свойства обладающих магнитоэлектрическим
эффектом эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов с (2Ю)-ориентацией
Г. В. Арзамасцева", А. М. Валбашовь, Ф. В. Лисовский"*, Е. Г. Мансветова", А. Г. Темирязев", М. П. Темирязева"
"■ Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельншова Российской академии наук
141190, Фрязино, Московская, обл., Россия.
ь Московский энергетический институт 117935, Москва, Россия.
Поступила в редакцию 28 августа 2014 г.
Представлены результаты экспериментального исследования свойств обладающих магнитоэлектрическим эффектом эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов состава (ЬиВ1)з(РоСа).-)012, выращенных на подложках с (210)-ориентацией. Получены данные об особенностях наведенной анизотропии и поведении доменной структуры пленок в однородных и неоднородных внешних полях. Выполнен критический анализ существующих гипотез о природе магнитоэлектрической связи в изучаемых объектах.
DOI: 10.7868/S0044451015040138 1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно (см., например, [1, 2]), что эпи-таксиальныо пленки смешанных редкоземельных ферритов-гранатов по ряду свойств заметно отличаются от массивных монокристаллов того же состава. В возникновении этого различия тривиальные причины, такие как рассогласование параметров решетки пленки и подложки, играют далеко не главную роль, поскольку приповерхностные области массивных монокристаллов магнитных гранатов также демонстрируют поведение, отличное от наблюдаемого в удаленных от поверхности областях [3, 4]. Это сходство не является удивительным, так как эпитак-сиальиые пленки, по существу, представляют собой приповерхностные слои достаточно толстых монокристаллических подложек.
В любых реальных монокристаллических образцах наличие границы раздела со свободным пространством приводит к утрате в приповерхностных слоях определенных (или даже всех) элементов, присущих группе симметрии безграничного кристалла.
E-mail: lisf'fflrambler.ru
В пленках редкоземельных магнетиков со структурой граната это влечет за собой появление наведенной в процессе роста дополнительной некубической анизотропии, которая может быть обусловлена, например, особым упорядочением пар ионов Т13+ Ге3+ за счет анизотропного обмена или диполь-диполыгого взаимодействия [5], избирательным заполнением додекаэдрпчеекпх координации редкоземельными ионами [6, 7], упорядочением кислородных вакансий [8] и др. Это обстоятельство и послужило причиной того, что эпитаксиальные пленки магнитных гранатов в свое время широко использовались в качестве рабочих сред для запоминающих устройств на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД). Необходимым условием существования последних является наличие одноосной анизотропии, вектор напряженности эффективного магнитного поля которой направлен вдоль нормали к поверхности пленки, а величина превышает индукцию насыщения материала.
В общем случае тип и параметры наведенной ростовой анизотропии зависят от кристаллографической ориентации подложки, используемой при эпи-таксии. Пленки, выращенные на подложках с (111)-или (ЮО)-ориентацией, приобретают близкую к одноосной анизотропию с осыо легкого намагничива-
9 ЖЭТФ, выи. 4
793
ния (ОЛН) вдоль нормали к поверхности пленки п, поскольку последняя совпадает с осыо симметрии соответственно третьего или четвертого порядка. Именно такие пленки и являлись основными рабочими средами для ЦМД-устройств на начальном этапе их разработки [1, 2]. Заметим, что точное совпадение ОЛН с нормалью имеет место лишь в случае отсутствия отклонения осей [111] или [100] от п. Если это условие не выполняется, то появляется слабая ромбическая компонента анизотропии, а ОЛН отклоняется от нормали на угол, который может значительно превышать угол между п и этими осями [9 12]. Положение перпендикулярных ОЛН осей, характеризующих ромбическую анизотропию, в общем случае никак не связано с кристаллографическими осями.
Впоследствии выяснилось, что чисто одноосная анизотропия, обеспечивая статическую устойчивость ЦМД, в то же время оказывается неспособной поддерживать динамическую устойчивость доменных границ (ДГ) при больших скоростях движения доменов, что ставит предел для увеличения быстродействия запоминающих устройств. Было установлено, что подавить процессы динамического преобразования структуры ДГ можно с помощью ромбической компоненты анизотропии [13, 14], которая устраняет вращательную инвариантность ориентации вектора намагниченности относительно нормали и индуцируется, например, в пленках с (110)- или (210)-ориентацией [15, 16]. В таких пленках наблюдается также сильное отклонение ОЛН от нормали п даже при условии строгой параллельности осей [110] или [210]; при разориентации этих осей и нормали направление такого отклонения может быть произвольным [11, 12, 15, 16].
Хотя проблематика, связанная с использованием устройств на ЦМД, довольно быстро полностью утратила актуальность в связи с впечатляющими успехами в области разработки быстродействующих электромеханических запоминающих устройств колоссальной емкости на жестких дисках, интерес к исследованию свойств эпитаксиальных пленок магнитных гранатов оставался устойчивым вплоть до настоящего времени, что привело к неожиданным последствиям. Был получен целый ряд результатов, свидетельствующих о том, что степень проявления различных физических эффектов в таких пленках гораздо выше, чем у объемных монокристаллов идентичного состава, причем это различие часто усиливается с понижением симметрии пленок в полном соответствии с принципом Кюри: «Асимметрия порождает явление» [17].
Об обнаружении гигантского линейного магнитоэлектрического эффекта в однородном электрическом поле в пленках гранатов состава (YBiLaPr)3(FeGa).50i2 с (210)-ориентацией сообщалось в работе [18]. Гигантским он был назван в связи с тем, что определенное по результатам экспериментов значение константы линейной магнитоэлектрической связи оказалось на порядок больше, чем у &2О3 [19], и на три порядка превосходило значение константы квадратичной магнитоэлектрической связи в массивных монокристаллах ферритов-гранатов. Тем не менее, оценка влияния электрического поля напряженностью 12 кВ/'см на характеризующие наведенную анизотропию параметры показала, что последние испытывают ничтожно малые изменения: эффективное магнитное поле одноосной анизотропии изменилось на 0.00375%, а угол отклонения ОЛН от нормали на 0.24 угловых секунды.
В работах [20, 21] и ряде других сообщалось о результатах исследования явления генерации второй оптической гармоники в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией. Полученная информация позволила установить кристаллографические классы симметрии для выращенных на подложках с ориентацией (111), (100), (110) и (210) пленок, которые оказались принадлежащими соответственно к типам 4mm, тт2, 3т и т. Отклик на второй гармонике наблюдался для всех ориентаций, но самым сильным он был для (210)-плснок, которые в процессе эпитаксии испытывали понижение симметрии от кубической сингонии до моноклинной.
Наиболее ярко выраженный из всех экспериментально обнаруженных до сих пор магнитоэлектрических эффектов заключается в изменении положения и структуры ДГ в эпитаксиальных пленках магнитных гранатов состава (LuBi)3(FcGa).50i2 под действием сильно неоднородного электрического поля, создаваемого системой электродов типа игла плоскость [22]. Заметный эффект существовал только в пленках с (210)-орпентацпей, гораздо более слабый в пленках с (НО)-орионтациой; в пленках с (111 )-ориснтацисй он не наблюдался. В отсутствие магнитного поля во всех исследованных пленках, обнаруживающих наличие магнитоэлектрического эффекта, все ДГ всегда притягивались к положительно заряженному иглообразному электроду и всегда отталкивались от отрицательно заряженного. В присутствии достаточно сильного магнитного поля, вектор напряженности которого лежал в плоскости пленки и был ориентирован перпендикулярно ДГ,
влияние электрического поля на соседние границы становилось знакопеременным. Электрическое поле, создаваемое системой нанесенных непосредственно на поверхность образцов плоских ленточных электродов, вызывало наклон плоскости ДГ на угол до 10°. Воздействие на пленки ступенчатого электрического напряжения с амплитудой 500 В и длительностью фронта 10 не приводило к эффектам, которые наблюдались бы при продвижении ДГ ступенчатым магнитным полем с амплитудой 50 Э [22 27].
Приведенный выше далеко не полный список неординарных явлений, наблюдаемых в эпитакси-альных пленках магнитных гранатов с (210)-ориен-тацией, свидетельствует о необходимости дальнейшего изучения их физических свойств, чему и посвящена настоящая работа, где частично используются материалы статьи [28], а также препринта «Свойства пленок ферритов-гранатов с ^^-ориентацией» [16], который на момент опубликования был доступен лишь ограниченному кругу исследователей, а в настоящее время стал библиографической редкостью.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛЕНКАХ С
(2Ю)-ОРИЕНТАЦИЕЙ И НАБЛЮДАЕМЫХ В НИХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУРАХ
Исследовались пленки смешанных редкоземельных ферритов-гранатов состава (ЬпВ^з^оСтаЬО^, выращенные стандартным методом жидкофазной эпитаксии на подложках из немагнитного граната Стс1зСтаб012 с (210)-ориентацией. Использовался растворитель РЬО В120з В20з; температура роста Та составляла приблизительно 690 °С, значения безразмерного коэффициента относительного рассогласования параметров решетки пленки о/ и подложки о8, определяемого выражением Ди/«8 = = (а/ — ий)/ий, лежали в пределах от —0.34 • Ю-3 до 0.63 • Ю-3. Пленки выбранного состава за счет большого содержания висмута обладали высоким удельным фарадеевским вращением (приблизительно 1й/'мкм в видимом диапазоне длин волн), что делало возможным наблюдение доменов в пленках методами поляризационной микроскопии и применение магнитооптической методики для определения параметров, характеризующих анизотропию.
Для контроля качества и точности ориентации подложек использовался метод Лауэ, заключающийся в анализе дифракционной картины от направляемого на неподвижный образец по н
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.