РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 944-950
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 537.874.74;537.622.4
ПОВЕРХНОСТНЫЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В СЛОИСТОЙ СРЕДЕ ФЕРРИТ-ФЕРРОМАГНИТНЫЙ МЕТАЛЛ
НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВОГО ГРАНАТА И НАНОСТРУКТУР TbCo2/FeCo
© 2015 г. А. М. Чурбанов1, 2, А. А. Климов1, 3, 4, А. В. Садовников5, Е. Н. Бегинин5, С. А. Никитов1, 2, 5, В. Л. Преображенский4, Н. Тирселен4, Ф. Перно4
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7 2Московский физико-технический институт (государственный университет), Российская Федерация, 141700Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9 3Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, Российская Федерация, 119454 Москва, просп. Вернадского, 78 4Международная ассоциированная лаборатория нелинейной магнитоакустики конденсированных сред, Французская Республика, 59651 Вильневд'Аск 5Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Российская Федерация, 410012 Саратов, ул. Астраханская, 83 E-mail: nikitov@cplire.ru; churbanov_am@mail.ru Поступила в редакцию 17.03.2015 г.
Экспериментально исследовано влияние тонкого ферромагнитного металлического слоя на поверхности пленки железо-иттриевого граната на спектр и потери поверхностных магнитостатиче-ских волн (ПМСВ) как в случае однородной металлизации, так и в случае системы периодических металлических полос. Показано существенное затухание, вносимое слоем металла, толщина которого много меньше глубины скин-слоя при распространении ПМСВ вдоль границы ферромагнетик—металл. Методом мандельштам-бриллюэновской спектроскопии экспериментально подтверждено наличие отражения ПМСВ от границы металлизированного и неметаллизированного участков ферромагнитной пленки.
DOI: 10.7868/S0033849415090028
ВВЕДЕНИЕ
Магнитные периодические структуры на основе твердотельных материалов или магнонные кристаллы являются основой для создания устройств спинтроники и магноники. Одним из известных способов создания магнонных структур с заданными дисперсионными свойствами является формирование магнитных периодических решеток на поверхности ферромагнетика, в котором распространяются магнитостатические волны (МСВ) [1, 2]. Исследования распространения МСВ в таких структурах актуальны в связи с необходимостью расширения функциональных возможностей разрабатываемых быстродействующих устройств обработки информации в СВЧ-диапазоне. Наличие пространственной периодичности ведет к формированию запрещенных зон в спектре спиновых волн для волновых чисел к, соответствующих условию брэгговского резонанса к = яи/А, где Л — пространственный период структуры, и — целое число. Материалы с такими свойствами являются магнитными аналогами
фотонных кристаллов [3, 4]. Существование запрещенных зон в спектре спиновых волн создает предпосылки для разработки различных магнон-ных устройств генерации и обработки сигналов на основе перестраиваемых магнонных кристаллов в СВЧ-диапазоне частот [5—7]. Возможность создания таких устройств рассматривалась также в работах [8—14]. В частности, изменение геометрических параметров структуры предложено в работе [8], варьирование граничных условий — в работах [9, 10], где показан сдвиг максимума дисперсионной ветви внутрь зоны Бриллюэна. Другими ранее предложенными способами являются изменение магнитных параметров материалов в многокомпонентных магнонных кристаллах [11], создание переменного (изменяемого) магнитного поля [12], нарушение периодичности [13], создание дефектов [14, 15] и т.д. Исследовалось также влияние металлизации на распространение поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) вдоль границы ферромагнетик—металл [10], при этом считалось, что металл имел бесконечную проводимость.
Кроме того, рассматривались случаи, когда толщина металлизации была сопоставима или больше глубины скин-слоя [16]. В работе [17] проанализировано в общем случае влияние слоя металла на дисперсионное соотношение ПМСВ, распространяющихся в ферромагнитной пленке. Однако до настоящего момента не было подробно рассмотрено, как влияет на свойства распространяющихся спиновых волн металл с толщиной много меньше глубины скин-слоя и конечной проводимостью на поверхности ферромагнитной пленки.
В данной работе теоретически и экспериментально исследованы характеристики ПМСВ, распространяющихся в структуре железо-иттриевый гранат (ЖИГ)—ферромагнитный металл, представляющий собой наноструктурированный композит ТЬСо2^еСо. Этот материал, обладающий гигантской магнитострикцией, был разработан для создания управляемых элементов микромаг-нитомеханических систем [18]. В частности, пленка этого материала, напыленная на подложку из пьезоэлектрика АШ, рассматривалась как магнитомеханический детектор сигналов СВЧ-диапазона [19]. Отработанная технология изготовления и уникальные магнитоупругие свойства таких наноструктур могут быть применены и для создания магнонных кристаллов (МК).
1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПМСВ В ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКЕ
Рассмотрим задачу распространения спиновых волн вдоль границы ферромагнитной пленки, покрытой металлической пленкой с конечной проводимостью, толщина металлической пленки много меньше глубины скин-слоя.
Пусть ферромагнитная пленка намагничена в плоскости, ось Оу перпендикулярна плоскости пленки, ПМСВ распространяется вдоль Oz.
В металле система уравнений Максвелла имеет следующий вид [20]:
гс^ = -1 й,
с дt
откуда
(УВ = 0,
гаи = ,
с
(1)
1 д 4
ДЕ = -1 £
сдt с
(2)
где Е — вектор напряженности электрического
поля, В — вектор магнитной индукции, И — вектор напряженности магнитного поля, а — удельная проводимость, с — скорость света.
Пользуясь представлением полей Е и И в виде комплексных амплитуд и учитывая малую толщину металла, получаем волновое уравнение
д2Е д2. 4по,
—т + —т = - ® —
2-2 2
(3)
дх ду с
решение которого имеет вид
Ег = [Е:ехр(Нх) + Е2ехр(-Нх)] ехр(¿ду). (4)
Из второго и третьего уравнений системы (1) могут быть найдены выражения для тангенциальной и нормальной компонент магнитного поля в металле:
И
= Iд 4 п о .
Н2 - д2 с
х [Е1 ехр(Ну) + Е2ехр(-Ну)],
И = Н 4 я о х
и = - ~ - х
(5)
(6)
Н - д2 с х [Е1 ехр (Ну) - Е2 ехр (-Ну) ].
Магнитостатические потенциалы в ферромагнитной пленке и диэлектрике имеют следующий вид [21]:
У1( Г) = С ехр (- ру + IV дг),
Уш (г) = [Уо+ ехр (ру) + уо-(ру)] ехр (¿V дг), (7)
Уш (г) = О ехр (ру + ¡V дг).
Применение граничных условий непрерывности магнитостатического потенциала и нормальной компоненты магнитной индукции, дает дисперсионное уравнение для ПМСВ, распространяющейся в четырехслойной структуре вакуум-ферромагнетик-металл-вакуум:
еИ (Н) + РН (Н) д2
ехр(-рй) - 1 + И Иад/р ехр (ра) 1 - и - Иад/р
еИ (М) + 4 (Н) (и - д Иа) ехр (-рй) + (и + д Иа) 1 + И И ад/р ехр (рй) рН ( р ' ( р ; 1 - и - Иад/р
гдер2 = д2, Яе(р) > 0; ц и ца — компоненты тензора магнитной проницаемости.
Далее считаем толщину металла такой, что кг < 1 и, кроме того, Щ > |д| = |р|, т.е. толщина металла много меньше глубины скин-слоя. Тогда уравнение (5) преобразуется следующим образом:
Я (М,®) = -Р (®Н - ®2)( 1 + И - - На) Х 4 д V р у
1 - И - - На
1 + И - - На Р
■ ехр (-2рй) - 1
(9)
где D(q, ю) — определитель уравнения Дэймона-Эшбаха, е = — < 1.
, м
Раскладывая этот определитель по малому параметру
Б( д, ®)
= г т
Ад +
дду д0>ш^ ' ^д®
А®
(10)
Мо> ®о
и интересуясь вкладом затухания в Аю, т.е. считая, что Аq = 0, найдем
, 2 т /-* ч 2 пагйГ ( , ч ®м 1ш(Аю) =---— 1®м(®н + ®) - -
(11)
Оценки с использованием формулы (8) показывают, что слой металла на поверхности ферромагнетика вносит существенное затухание для ПМСВ, распространяющихся в ферромагнитной пленке. Так для частоты 5 ГГц, величина 1т(Аю) ~ 70 МГц, при толщине металлизации 100 нм и толщине ферромагнитной пленки 4.2 мкм. Пользуясь соотношением I = vгр/Аю, можно оценить, что длина распространения МСВ I ~ 0.5 мм.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СПИНОВЫХ ВОЛН В ПЛЕНКАХ ЖИГ С ОДНОРОДНОЙ И ПЕРИОДИЧЕСКОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ
Для подтверждения теоретических результатов были экспериментально получены спектры прохождения ПМСВ через исследуемые структуры. Кроме того, методом мандельштам-бриллюэнов-ской спектроскопии (МБС) исследовано пространственное распределение интенсивности ПМСВ (квадрата динамической намагниченности) на различных частотах.
Опытные образцы эпитаксиальных пленок ЖИГ на подложке галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) в одном случае были покрыты однородным слоем металла (рис. 1а), а в другом — периодическими металлическими полосками (рис. 1б). Периоды полосовых структур составляли 200 и 400 мкм для различ-
ных образцов. Металлизация представляет собой наноструктурированную пленку, состоящую из 10 пар слоев ТЬСо2 и FeCo, толщина каждого слоя 5 нм. Таким образом, общая толщина ферромагнитной металлической пленки составляет 100 нм. Металлизация формировалась методом "холодного" катодного распыления с применением технологии взрывной литографии [22], что позволило сохранить качество поверхности пленки ЖИГ.
Исследуемые образцы были размещены на измерительной линии, выполненной в виде линии задержки, с расстоянием между микроантеннами 5 мм. Внешнее магнитное поле Н = 421 Э прикладывалось в плоскости пленки, параллельно антеннам и перпендикулярно направлению распространения МСВ. Измерения проводили с помощью векторного анализатора цепей Р4М-18.
А. Измерение амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик
Экспериментальные амплитудно -частотные характеристики (АЧХ) прохождения МСВ через линию задержки с четырьмя исследуемыми структурами: образцом неметаллизированной пленки ЖИГ, образцом с пленкой ЖИГ, покрытой сплошной металлизацией, и периодическими решетками 200 и 400 мкм, представлены на рис. 2. На рис. 3 приведены АЧХ и фазочастотная характеристика (ФЧХ) прошедшей волны в случае пленки ЖИГ без металлизации и построенная по этим данным дисперсионная кривая. Из дисперсии и АЧХ видно, что даже в пленке ЖИГ без мет
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.