы улучшения параметров СВЧ устройств на магнитостатических спиновых волнах (МСВ), необходимость миниатюризации устройств и снижение энергозатрат требуют разработки новых пленочных магнитных материалов с высокой намагниченностью и большими полями анизотропии. К ним относятся эпитаксиальные феррошпинели [1-5].
Простейшими из этих устройств являются линии задержки - управляемые постоянным магнитным полем или дисперсионные (с задержкой, зависящей от частоты) [6]. Они необходимы для обработки сигналов в современных системах радиолокации и связи. Интерес к таким линиям задержки обусловлен тем, что скорость распространения спиновых волн значительно (на несколько порядков) меньше скорости распространения обычных электромагнитных волн в волноводах, и поэтому те же задержки могут быть достигнуты при значительно меньших размерах линии. При допустимых потерях такие линии на ЖИГ позволяют получить время задержки, регулируемое в пределах приблизительно 0,01-1 мкс [6].
В настоящее время еще не выяснены закономерности распространения МСВ в пленках ферритов - шпинелей, а также свойства пленочных структур на МСВ [7].
Объекты и методы исследования. Для исследования были выбраны пленки состава Mgo,25Mno,75Fe204, выращенные методом химических транспортных реакций на (001) плоскости оксида магния. Изучение распространения МСВ в пленках феррошпинелей проводились методом движущегося преобразователя [8] с помощью макета линии задержки. При касательном намагничивании наблюдаются поверхностные МСВ (ПМСВ).
Результаты эксперимента и их обсуждение. Наличие блоков и других структурных дефектов является причиной неоднородности магнитной структуры эпитаксиальных феррошпинелей. Ее можно рассматривать как результат воздействия на намагниченность различного рода внутренних полей - полей наведенной и магнитокристаллической анизотропии [9]. Полную ширину линии ферромагнитного резонанса (ФМР) можно представить в виде суммы трех слагаемых [10]:
АН = АН0 + АНк + АНф , где АН0 - собственная ширина линии ФМР; АН - уширение, связанное с амплитудной дисперсией анизотропии; АНф - уширение, обусловленное угловой дисперсией. При больших частотах АНф ~ 2НаФ2 , где Ф0 - угол отклонения оси легкого намагничивания (ОЛН) блока
от среднего направления ОЛН. Величина АНк в среднем для всех блоков порядка МФ0.
Методом радиочастотного резонанса [10,11] была оценена угловая дисперсия в рассматриваемых образцах марганцевого феррита. Для пленок толщиной 20 мкм, где размер блока • ~ 10-2 см, угловая дисперсия в плоскости пленки Ф0~3+5°; для 50 мкм, где • ~ 10-1 см, Ф0-10+12°, пространственная дисперсия -10+15°. Уширение линии ФМР, связанное с амплитудной дисперсией магнитной анизотропии при указанных Ф 0, - мало. А уширение, обусловленное угловой дисперсией при малых подмагничивающих полях, -13+70 Э.
98
Для оценки блочности в 3-х см диапазоне длин волн, когда поля резонанса ~ 2000 Э, угловая дисперсия должна быть порядка разориентации блоков. Из рентгеноструктурных исследований пленок магний-марганцевого феррита двухкристальным спектрометром [12] следует, что 0-10+14'.
При намагниченности насыщения М -300 Гс вклад блочности АН к —4 Э.
Данные из спектров ферромагнитного резонанса позволяют рассчитать эффективный пара-АН
метр затухания а =---- (табл. 1), где АН - полуширина резонансной кривой, Нр - резонансное
Н р
поле. С увеличением частоты (8,8+11,4) ГГц, на которой проводились исследования ФМР, коэффициент затухания растет, оставаясь в пределах одного порядка.
В связи с этим при рассмотрении распространения МСВ в пленках феррошпинели необходимо проведение дополнительного анализа спектра ПМСВ с учетом затухания.
При касательном намагничивании пленки дисперсионное уравнение имеет вид [14]. Влияние диссипации на спектр ПМСВ учтем, проведя замену [15] ® ®н + г'аюн , к = к' — 1к",
где к", к" - реальная и мнимая части волнового числа.
Т а б л и ц а 1
Магнитные параметры пленки исходного состава М^о^Мпо^ГегО^ рассчитанные из спектров
МСВиФМР ’
Образец Намагничен -ность насыщения 4яМ0, кГс Первая константа анизотропии К/, эрг/см3 Поле анизотропии НА, Э Толщина пленки d, мкм Полуширина резонансной кривой АН, Э Эффективный параметр затухания а
1 4,30 -3,7-104 125 22 20+28 2,3-10-2
2 2,28 -0,9-104 49 35 38+47 3,7-10-2
3 4,94 -5,0-104 159 15 5+9 3,2-10-2
4 4,47 -3,1104 101 30 9 2 ■I- 21 3,0-10-2
Как видно из рис. 1 для образца 1 с эффективным параметром затухания (параметром диссипации) а = 2,3-10-2, вычисленным из ФМР (табл. 1), намагниченностью насыщения 4,30 кГс и толщиной 22 мкм область существования ПМСВ значительно шире и интервал значений волнового числа больше, чем для 2 образца с эффективным параметром затухания а = 3,7-10-2, намагниченностью насыщения 2,28 кГс и толщиной 35 мкм.
Рассмотрим образцы 3 и 4 с приблизительно одинаковой намагниченностью насыщения (табл. 2). При сравнении образца 3 с эффективным параметром затухания а = 3,2-10-2, толщиной 15 мкм и образца 4 с эффективным параметром затухания а = 3,0-10-2, толщиной 30 мкм видно, что эти образцы имеют приблизительно одинаковые частотные диапазоны, но разные интервалы значений волновых чисел. Из этого следует, что на интервал значений волнового числа оказывает влияние толщина пленки.
а б
Р и с. 1. Спектр прямых и обратных ПМСВ для образцов 1 и 2 в полях: а - Н0 = 400 Э, б - Н0 = 1000 Э
Еще одним параметром, влияющим на ширину дисперсионной кривой, ее смещение и интервал значений волнового числа, является значение подмагничивающего поля.
а б
Р и с. 2. Спектр прямых и обратных ПМСВ для образцов 3 и 4 в полях: а - Н0 = 700 Э, б - Н0 = 1120 Э
Из рис. 1 и 2 видно, что при увеличении поля область существования ПМСВ не только смещается в область больших частот, но и уменьшается интервал частот и значений волнового числа.
Максимально возможное волновое число при данном а будет определяться по формуле
[15]
К =—— 1п ■
т 4й
16
ЮМ
Юм
\2
1 -
1 - а 1 + а2
+ 4а
Ом
которое достигается на частоте
и
2
л/і- а£
(1)
(2)
В табл. 2 представлены найденные по формулам (1) и (2) максимальные значения волнового числа к'т и верхней граничной частоты ют существования ПМСВ.
Т а б л и ц а 2
Максимальные значения волнового числа и верхней граничной частоты существования ПМСВ для пленок исходного состава М§0>25Мп0>75Ге2О4
ю н +
ют =
№ образца 1 2 3 4
400 Э 1000Э 1120 Э 400 Э 1000 Э 700 Э 1120 Э 700 Э 1120 Э
1 ' -1 кт , см 1435 1329 1310 799 707 1946 1836 1274 1219
ют , ГГц 40,21 50,76 52,87 27,81 38,35 41,33 48,71 40,55 47,94
На область возбуждения ПМСВ влияют намагниченность насыщения, подмагничивающее поле, параметр диссипации и толщина исследуемых образцов [16]. С увеличением намагниченности значения максимального волнового числа и верхней граничной частоты растут (табл. 2), но у образца 4 значения намагниченности выше, чем у первого образца, а значения к'т и ют ниже. Из этого следует, что значения к'т и ют зависят не от намагниченности насыщения, а от первой кристаллографической константы анизотропии Кг. Все значения а исследуемых образцов находятся в интервале (2,3+3,7)-10-2, т.е. имеют один и тот же порядок величины. Следовательно, значения к'т и ют (табл. 2) в основном будут определяться значениями константы кристаллографической анизотропии Кг (табл. 1) и подмагничивающего поля, что и продемонстрировано выше.
Рассмотрим области существования прямых ПМСВ, рассчитанных без учета и с учетом потерь (табл. 3, 4). Сравнение данных таблиц 3 и 4 показывает, что учет потерь приводит к уменьшению области существования ПМСВ на десятые и сотые доли ГГц, что составляет порядка десятков и сотен МГц.
На практике этот интервал значительно меньше ввиду того, что ПМСВ имеют интервал волновых чисел не от 0, а от минимального волнового числа к’тіп, которое зависит от поля аН, и на нижней границе полевого интервала стремится к да, а верхней - к 0. С повышением частоты растет не только значение к', но и к", поэтому экспериментальные измерения к' в верхней частотной области существования ПМСВ ограничивается высокими значениями декремента к", которые становятся сравнимы со значениями к'. Как видно из рис. 1 и 2 область существования обратных ПМСВ затухает быстрее, чем область прямых. Этим можно объяснить невозможность экспериментальных измерений дисперсионных зависимостей обратных ПМСВ.
Т а б л и ц а 3
Частотная область существования ПМСВ для пленок исходного состава М§025Мп075Ге2О4
без учета потерь
№ образца 1 2 3 4
400 Э 1000Э 400 Э 1000 Э 700 Э 1120 Э 700 Э 1120 Э
/тіп, ГГц 2,29 5,44 3,08 5,22 3,60 5,46 1,59 4,39
/тох, ГГц 6,41 8,09 4,44 6,12 6,59 7,77 6,46 7,64
Л/, ГГц 4,12 2,65 1,36 0,9 2,99 2,31 4,87 3,25
Т а б л и ц а 4
Частотная область существования ПМСВ для пленок исходного состава М§025Мп075Ге2О4
с учетом потерь
№ образца 1 2 3 4
400 Э 1000Э 400 Э 1000 Э 700 Э 1120 Э 700 Э 1120 Э
/тіп, ГГц 2,29 6,45 3,08 5,23 3,60 5,48 1,59 4,38
/тох, ГГц 6,40 8,08 4,43 6,11 6,58 7,76 6,46 7,63
Л/, ГГц 4,11 1,63 1,35 0,88 2,98 2,28 4,87 3,25
Полуширина резонансной кривой для пленок исходного состава Mgo,25Mno,75Fe2O4, рассчитанная из спектров ПМСВ с помощью метода подвижного преобразователя (табл. 1), составил -20+58 Э, что не противоречит данным ФМР.
По вычисленным параметрам групповых скоростей было оценено время задержки сигнала МСВ с учетом потерь (рис. 3). Из рис. 3 видно, что в области частот / = 3+7 ГГц время задержки имеет значения, достигающие 25 нс.
х, нс 25
20
15
10
5
0
£ ГГц
£ ГГц
Р и с. 3. Время задержки сигнала ПМСВ для образцов: а - образец 1; б - образец 2; в - образец 3; г - образец 4
б
а
в
г
Таким образом, установлено, что затухание не только ограничивает спектр возможных значений максимального волнового числа km и верхней граничной частоты wm , но и время задержки сигнала, которое в области f = 3+12ГГц составляет величину порядка 1+25 нс.
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. Анфиногенов В.Б., Высоцкий С.Л., Гуляев Ю.В., ., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Луговской А.В., Маряхин А.В., Медников А.М., Нам Б.П., Никитов Ю.Ф., Огрин Ю.Ф., Ползиков Н.И., Раевский А.О., Сухарев А.Г., Темирязев А.Г., ТихомироваМ.П., Тихонов В.В., Филимонов Ю.А, Хе А.С. Устройства на основе спиновых волн для обработки радиосигналов в диапазоне частот 50МГц...20ГГц // Радиотехника. 2000. № 8. С.6-14.
7. Митлина Л.А Фихзико-химические основы получения, дефектность структуры и свойства монокристаллических пленок феррошпинелей (обзор) //Вестник Самарск. госуд. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. 2004. Вып.30. С. 114-149.
8. 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.
9. Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш. Физические свойства и применение магнитных пленок. Новосибирск: Наука, 1975, 219 с.
10. Корнев Ю.В., Салендов Д.И., Сидоренков В.В. Влияние дисперсии магнитной анизотропии на частоту ферромагнитного резонанса // Доклады АН СССР. 1987. Т.294. № 5. С. 1114-1117.
11. МитлинаЛ.А., Сидоров А.А., ВеликановаЮ.В,. ВиноградоваМ.Р., Ляшенко С.В. Магнитные потери в эпитаксиальных феррошпинелях // Москва: 11-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва. 2005. С. 45-46.
12. Анавердова О.Г., Коваль Я.П., Михайлов И.Ф., Фукс Я.М., Митлина Л.А., Молчанов В.В. Неоднородность деформации и субструктура эпитаксиальных слоев MgxMn1-xFe2G4/MgO // Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1982. Т. 18. С. 1020-1024.
13. Ахиезер А.И., Бойко В.С., Смольник А.И. К теории уширения линии ферромагнитного резонанса дислокациями. // ФТТ. 1974. т.16. в.4. с.3411-3416.
14. Damon R. W., Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnetic slab // J. Phys. Chem. Sol., 1961. V. 19. № 314. P.308-320.
15. Вызулин С.А., Розенсон В.Н., Шех С.А. //О спектре поверхностных магнитостатических волн в ферритовой пленке с потерями // РЭ. 1991. В. 1.С. 164-168.
16. Митлина Л.А., Сидоров А.А., Великанова Ю.В., Виноградова М. Р., Бадртдинов Г.С. Затухание спиновых колебаний и волн в пленках феррошпинелей // Вестник Самарского госуд. техн. ун-та. Серия: Физ.-мат. науки. 2005. Вып.34. С.82-90.
Поступила 20.12.2005 г.
