Вплив електричного поля на фізичні властивості в епітаксійніх плівках ферит-гранатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КиївськиЙ національний університет

імені тараса шевченка

удк 537.632

Вплив електричного поля на фізичні властивості в епітаксійних плівках ферит-гранатів

01.04.07 -фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

фізико-математичних наук

Короновський Вадим євгенович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електрофізики радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Коваленко Валерій Фадейович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор, завідувач кафедри електрофізики радіофізичного факультету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професорЗависляк Ігор Володимирович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри квантової радіофізики радіофізичного факультету

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кузьмак Орест Миронович, старший науковий співробітник Інституту магнетизму НАН України

Провідна установа: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “26” грудня 2005 року о 17.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.001.23 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03680, м. Київ, просп. Академіка Глушкова, 2, корп. 1, фізичний факультет, ауд. 200.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “14” листопада 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.001.23,

доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Л.В.

АНОТАЦІЯ

Короновський В. Є. Вплив електричного поля на фізичні властивості в епітаксійніх плівках ферит-гранатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Робота присвячена вивченню механізмів впливу зовнішнього електричного поля на магнітні характеристики магнетиків, дослідженню в плівках ферит-гранатів магнітооптичних явищ, індукованих зовнішніми електричними полями в широкому діапазоні змін магнітного поля. Представлено результати досліджень магнітоелектричних ефектів в плівках ферит-гранатів оптичними методами - електромагнітооптичний ефект. Досліджено вплив електричного поля на локальні ділянки плівок з різним просторовим розділенням - сотні мкм. та одиниці мкм. Показана можливість співіснування при відповідних умовах лінійного та квадратичного електромагнітооптичних ефектів. Описано механізм зміни магнітної анізотропії в гранатових плівках під дією електричного поля. Показана можливість магнітних фазових переходів в однорідний стан, індукованих зовнішніми електричними полями в присутності магнітного поля.

Ключові слова: електричне поле, магнітне поле, електромагнітооптичний ефект, домен, доменна стінка, магнітна анізотропія.

АННОТАЦИЯ

Короновский В. Е. Влияние электрического поля на физические свойства эпитаксиальных пленок феррит-гранатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела, Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2005.

Работа посвящена изучению механизмов влияния внешнего электрического поля на магнитные характеристики магнетиков, исследованию в пленках феррит-гранатов магнитооптических явлений, индуцированных внешними электрическими полями в широком диапазоне изменения магнитного поля. Представлены результаты исследований магнитоэлектрических эффектов в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов оптическими методами - электромагнитооптический эффект. Проведен теоретический анализ возможности существования магнитоэлектрического эффека в ферримагнетиках, а также представлена феноменологическая модель электромагнитооптических эффектов в ферритовых гранатах. Экспериментально исследовано влияние внешнего электрического поля на локальные участки феррит-гранатовых пленок в различных режимах намагничивания и с различным пространственным разрешением (сотни мкм. при исследованиях многодоменных участков и единицы мкм. при исследованиях отдельных магнитных доменов). Показана возможность сосуществования при соответствующих условиях линейного и квадратичного по электрическому полю электромагнитооптических эффектов в пленках феррит-гранатов, в частности, при наличии внешнего механического давления на пленку. Показано, что внешнее электрическое поле приводит к дополнительному вкладу в магнитооптический эффект Фарадея на участках пленки с однородной намагниченностью в случае присутствия в пленке также и доменов противоположной ориентации, и практически не ведет к нему, когда весь образец находится в однодоменном состоянии. Описан механизм изменения магнитной анизотропии в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов под действием внешнего электрического поля, что приводит к малым смещениям доменных стенок в пленках. Показана (на примере феррит-гранатов) возможность магнитных фазовых переходов в однородное состояние, индуцированных внешними электрическими полями в присутствии магнитного поля.

Ключевые слова: электрическое поле, электромагнитооптический эффект, домен, доменная стенка, магнитная анизотропия.

ABSTRACT

Koronovskyy V.E. Influence of an electrical field to physical properties of ferrite - garnet epitaxial films. - Manuscript.

The dissertation is advanced for Candidate of Science (Physics and Mathematics) degree in speciality 01.04.07 - solid state physics. Taras Shevchenko Kiev National University, Kyiv, 2005.

This work is devoted to the studying of mechanisms of influence an external electric fields' on magnetic characteristics of magnetoelectric materials, to researching in ferrite-garnet films the magnetooptical phenomena, induced by external electric fields in a wide range of changing of a magnetic field.The results of research of magneto-electric effects in ferrite - garnet films with optical methods - electro-magneto-optical effect are presented. It was examined experimentally the impact of external electric field on the local sites of films being in different magnetization regime, and with the different resolution. The possibility of coexistence under corresponding conditions of linear and quadratic by electric field electro-magneto-optical effect in films is shown, particularly in presence of external mecanical pressure. The mechanism of magnetic anisotropy's change in film under the action of electric field is defined.

Key words: electric field, magnetic field, electro-magneto-optical effect, domain, domain wall, magnetic anisotropy.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Протягом останніх десятиріч помітно зростає увага до магнітовпорядкованих матеріалів і пов'язано це з широким їх застосуванням в сучасній техніці і, в першу чергу, в накопичувачах інформації. Потреби сучасної науки стимулюють пошук нових властивостей вказаних матеріалів, а також створення та дослідження матеріалів з новими властивостями. Особливе місце серед них належить тонким феримагнітним плівкам, зокрема, плівкам феритів зі структурою гранатів. Перш за все, це пов'язано з тим, що вивчення фізичних властивостей феримагнітних плівок сприяє вирішенню фундаментальних проблем фізики магнітних явищ, розвитку теорії феромагнетизму. Також важливим є те, що в плівках можна реалізувати структурні стани, які важко або неможливо отримати у звичних (масивних або об'ємних) магнітних зразках, і це суттєво розширює можливості дослідження зв'язку між структурними характеристиками і фізичними властивостями магнітних матеріалів. Одним з напрямків цих досліджень є вивчення ефектів впливу зовнішніх електричних полів на магнітний стан магнітовпорядкованих матеріалів. Прикладом таких ефектів є магнітоелектричний (МЕ) ефект (МЕЕ).

Існування в деяких матеріалах магнітної та електричної підсистем та взаємодія між ними вносять ряд особливостей у властивості матеріалу, в реакцію системи на електричне та магнітне поля, зокрема, появу МЕ взаємодії. На сьогодні вже відомо багато МЕ матеріалів, продовжується пошук нових. Задача дослідження МЕ ефектів є досить актуальною, зважаючи на те, що показана широка перспектива практичного застосування МЕ матеріалів, зокрема, для створення нового типу пам'яті. Раніш магнітоелектрики представляли інтерес для досить вузького кола науковців через малі величини МЕЕ, що серйозно обмежувало можливості їх практичного застосування. Але виявлення в останні роки гігантського МЕЕ при кімнатних температурах (тонкі плівки (50-500 нм) ферита вісмута BiFeO₃ з МЕЕ dE/dH=3 В/(см·Е), або 0,4 в СГС) і МЕ ефектів в композитних матеріалах, де величина ефектів досягала значень 0.1 В/(см·Е), дозволяє говорити про можливості їх застосування в техніці - пам'ять на магнітоелектричних доменах, головки запису/зчитування. Є перспективи застосування магнітоелектриків в спіновій електроніці, де головна проблема - перетворення інформації (яка представлена в формі намагніченості) в електричну напругу, вирішується з використанням явища гігантського магнітоопору, а МЕЕ може бути використаним як альтернативне рішення даної проблеми. Ряд магнітоелектриків, як матеріалів з порушеною часовою інверсією, можуть знайти застосування в якості невзаємних пристроїв НВЧ діапазону - вентилів, циркуляторів та ін. Нелінійні (зокрема квадратичні) МЕ ефекти можуть бути використані в приладах подвоєння частоти.

Використання високочутливих поляриметричних методів при дослідженні МЕ ефектів можна розглядати як альтернативну методику традиційним ємнісним та індукційним методам, яка, зокрема, дозволяє досліджувати ефекти на зразках об'ємом до 10^-6 мм³., тобто виникає можливість досліджувати МЕЕ в тонких магнітних плівках, що було практично неможливим із застосуванням вказаних методів. При цьому з'являється також можливість досліджувати локальні ефекти (окремі домени та доменні стінки (ДС)). При оптичних дослідженнях можливе більш глибоке розуміння природи МЕЕ, зокрема, вибираючи частоту вимірювання, можна розділити внески в МЕЕ від різних магнітних підграток, що є проблематичним в радіочастотному та низькочастотному діапазонах. Перспективним метод є і у зв'язку із загальними задачами щодо опису взаємодії електричного і магнітного полів з речовиною.

Робота над дисертацією виконувалась в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка в рамках держбюджетних науково-дослідних тем (№ 0197U033193, №0101U003936).

Мета роботи - подальше з'ясування механізмів впливу зовнішнього електричного поля на магнітні характеристики МЕ матеріалу, дослідження в плівках ферит-гранатів магнітооптичних явищ, індукованих зовнішніми електричними полями в широкому діапазоні змін зовнішнього магнітного поля. Для цього ставилась задача експериментального дослідження методами оптичної поляриметрії особливостей МЕ ефектів в епітаксійних плівках ферит-гранатів (ЕПФГ), пов'язані, в першу чергу, із врахуванням МЕ проявів окремих магнітних доменів та доменних меж.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. Експериментально виявлено нелінійний за електричним полем ефект впливу зовнішнього електричного поля на магнітний стан ЕПФГ методом оптичної поляриметрії - електромагнітооптичний ефект (ЕМОЕ). Виявлено ефект лінеаризації нелінійних за електричним полем ЕМОЕ під впливом постійного електричного поля в ЕПФГ.

Вперше досліджено вплив на величину ЕМОЕ та характер його магнітопольових залежностей в ЕПФГ зовнішніх механічних напружень. При цьому виявлено ефект лінеаризації квадратичних за електричним полем ЕМОЕ, індукований зовнішніми напруженнями. Виявлено також вузьку область співіснування лінійної та нелінійної за електричним полем складових ЕМОЕ.

3. Показано, що в ЕПФГ величина спонтанної намагніченості М під впливом зовнішнього електричного поля практично не змінюється. Внаслідок дії електричного поля відбуваються малі зміни положень ДС, що можливе у випадку, коли електричне поле змінює магнітну анізотропію плівки при незмінній намагніченості.

4. Виявлено залежність величини ЕМОЕ на ділянках плівки, що охоплюють ДС, від конфігурації та розташування ДС. Показано, що МЕ взаємодія призводить до можливості управління за допомогою електричного поля спіновою, просторово модульованою структурою.

5. Запропоновано теоретичну модель, яка дозволяє пояснити експериментально виявлені особливості у проявах ЕМОЕ в ЕПФГ в різних режимах намагнічування.

6. Запропоновано методику використання ЕМОЕ для зондування потенціального рельєфу плівки, який визначається різноманітними дефектами на поверхні та в об'ємі зразка.

Наукове та практичне значення роботи полягає в тому, що отримав подальший розвиток новий метод дослідження магнітних, структурних властивостей магнетиків, в основі якого лежать оптичні явища, обумовлені магнітоелектричним ефектом, що може сприяти розвитку нового напрямку в дослідженнях електронних станів в кристалах - магнітоелектрична спектроскопія електронних переходів. Отримані в роботі результати свідчать про нові, невідомі раніш механізми МЕЕ. Показано, що ЕМОЕ в основному визначається локальними розподілами магнітної індукції в багатодоменному стані плівки. Виявлено вплив електричного поля на магнітну анізотропію ЕПФГ, що призводить до малих зміщень ДС в ЕПФГ. Результати роботи дозволяють цілеспрямовано шукати шляхи збільшення ефективності МЕ взаємодії з метою практичного застосування МЕ матеріалів, наприклад, при побудові на їх основі пристроїв, що працюють у надвисокочастотному (НВЧ) і оптичному діапазонах з двома каналами управління - за електричним та магнітним полями.

Ступінь достовірності. Достовірність отриманих результатів забезпечується:

1. Використанням апробованих експериментальних методик.

2. Узгодженням експериментальних результатів з існуючими теоретичними моделями та результатами інших авторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на наукових семінарах в Інституті фізики НАНУ, на кафедрі експериментальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, на кафедрі електрофізики радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка, а також на наступних міжнародних наукових конференціях: міжнародній науково-технiчній конференцiї "Оптико-електроннi iнформацiйно-енергетичнi технологiї", 2001. Вінниця; міжнародній конференції NATO Advanced Research Workshop, 9^th International Conference on Electromagnetics of Complex Media. Bianisotropics 2002, Marrakech; міжнародній конференції “Функціональні матеріали“ (International conference “Functional Materials“ - ICFM - 2003. Ukraine, Crimea, Partenit).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 робіт у вітчизняних та закордонних виданнях: 6 статей, 3 опублікованих тези доповідей на наукових конференціях. Список публікацій наведено в кінці автореферату.

Особистий внесок полягає у постановці та виконанні всіх описаних в роботі експериментальних досліджень, безпосередній участі разом зі співавторами в процесі інтерпретації отриманих результатів та підготовці робіт до публікації.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 145 посилань. Робота ілюстрована 27 рисунками і має загальний обсяг 118 сторінок. плівка магнітоелектричний гранат електромагнітооптичний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність обраного напрямку досліджень, сформульовано мету, відображено новизну, наукове та практичне значення роботи. Подано короткий зміст роботи.

У першому розділі представлено огляд експериментальних та теоретичних робіт, де розглядається вплив зовнішніх електричних полів на магнітний стан магнетиків. Викладено основні моменти теорії МЕЕ, розглянуто огляд експериментальних методів досліджень МЕ ефектів. Розглянуто особливості кристалічної структури ЕПФГ, зроблено огляд основних результатів по експериментальним дослідженням МЕЕ в об'ємних монокристалах ферит-гранатів та ЕПФГ. Викладено основні проблеми експериментальних досліджень МЕ взаємодій в ЕПФГ.

У другому розділі наведено опис розвинутих експериментальних методик по дослідженню МЕЕ оптичними методами (ЕМОЕ), розглянуто схему розробленої експериментальної установки для досліджень ЕМОЕ в ЕПФГ. Наведено феноменологічну модель ЕМОЕ для феримагнетиків. Представлено ряд отриманих магнітопольових залежностей ЕМОЕ при лазерному зондуванні ділянок плівок, що охоплюють декілька доменів. Представлено результати досліджень магнітопольових залежностей ЕМОЕ при підведенні до зразка одночасно змінної та постійної електричної напруги. Розглянуто питання про вплив зовнішніх механічних напружень, прикладених до плівки, на характер та величину ЕМОЕ в ЕПФГ.

Традиційно, дослідження МЕЕ проводились, головним чином, в низькочастотному або радіочастотному діапазонах з використанням індукційних чи ємнісних методик шляхом вимірювання електричної поляризації Р або магнітного моменту M при дії на зразок магнітного Н, або електричного Е полів відповідно. Але вказані інтегральні вимірювання не дозволяють проводити дослідження МЕ характеристик окремих доменів та ДС, бо вимірюваний сигнал є усередненим по великій кількості доменів. Окрім цього, практично неможливо проводити дослідження МЕЕ в тонких магнітних плівках вказаними методами, бо для цього потрібні великі об'єми досліджуваного матеріалу (1-10 мм³). Подолати вказані труднощі дозволяє відносно недавно запропонована методика ЕМОЕ - реєстрація кута повороту площини поляризації лінійно поляризованого світла в зовнішньому електричному полі - _ЕМО (чутливість вимірювань модульованих поворотів площини поляризації світла може складати біля 0,05 кутових секунд [1]), яка дозволяє працювати з малими об'ємами епітаксійних плівок (до 10^-6 мм³) і надає можливість проводити дослідження окремих малих ділянок зразка, наприклад доменів та ДС.

Досліджуваний зразок ЕПФГ розміщувався між двома прозорими пластинами-електродами, до яких підводилась електрична напруга U, і дана конструкція розміщувалась між полюсами електромагніта. Вимірювання проводились з використанням гелій-неонового лазера на довжині хвилі = 0,63 мкм при кімнатній температурі на зразках односторонніх Ві-ЕПФГ товщиною до 10 мкм, які вирощені на підкладинці з галій - гадолінієвого гранату (ГГГ) в площині (111) товщиною біля 590 мкм.

Феноменологічний аналіз можливості існування ЕМОЕ в феримагнетиках показав, що ЕМОЕ пов'язаний з існуванням в термодинамічному потенціалі членів типу де E_i та H_k - напруженості електричного та магнітного полів відповідно. Тому електричне поле повинно індукувати в них додаткову намагніченість: а магнітне поле - додаткову електричну поляризацію.

Класи магнітної симетрії, для яких магнітоелектричний тензор r_ik 0, визначені. Тензор r_ik є аксіальним с-тензором другого рангу, непарним відносно операції інверсії часу R. Цей тензор дорівнює нулю в кристалах, які містять елементи симетрії операції інверсії часу R та/або просторової інверсії І. Таким чином, в кристалах з центром інверсії в такому наближенні лінійний за електричним полем ЕМОЕ (М ~ Е) існувати не може. Але в магнітовпорядкованих кристалах з центром інверсії (до яких відносяться ферити зі структурою гранату) можуть проявлятись нелінійні, квадратичні за електричним полем ЕМОЕ (М ~ Е²). Це випливає з того, що термодинамічний потенціал може містити члени, член у термодинамічному потенціалі Ф^** відповідає за існування в кристалах з центром інверсії квадратичного ЕМОЕ типу

. (6)

Таким чином, враховуючи, що структура ферит-гранатів є центросиметричною, з точки зору теорії ЕМОЕ в них повинен бути пропорційним Е², а лінійний за електричним полем ефект - заборонений.

Результати проведених нами експериментів узгоджуються з теоретичним аналізом. Так, наведено залежність величини кута повороту _ЕМО від напруженості зовнішнього магнітного поля Н в повздовжній геометрії проведення експерименту (Н||Е||k||n, де k - хвильовий вектор, n - вектор нормалі до поверхні) [2]. Для розрахунку повороту площини поляризації світла _ЕМО використовувались результати виміряних експериментально значень амплітуди другої гармоніки електричного сигналу.

Аналіз отриманих залежностей показує, що ЕМОЕ в ЕПФГ відсутній в нульовому магнітному полі і проявляється при підключенні зовнішнього поля Н (на рис.2 показано залежність _ЕМО від U² при Н=160Е та Н=198Е). Співставляючи наведені графіки з польовою залежністю магнітооптичного ефекту Фарадея (ЕФ) видно, що максимальний вплив Е-поля на магнітний стан плівок (_ЕМО8 кут.сек) проявляється в межах області обертання вектора намагніченості (ділянка ІІ на кривій намагнічування, рис.3). В полях Н 220 Е, при магнітному насиченні плівки, _ЕМО зменшується до близьких до нуля значень і при подальшому зростанні Н не спостерігалось змін ЕМОЕ, тобто, Е-поле практично не змінює величину спонтанної намагніченості М гранатових плівок. Відсутність ЕМОЕ для насиченого зразка і в поперечній геометрії експерименту підтверджує даний висновок. Визначений за результатами експериментів МЕ коефіцієнт, який відповідає максимуму ЕМОЕ, має величину порядка _МЕ=10^-5 в гаусовій системі одиниць, що досить добре співпадає з МЕ коефіцієнтами для об'ємних монокристалів ферит-гранату при дослідженнях ємнісними методами.

Для пояснення отриманих експериментальних результатів на макроскопічному рівні прийнятною є наступна модель ЕМОЕ.

При прикладанні до зразка зовнішніх Е- та Н-полів, термодинамічний потенціал на одиницю об'єму для однодоменного зразка, який потрібно мінімізувати для знаходження рівноважного стану, можна записати: де Е та В₀ - зовнішні електричне та магнітне поля, E_a - густина енергії анізотропії, М - намагніченість, Н- поле розмагнічування, Р - вектор поляризації. Вираз (7) можна переписати інакше для знаходження умов рівноважного стану, розглядаючи намагніченість як (u - одиничний вектор напрямку М): де - внутрішнє поле. Тоді для рівноважного стану:

Для ферит-гранату, який відноситься до m3m симетрійного класу в невпорядкованому стані:

, (9)

де K₁, K₂ - константи магнітної анізотропії; C і D - МЕ константи анізотропії; ₁, ₂ та ₃ - направляючі косинуси вектора намагніченості вздовж кубічних осей; E₁, E₂, E₃ - компоненти прикладеного електричного поля; ₁, ₂ та ₃ - направляючі косинуси вектора електричного поля.

В ненасиченому стані зразок поділений на окремі домени і рівноважний стан можна знайти, мінімізувавши потенціал , де x_j - частина загального об'єму V, зайнята магнітною фазою j; всі фази з однаковим полем: , де N - коефіцієнт розмагнічування.

У випадку, коли Е- та Н-поля направлені вздовж кристалографічного напрямку [001] кубічного кристала, для рівноважного стану при зростанні магнітного поля від нульового значення можна розглянути три режими: 1 (Н=0) - режим руху ДС, перерозподіл об'ємів доменів з ростом Н₀; 2 (Н0) - режим обертання вектора намагніченості до напрямку [001]. Середній магнітний момент в режимі обертання можна визначити з виразу: де М - намагніченість насичення, -магнітний момент. Процес обертання закінчиться при Н_кр2=N - 2. В полях Н₀Н_кр2 - зразок в режимі насичення вздовж напрямку [001]- режим 3. (Н0), існує одна магнітна фаза. Приклавши зовнішнє Е-поле вздовж [001], в режимах 1 та 3 не повинно спостерігатись індукування Е-полем магнітного моменту, тобто МЕЕ повинен бути рівним нулю. Це випливає з тих міркувань, що при Н=0 (режим 1) не залежить від виразу для Е_а і залежить лише від геометричних умов, що включають форму зразка та Н₀ . В режимі 3 Н?0, але залежить слабо від Е_а, бо в насиченні Е_а визначає лише можливий дуже малий кут між векторами М і Н₀. В режимі 2 вказаний вплив Е-поля повинен проявлятись в значній мірі, тобто процес обертання вектора намагніченості управляється також Е-полем, при цьому: де С- МЕ константа анізотропії. Н_кр1 та Н_кр2 слабо залежні від Е-поля.

Рішення рівняння (11) методом збурень, попередньо зробивши заміни , для спрощення і прийнявши, що , показує квадратичну за Е-полем залежність МЕЕ для кубічних кристалів. Наявність квадратичного за Е-полем МЕЕ в області обертання вектора намагніченості добре узгоджується з експериментом (рис.1). Водночас, є відмінність в результатах експериментів і теоретичним розглядом в областях 1 та 3. Пояснюється це тим, що розглядалась ідеалізована ситуація, а в реальних кристалах область обертання вектора намагніченості може мати ширші межі, враховуючи взаємодію ДС з дефектами кристалічної структури, які мають місце в реальних ЕПФГ і заважають вільному рухові ДС.

Експериментально виявлено також анізотропні властивості ЕМОЕ - величина _ЕМО суттєво залежить від орієнтації зовнішнього магнітного поля відносно напрямку вектора k. Так, зокрема, при kH =110 максимальна величина _ЕМО майже вдвічі перевищує _ЕМО при kH=90. При цьому максимум ефекту спостерігається в меншому діапазоні змін Н-поля.

Запропоновано метод дослідження динаміки процесу втрати центра симетрії структурою ЕПФГ за допомогою ЕМОЕ [3,4]. На рис. 4 представлено геометрію експерименту. До однієї з двох (верхньої) пластин-електродів, між якими розміщено зразок ЕПФГ, ззовні прикладалась механічна напруга, яка поступово збільшувалась шляхом навантаження відповідною кількістю мідних пластин, кожна з яких мала тонкий отвір. Конструкція розміщувалась в зовнішньому Н-полі, ЕМО сигнал досліджувався як на основній частоті Е-поля, так і на подвоєній. Аналіз отриманих залежностей дозволяє зробити висновок про вплив зовнішніх механічних напружень не лише на величину, а й на характер ЕМОЕ в ЕПФГ. Так, зокрема, без навантажувачів спостерігався ефект типу Е²Н, велиина якого зменшувалась до повного його зникнення приблизно лінійно зі збільшенням навантаження (рис. 4). При Р 1810⁵ Н/м² було виявлено ефект виникнення принципово інших ЕМО проявів - спостерігався лінійний за Е-полем ЕМОЕ, заборонений для центросиметричної структури гранату. В діапазоні зміни тиску Р від 18 10⁵ до 20 10⁵ Н/м² було зареєстровано одночасне існування ефектів типу Е²Н та ЕН. При значеннях механічного тиску, починаючи приблизно з 2010⁵ Н/м² і більше, спостерігати вдалось лише лінійний ЕМОЕ, величина якого зростала зі збільшенням навантаження на плівку.

Аналізуючи отримані результати потрібно зазначити, що ефект появи лінійного за Е-полем внеску в ЕМОЕ під дією одновісного механічного тиску для об'ємних центросиметричних монокристалів ферит-гранатів не повинен проявлятись, враховуючи, що тиск за своєю симетрією зберігає інверсійну симетрію. Але вказаний ефект проявляється в ЕПФГ, що пов'язано з особливостями структури плівок. Так, зокрема, завдяки умовам при яких відбувається зародження та формування ЕПФГ, в них виникають макро- і мікронапруження та деформації, а через великі переохолодження та перенасичення процес формування плівок супроводжується утворенням високої концентрації дефектів кристалічної гратки, порівняно з об'ємними кристалами. Верхній епітаксійний прошарок плівки має неоднорідні напруження, через те, що стала гратки плівки відрізняється від сталої гратки підкладинки. Відомо також про існування поверхневих перехідних прошарків на границях підкладинка-плівка і плівка-повітря, які відрізняються за хімічним складом від об'єму ЕПФГ. Тобто, по товщині ЕПФГ існує дві області: одна - основна неспотворена (тонкий шар ферит-гранату з центросиметричною структурою) і друга - та, де є неоднорідні напруження (граничні області підкладинка-плівка і плівка-повітря, де структура вже не є центросиметричною). Таким чином, поверхня ЕПФГ, до якої прикладається зовнішнє механічне навантаження, є структурно неоднорідною і нерівною, пластинка, через яку здійснюється тиск - також. Отже, поблизу поверхні виникають неоднорідні навантаження і, як наслідок, виникає градієнт тиску вдовж напрямку його прикладення. Такий механічний вплив вже порушує інверсійну симетрію і може призводити до виникнення лінійного ЕМОЕ, що і спостерігалось нами експериментально.

Одночасне спостереження лінійної та квадратичної складових ЕМОЕ, яке відбувається в деякому діапазоні зміни механічного тиску, дозволяє сподіватись на можливість отримувати цим методом інформацію про розділений внесок у спотворення кристалічної симетрії зразка від окремих її частин. Тобто, це означає, що вдалось спостерігати динаміку втрати центра інверсії в об'ємі ЕПФГ і отримати метод регулювання цього об'єму.

Глибше зрозуміти природу ЕМОЕ в ЕПФГ дозволяє розгляд одночасної дії змінного та постійного Е-полів на досліджуваний зразок при різних значеннях напруженості Н-поля. У відповідності до теорії, при цьому може спостерігатися лінійний за Е-полем ЕМОЕ, бо прикладання до зразка полів Е і Е₌ де ^ЕМО - магнітоелектрична сприйнятливість. Вказаний лінійний ЕМОЕ вдалось експериментально зареєструвати, його величина лінійно залежала як від змінного, так і від постійного електричних полів.

У третьому розділі представлено методику досліджень локальних ЕМОЕ з мікронним просторовим розділенням, викладено основні експериментальні результати по дослідженню в ЕПФГ локальних ЕМОЕ в окремих магнітних доменах обох знаків.

Як вже зазначалось, традиційно використовувані методи досліджень МЕЕ не дозволяють експериментально показати вплив зовнішнього Е-поля на магнітний стан окремих доменів ЕПФГ. Ефективним методом при рішенні даної задачі є магнітооптичний метод - комбінування прецезійного лазерного поляриметра з поляризаційним мікроскопом. Така постановка задачі обумовлена тим, що зміна магнітооптичних характеристик під дією зовнішнього Е-поля може мати місце як в багатодоменному випадку, так і в однодоменному. Але враховуючи, що ефект може бути пропорційним не Н чи М, а ще й магнітній індукції В, то, відповідно, зміна магнітооптичних характеристик під дією електричного поля в різних доменах буде різною.

Досліджено магнітопольові залежності _ЕМО для доменів обох знаків. При цьому виявлено ефект зміни магнітного стану домену під дією Е-поля при відсутності впливу зовнішнього Н-поля, що, на перший погляд, суперечить результатам досліджень, представленим в розділі 2 (наприклад, рис.1), де ЕМОЕ при відсутності зовнішнього магнітного впливу не реєструвався. Причина відмінностей полягає у взаємній компенсації ЕМОЕ сусідніх доменів - домену, зі зростаючим в Н-полі об'ємом, та домену, об'єм якого зменшується при тому ж напрямкові поля. Компенсація відбувається тому, що ЕМОЕ від сусідніх доменів є рівними лише за модулем, а врахування різниці в знаках призводить в результаті до нульового ЕМОЕ, що і спостерігалось при дослідженнях багатодоменних ділянок плівки. Тобто, наявність просторово модульованої структури призводить до того, що в середньому по об'єму ЕМОЕ дорівнює нулю.

Виявлено також ефект незалежності величини _ЕМО на центральних ділянках доменів (див. вставки на рис. 5) від зовнішнього Н-поля в широкому інтервалі зміни Н, зокрема, в межах від 0 до 180Е для домену, об'єм якого зменшується в магнітному полі (залежність І на рис. 5). Максимальні значення _ЕМО приймає при Н 200Е (досліджуваний домен в передколапсному стані), після чого ЕМОЕ різко зменшується до нульових значень (плівка в однорідно намагніченому стані) [5]. Таким чином, показано можливість магнітних фазових переходів в однорідний стан, індукованих зовнішніми електричними полями в присутності магнітного поля, тобто, МЕ взаємодія призводить до можливості управління за допомогою Е-поля спіновою просторово модульованою структурою. При зміні напрямку Н-поля на протилежний (досліджується домен, об'єм якого збільшується), як видно з рис.5 (ІІ), магнітопольова залежність ЕМОЕ має ряд суттєвих особливостей, яким дано наступні пояснення.

З багаточисельних досліджень ЕФ у феритових плівках відомо, що при локальному оптичному зондуванні кут фарадеївського обертання площини поляризації світла, що проходить через окремий домен, є пропорційним:

, (14)

де

, (15)

N - фактор розмагнічування, . Як видно з графіків на рис.5 (ІІ), магнітопольові залежності за характером зміни величини _ЕМО при скануванні лазерним променем різних ділянок розглянутого домену суттєво відрізняються в полях Н150-200Е. При вимірюваннях з переміщенням лазерного променя за ділянкою залишкового домена (який наближається до колапсу) і не “чіпляючи” при цьому ДС (малюнки на рис.5 (ІІ)) отримана магнітопольова залежність _ЕМО(Н) має вузьку область різкого зменшення величини _ЕМО . При віддалені зондуючого променя від залишкового домену, протилежного за знаком до досліджуваного, спостерігається поступове розширення області залежності величини _ЕМО від Н, і чим далі лазерний промінь від залишкового домену, тим більш плавний характер має відповідна польова залежність. Така відмінність в магнітопольових залежностях пов'язана зі змінами полів розмагнічування, як наслідок особливостей формування полів розмагнічування у тонкій плівці. При цьому ЕФ на ділянці плівки, що зондується, відчуває не лише намагніченість цієї ділянки М, яка не змінюється, а також і макроскопічне середнє поле Н_int, яке залежить від полів розмагнічування. І саме ця складова ЕФ модулюється прикладеним змінним Е-полем. Тобто, розглянуті вище результати доводять, що зовнішнє поле Е призводить до додаткового внеску в магнітооптичний ЕФ на ділянках плівки з однорідною намагніченістю в разі присутності в плівці також і доменів протилежної орієнтації, і практично не веде до нього, коли весь зразок знаходиться в однодоменному стані. В дослідженнях використовувались поля Н 4М, отже, вплив Н-поля на цій ділянці визначався перш за все тим, що воно веде до перебудови доменної структури, зміни локальної величини М, яка в основній частині визначає ЕФ. І лише пов'язана з полями розмагнічування частина макроскопічного середнього Н-поля на досліджуваній ділянці виявилась чутливою до Е-поля. І саме вона визначила ЕМОЕ і його магнітопольову залежність.

Сукупність отриманих експериментальних результатів дозволяє запропонувати наступну модель МЕ взаємодії в ЕПФГ. Вплив зовнішнього Е-поля не призводить до зміни спонтанної намагніченості М плівки, яка головним чином відповідає за повороти площини поляризації світла. Але локальний розподіл магнітної індукції В у багатодоменному стані відрізняється від найпростішого наближення знакозмінного чередування при переході через ДС із детальною однорідністю в межах кожного з доменів. І ці неоднорідності дають свій малий внесок в локальні значення кута повороту площини поляризації світла. Саме ці малі доданки модулюються Е-полем, в той час як намагніченість М практично не модулюється, що найяскравіше демонструється майже повним зникненням ЕМО сигналу при переведенні плівки в однорідно намагнічений стан. Тобто, на модельному рівні можна сказати, що прикладене електричне поле, по суті, модулює фактори, що залежать від розташування та конфігурації ДС. Вказані фактори при незмінному значенні М визначаються характеристиками анізотропії.

У четвертому розділі розглянуто МЕ прояви ділянок локалізації ДС в зовнішніх електричному та магнітному полях. Представлено отримані експериментальні магнітопольові залежності ЕМОЕ від різних ділянок ДС при скануванні лазерним променем по поверхні плівки. Показано залежність величини _ЕМО від геометричної форми ділянки зондування ДС.

В третьому розділі показано, що суттєвий вплив змінного електричного поля Е(t) на магнітооптичний ЕФ ферит-гранатової плівки проявляється лише за наявності доменної структури в плівці - до магнітного насичення. Тобто, потребують окремого дослідження ділянки доменів, які містять ДС в полях Е(t) і Н.

На рис. 6 представлено результати досліджень впливу Е-поля на магнітний стан ділянки ЕПФГ, що охоплює ДС. Аналіз представленого графіка показує, що ЕМОЕ на ділянках з ДС у відсутності зовнішнього магнітного впливу є близьким до нуля. В діапазоні зміни магнітного поля від 10 до 170 Е (відбувається перерозподіл об'ємів доменів, тобто, зміщення ДС) виявлено ЕМОЕ, величина _ЕМО при цьому збільшувалась приблизно лінійно зі зростанням Н-поля. В діапазоні зміни Н від 170 до 190Е спостерігалось різке збільшення впливу поля Е на магнітний стан досліджуваної ділянки плівки. Подальше спостереження за ДС не проводилось, враховуючи, що діаметр домену у вказаних полях (2 мкм) стає співрозмірним з просторовим розділенням оптичної частини експериментальної установки (пунктирна лінія на рис. 6 демонструє сумарний сигнал при переході плівки в магнітно насичений стан).

Тобто, за допомогою даної серії експериментів виявлено суттєву залежність величини _ЕМО від зовнішнього Н-поля за наявності ДС в області зондування. Можливими “збудниками” даного ефекту в розглянутій геометрії (Е || Н || k) є рух ДС, викликаний Е-полем, та зміна внутрішньої структури ДС в зовнішніх Н- та Е-полях.

При проведенні сканування діафрагмою різних ділянок ДС окремого домену при Н=185Е, виявлено, що різке зростання ЕМО сигналу при Н 170Е, як це представлено на рис.6, відбувається не на всіх ділянках ДС. Це може свідчити про те, що максимум ЕМОЕ є проявом попадання зондуючого променя на місце закріплення ДС передколлапсного домена на дефекті, що можна використати для зондування потенціального рельєфу плівки.

Таким чином, сукупність виявлених особливостей ЕМОЕ в плівках ферит-гранатів дозволяє стверджувати, що під дією Е-поля намагніченість плівки не змінюється, а “дихають” (малі зміни положення) ДС, особливо в передколлапсному стані домену, що зменшився у прикладеному магнітному полі навколо точки “пінінгу”. Це “дихання” ДС впливає на величину магнітооптичного ЕФ, завдяки його пропорційності середній магнітній індукції В в області спостереження, у вираз для якої поряд з 4М входить середнє внутрішнє Н-поле, а останнє залежить від полів розмагнічування, чутливих, у випадку тонкої феримагнітної плівки, до розташування доменних меж в околі області спостереження. Враховуючи, що середні розміри доменів зазвичай є обернено пропорційними певному ступеню константи магнітної анізотропії, то ДС будуть “дихати” при незмінній намагніченості в разі, якщо Е-поле змінює величину магнітної анізотропії. Враховуючи, що у виразі для термодинамічного потенціалу ферита найнижчий за ступенем намагніченості внесок, що описує анізотропію, пропорційний М_z² , можна зробити висновок, що складова МЕЕ, яка відповідає за спостережуваний ефект, має бути квадратичною по М або по В. Враховуючи, що ефекти, які обговорювались, є квадратичними по Е, стає очевидним, що за Е-польову модуляцію магнітної анізотропії, яка спричиняє “дихання” ДС, що обумовлює спостережувані ЕМОЕ, відповідають складові МЕЕ, пропорційні Е²В² або Е²М².

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ РОБОТИ

1. Експериментально виявлено ефект повороту площини поляризації лінійно поляризованого світла в ЕПФГ при прикладанні до зразка вздовж напрямку розповсюдження світла електричного поля - ЕМОЕ. Вказаний ефект має квадратичну залежність за електричним полем і його величина залежить від зовнішнього магнітного поля. Фізична природа виявленого нелінійного ефекту визначається МЕ взаємодіями.

2. Запропоновано та апробовано новий метод лінеаризації квадратичних за електричним полем ЕМОЕ в ЕПФГ- лінеаризація зовнішнім механічним напруженням, при цьому виявлено область співіснування нелінійної та лінійної за Е- полем складових ЕМОЕ. Поясненням вказаного ефекту є виникнення градієнту тиску, внаслідок неоднорідних напружень поблизу поверхні плівки, який порушує інверсійну симетрію і може призводити до виникнення лінійного ЕМОЕ. Лінеаризація зовнішнім механічним напруженням дозволяє спостерігати динаміку втрати центра інверсії в об'ємі кристала і регулювати цей об'єм, змінюючи зовнішній тиск.

3. Виявлено при дослідженнях ЕМОЕ в окремих магнітних доменах, що під дією зовнішнього електричного поля величина спонтанної намагніченості М в ЕПФГ не змінюється, про що свідчать близькі до нуля значення ЕМОЕ для однорідно намагніченої плівки.

4. При локальних дослідженнях виявлено ефект різкого зростання ЕМОЕ в ЕПФГ поблизу магнітного фазового переходу. Показана можливість магнітних фазових переходів в однорідний стан, індукованих зовнішніми електричними полями в присутності магнітного поля, тобто, можливість управляти полем магнітного фазового переходу за допомогою електричного поля.

5. Чутливість доменної структури ЕПФГ до зміни магнітної анізотропії, наведеної прикладеним зовнішнім електричним полем, дозволила оптичними методами виявити вказану зміну при ЕМО дослідженнях локальних ділянок магнітних доменів.

6. Зовнішнє електричне поле призводить до додаткового внеску в магнітооптичний ЕФ на ділянках плівки з однорідною намагніченістю в разі присутності в плівці також і доменів протилежної орієнтації, і практично не веде до нього, коли весь зразок знаходиться в однодоменному стані. Неоднорідності в локальних розподілах магнітної індукції В у багатодоменному стані, що залежать від розташування та конфігурації ДС, дають свій внесок в локальні значення кута повороту площини поляризації світла. Ці малі доданки модулюються Е-полем, в той час як намагніченість М практично не модулюється.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Коваленко В.Ф., Короновський В.Є. Квадратичний вплив електричного поля на процеси намагнічування ферит-гранатових плівок // Вісник Київського університету, серія фізико-математичні науки.-2001.-№3.-С.368-372.

2. Коваленко В.Ф., Короновський В.Є. Вплив механічних напружень на електромагнітооптичний ефект в ферит-гранатових плівках // Вісник Київського університету, серія фізико-математичні науки.-2001.-№4.-С.389-392.

3. Коваленко В.Ф., Короновський В.Є. Вплив постійного електричного поля на електромагнітооптичний ефект у ферит-гранатових плівках // Вісник Радіофізика та електроніка.-2002.-№4.- С.39-42.

4. Коваленко В.Ф., Короновський В.Є. Особливості електромагнітооптичного ефекту в епітаксіальних плівках феритів-гранатів// Український фізичний журнал. - 2002.- Т.47, №9. - С. 855-861.

5. Короновський В.Є. Електромагнітооптичні ефекти на локальних ділянках ферит-гранатових плівок // Український фізичний журнал.- 2004.-Т.49, №11.- С. 1104-1108.

6. V.E. Koronovskyy, S. M. Ryabchenko, V.F. Kovalenko. Electromagneto-optical effects on local areas of ferrite - garnet film. // Phys. Rev. B.- 2005. V.71.- P.172402-172405.

7. Коваленко В.Ф., Короновський В.Є. Міжнародна науково-технiчна конференцiя "Оптико-електроннi iнформацiйно-енергетичнi технологiї". Тези доповідей. Вінниця - 2001.

8. V.E. Koronovskii. V.F. Kovalenko. N.N. Dadoenkova and I.L. Lyubchanskii. Influence of Strain on Electromagnetooptical Effect in Yttrium-Iron Garnet Films. Abst. NATO Advanced Research Workshop, 9^th International Conference on Electromagnetics of Complex Media. Bianisotropics 2002. Marrakech, 8-11 May. Р.58.

9. International conference “Functional Materials“, ICFM - 2003. Domain strusture influence on electromagnetooptical effects in ferrite garnet epitaxial films. Abst. Ukraine, Crimea, Partenit.-2003.-P.92.

Размещено на Allbest.ru