РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 5, с. 607-615
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 539.216.2
ОСЦИЛЛЯЦИИ ПРОХОЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ Оа,8е-ЗАМЕЩЕННОГО ЖЕЛЕЗОИТТРИЕВОГО ГРАНАТА
© 2004 г. Г. Т. Казаков, И. М. Котелянский, А. В. Маряхин, Ю. А. Филимонов, Ю. В. Хивинцев
Поступила в редакцию 17.04.2003 г.
Экспериментально исследованы характеристики распространения поверхностной акустической волны Рэлея в пленках Оа,8е-замещенного железоиттриевого граната при распространении вдоль касательного к пленке магнитного поля. Впервые обнаружены осцилляции прохождения, отвечающие резонансному взаимодействию поверхностной акустической волны с модами обратной объемной магнитостатической волны различных номеров. Показано, что амплитуда осцилляций прохождения снижается за порогом возникновения параметрической неустойчивости магнитоупругой волны.
ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение поверхностных акустических волн (ПАВ) Рэлея в устройствах обработки информации стимулирует интерес к поиску и исследованию дополнительных возможностей для расширения свойств ПАВ. Одной из таких возможностей, как известно [1], является эффект резонансного взаимодействия ПАВ Рэлея с обратными объемными магнитостатическими волнами (ООМСВ) в ферритовых структурах на основе железоиттриевого граната (ЖИГ). Ранее такое взаимодействие неоднократно исследовалось экспериментально и проявлялось как в толстых пластинах, так и в тонких эпитаксиальных пленках ЖИГ на подложках гадолиний-галлиевого граната (ЖИГ/ГГГ) в виде одиночного пика поглощения ПАВ в некотором интервале магнитных полей, отождествляемых с полями существования ООМСВ в структуре на частоте ПАВ [2-5]. Между тем как в пленках, так и пластинах ЖИГ спектр ООМСВ имеет многомодовый характер и разница
ТТп, п + 1 ттп
оНп в значениях магнитного поля Нп, отвечающих резонансам ПАВ с модами ООМСВ различных номеров п, может существенно превосходить как ширину линии ферромагнитного резонанса (ФМР) АН, так и интервал полей 5Нпп,
отвечающий резонансу ПАВ с п-й модой ООМСВ. Как следствие, резонансное взаимодействие ПАВ Рэлея с модами ООМСВ должно сопровождаться серией осцилляций в характеристиках ПАВ [1], по аналогии с тем, как характеристики магнито-статических волн испытывают серию осцилляций от взаимодействия с объемными упругими модами тонкопленочной структуры ЖИГ/ГГГ [6]. Однако до сих пор осцилляции в характеристиках ПАВ Рэлея, обусловленные взаимодействием с модами ООМСВ различных номеров, не наблю-
дались. Цель данной работы - обнаружить такие осцилляции прохождения ПАВ Рэлея через тонкопленочную ферритовую структуру.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАЗЦЫ ФЕРРИТОВЫХ СТРУКТУР
Возбуждение и прием ПАВ в исследуемых ферритовых структур осуществлялись по мостовой методике [7] (рис. 1). Для этого использовалась линия задержки на ПАВ с звукопроводом из ЫКЬ03 размерами 20 х 5 х 1.5 мм. Возбуждение и прием ПАВ в ЫКЬ03 осуществлялось с помощью встречно-штыревых преобразователей (ВШП) с апертурой w ~ 1.5 мм и центральной частотой /к = = 150 МГц. Потери на проход указанной линии задержки на центральной частоте составляли ~30 дБ.
Рис. 1. Конструкция макета: 1 - звукопровод Ь1№0з, 2 - возбуждающий и приемный ВШП, 3 - исследуемая структура Оа, 8е: ЖИГ/ГГГ, 4 - микрополосок.
Звукопровод распиливали в центре, и полученные куски раздвинули на расстояние Ь. Исследуемую структуру прижимали к кускам звукопрово-да из Ы№>03 (прижимное устройство на рисунке не показано). Регулировкой прижимающего усилия достигался акустический контакт между феррито-вой структурой и кусками звукопровода ПКЪ03 так, чтобы возбуждаемая в ЫКЪ03 ПАВ переходила в ферритовую пленку, а пройдя ее, снова перешла в ЫКЪ03 и была преобразована в электрический сигнал приемным ВШП. В отсутствие магнитного поля потери на проход такого макета составляли А0 ~ 60.. .85 дБ, а отношение величины прошедшего сигнала к уровню электромагнитной наводки было не менее ~25 дБ. Дополнительная проверка на возбуждение в структуре именно ПАВ Рэлея проводилась стандартной процедурой [8] с помощью капли спирта.
Макет помещали во внешнее магнитное поле
Но, направление которого можно было менять в сагиттальной плоскости (рис. 1). Характеристики ПАВ Рэлея исследовались в зависимости от величины магнитного поля Н0 и угла б между направлением распространения волны и направлением приложенного поля. Измерения проводили в импульсном режиме при входных мощностях Р = = 0.05.1 Вт и длительности импульса 1 мкс, а также в непрерывном режиме при Р = 0.1.50 мВт.
При измерении в импульсном режиме сигнал с макета усиливался (на ~40 дБ) и подавался на осциллограф. Величина дополнительного поглощения ПАВ определялась по методу замещения с помощью переменного аттенюатора, помещенного между макетом и усилителем. Измерение временной задержки сигнала осуществлялось прямым отсчетом с экрана осциллографа. При непрерывном режиме возбуждения ПАВ сигнал с макета после усиления подавался на измеритель разности фаз и отношения уровней. Изменение затухания и фазы сигнала фиксировалось с помощью самописца, временная развертка которого была синхронизирована с изменением величины приложенного поля. При этом скорость изменения магнитного поля составляла ~0.1.. .0.2 Э/с.
Отметим, что выбор рабочей частоты накладывает определенные требования к магнитным параметрам структуры ЖИГ/ГГГ, которые необходимо выполнить для обеспечения синхронизма ПАВ и ООМСВ. Для того чтобы их пояснить, обратимся к условию синхронизма ПАВ с дипольны-ми ООМСВ, которому в случае касательно намагниченной изотропной пленки ЖИГ можно придать следующий вид:
2СЧ № 1 = ,
(1)
у = 2.8 МГц/Э - гиромагнитное отношение для ЖИГ, = 2^кfR/vR ~ 2600 см-1 - волновое число ПАВ Рэлея на выбранной частоте Л = 150 МГц, vR = = 3.58 х 105 см/с - скорость ПАВ Рэлея в ЖИГ, й -толщина пленки ЖИГ. Уравнение (1) является дисперсионным уравнением для дипольных ООМСВ, которое может иметь решение лишь в случае, если частота ПАВ удовлетворяет условию
fн < f R < f 0. (2)
Несмотря на кажущуюся легкость выполнить условия (1) и (2) путем изменения магнитного поля Н0, в реальных структурах ЖИГ/ГГГ этому может препятствовать разбиение пленки ЖИГ на домены при значениях магнитного поля меньше некоторого поля насыщения Ннас, которое связано с полями магнитной анизотропии. Например, в структурах ЖИГ/ГГГ кристаллографической ориентации (111) поля насыщения могут составлять величину Ннас = 20.50 Э [9]. Для случая пленки ЖИГ (111) с полями кубической Нк и нормальной одноосной Нодн анизотропии, выражение для коротковолновой ЛН и длинноволновой Л0 границ спектра ООМСВ при значении Н0 = Ннас можно записать в виде [9]
(3)
Л0 = ( Л Ннас + ЛМ + Ла) - А( П + 1 ) , (4)
где ЛНнас = Л = НIа = У(2Нодн - Нк\ П - угол
между направлением внешнего поля Но и кристаллографической осью [110], лежащей в плоскости пленки. При Ннас = 40 Э, 4пМ0 = 1750 Гс и значениях Нк = - 40 Э, Нодн = -20 Э, типичных для пленок ЖИГ (111), в зависимости от угла п частота ЛН может лежать в пределах от 0 до 200 МГц. Однако при этом длинноволновая граница спектра ООМСВ будет принимать значения, которые могут в несколько раз превышать частоту ПАВ. В этом случае дисперсионные кривые ООМСВ в пленках ЖИГ толщиной й < 50 мкм на фазовой плоскости (Л, д) пройдут выше "рабочей точки" (Ли, ди) и резонанс ООМСВ с ПАВ окажется невозможен (рис. 2а). За счет снижения намагниченности до значений 4пМ0 = 250 Гс при прочих неизменных параметрах пленки можно обеспечить синхронизм ПАВ с двумя первыми модами
ООМСВ (рис. 26)1.
Понятно, что выполнить условия (1) и (2) будет еще проще, если одновременно со снижением
где | = ( л2 - л1 )/( лН - ЛИ XЛн=Н Л2 = лН + Л ЛМ = у4пМ0, 4пМ0 - намагниченность насыщения,
1 Увеличением толщины пленки при неизменном значении 4яМ0 = 1750 Гс также можно добиться синхронизма ПАВ и ООМСВ. Однако при выбранных параметрах пленки ЖИГ, даже при толщине пленки й = 100 мкм, синхронизм ПАВ оказывается возможен лишь с основной модой ООМСВ. Поскольку технология создания пленок ЖИГ с толщиной й > 100 мкм не освоена, то все оценки проводились для доступных нам пленок с толщиной й ~ 50 мкм.
4пМ0 удастся снизить поля анизотропии или даже поменять тип одноосной анизотропии с "легкой оси" (Нодн < 0) на "легкую плоскость" (Нодн > 0). При этом поля насыщения будут определяться лишь величинами полей размагничивания, обусловленных плоскостными размерами образца и составлять значения Ннас < 5 Э. На рис. 2в показано положение "рабочей точки" относительно дисперсионных кривых мод ООМСВ при Нк = -5 Э и Нодн =
= 20 Э и величине поля насыщения Ннас - 2 Э . Указанным требованиям могут удовлетворять пленки ва,8с-замещенного ЖИГ (ва, Бс : ЖИГ) на подложках ГГГ (111), где одновременно со снижением намагниченности насыщения удается снизить значения полей Нк, Нодн, Ннас [11].
Эксперименты проводили с шестью образцами эпитаксиальных структур ва, Бс : ЖИГ/ГГГ (111). В табл. 1 приведены значения намагниченности насыщения и толщины пленок ва, Бс : ЖИГ. Отобранные пленки при касательном к поверхности намагничивании характеризовались полями насыщения Ннас < 2 Э, что фиксировалось в макете линии задержки на поверхностных магнитостатичес-ких волнах (ПМСВ) по появлению области частот прохождения сигнала, длинноволновая граница которой /0 (4) сдвигалась "вверх" по частоте при Н0 > Ннас. На рис. 3 представлена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) макета линии задержки на ПМСВ при нескольких значениях Н0 для пленки № 1.
Дипольные ПМСВ в пленке (111) с кубической и одноосной анизотропией занимают интервал частот
/0 < / < / = /н +
/М + / а
(5)
Можно ожидать, что для пленки толщиной й = = 55.2 мкм верхняя граница АЧХ (рис. 3) будет достаточно близка к рассчитанной по уравнению (5). Для случая Н0 = 5 Э получим/ - 420 МГц (рис. 3). Предположив, что в пленке имеется только одноосная анизотропия, с помощью (4), (5) получим /а - 112 МГц или Нодн - 20 Э. В целом поведение АЧХ ПМСВ в полях Н0 - 2___11 Э соответствовало модели монодоменной пленки. Следует добавит
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.