Radiospectroscopy of magnetic materials

Abstract

The paper presents the results of experimental and theoretical research of magnetic materials synthesized for use in the creation of functional radio electronics devices. Observations showed paramagnetic resonance, ferromagnetic resonance, resonance of the magnetostatic spin waves, nonresonant absorption of electromagnetic waves during the quasistatic magnetization reversal of the objects of research. According to the results of measurings of the observed physical phenomena were calculated studied magnetic materials characteristics; magnetization, anisotropy constants and so on.

Full Text

Введение Магнитные материалы уже давно используются в радиотехнике. В последние десятилетия благодаря открытию большого количества новых физических эффектов в магнитных материалах их использование резко расширилось. Помимо классического ферромагнитного резонанса (ФМР), открытого Аркадьевым в 1912 г., физической основой работы функциональных радиотехнических устройств стали служить такие эффекты, как спин-волновой резонанс (СВР), резонанс магнитостатических волн (МСВ) и другие. Образцы, в которых они наблюдаются, удобно брать в виде тонких пленок, в которых скин-эффектом можно пренебречь. В настоящей работе рассмотрены основные физические эффекты, происходящие в магнитных материалах при воздействии на них, помимо постоянного (квазистатического) магнитного поля также переменного магнитного поля, и представлены результаты их экспериментального исследования. 1. Электронный парамагнитный резонанс В парамагнитном образце, находящемся в постоянном магнитном поле H0, имеет место прецессия магнитных моментов атомов. Частота ω0 этой прецессии определяется соотношением [1] , (1) где: γ =ge/2mc= 2,8 МГц/Э – магнетомеханическое отношение электрона. Здесь e – заряд электрона, m – масса электрона, с – скорость света, g – фактор (для свободного электрона равен 2). Если на образец наложить еще малое переменное поле частоты ω, перпендикулярное постоянному полю H0, то при приближении частоты ω к частоте ω0 будет иметь место резонансное изменение угла прецессии магнитных моментов атомов. В эксперименте обычно частота переменного поля неизменна, а меняют частоту собственной прецессии электронов ω0, меняя квазистатически медленно напряженность внешнего поля H0. При обычно используемой частоте переменного поля f0=ω0/2π = 9,3 ГГц сигнал парамагнитного резонанса наблюдается в магнитном поле H0 = 3300 Э. Радиоспектроскопия ЭПР состоит в изучении сдвигов этого сигнала или даже его расщепления вследствие особенностей структуры электронных оболочек атомов и их взаимодействия между собой. Эти эффекты слабы, сдвиги и расщепления составляют величины порядка единиц эрстед или даже долей эрстеда, но регистрируются уверенно. 2. Ферромагнитный резонанс Ферромагнитный резонанс, т.е. резонанс, наблюдаемый в образцах, обладающих спонтанной намагниченностью, в качестве метода исследования магнитных пленок является исключительно информативным. Это определяется связью параметров ФМР как явления со многими самыми различными свойствами объекта иcследования. Так, величина магнитного поля, при котором имеет место ФМР, сильно зависит от намагниченности образца, его анизотропии, механических напряжений в нем. Заметно проявляется неоднородность образца и др. В ферромагнитном образце, обладающем спонтанной намагниченностью M, появляются внутренние поля, величины которых могут достигать многих тысяч эрстед. Если образец однородный и изотропный, имеет форму эллипсоида, то резонансное условие можно представить в виде (формула Киттеля): . (2) Здесь , , размагничивающие факторы образца вдоль главных осей. В случае тонкой пленки размагничивающими факторами в ее плоскости, как правило, пренебрегают ввиду их малости, и тогда резонансное условие при ориентации внешнего поля в плоскости пленки («параллельная» конфигурация) приобретает вид: , (3) а при ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно плоскости пленки («перпендикулярная» конфигурация): (4) Последние два соотношения представляют собой систему уравнений с двумя неизвестными, и М, на основании которых по экспериментально измеренным значениям резонансных полей Н║ и Н┴ можно вычислить намагниченность насыщения 4πМ. 3. Анизотропия Если пленка обладает одноосной анизотропией в своей плоскости, то резонансное условие при ориентации магнитного поля в плоскости пленки имеет вид: . (5) Здесь HK=2K/MS – эффективное поле этой анизотропии. На рисунке 1 показаны угловые вариации резонансного поля в плоскости (110) для монокристаллов смешанного марганец-кобальтового феррита на частоте 9150 МГц. В случае одноосной анизотропии с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки, резонансные условия принимают вид: , (6) . (7) Здесь и магнитные поля в плоскости пленки и перпендикулярно ей . Рисунок 1 – Зависимость резонансного поля от его ориентации в плоскости (100) ферритового монокристалла У феррито-гранатовых пленок одновременно может быть анизотропия нескольких типов: анизотропия формы, анизотропия кристаллографическая, анизотропия одноосная с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки и так называемая орторомбическая анизотропия. Измерения в ходе эксперимента частоты переменного магнитного поля и резонансных полей для определенных ориентаций постоянного магнитного поля позволяют определить константы всех анизотропий, характерных для исследуемого образца. Например, для случая, когда внешнее магнитное поле ║ [110] вдоль нормали к пленке, резонансное условие имеет вид: (8) Здесь – внешнее магнитное поле, Мs – намагниченность насыщения, К1 – константа кристаллографической анизотропии, Кu – константа “перпендикулярной” анизотропии, ∆ константа орторомбической анизотропии. 4. Неоднородность по объему (слоистость) Тонкие магнитные пленки с самого их появления как в качестве объектов физических исследований, так и элементов технических устройств старались получить однородными по объему. Однако тогда же пришлось столкнуться с большими трудностями получения достаточно однородных пленок. Слоистость пленок иногда создается умышленно, поскольку именно это обстоятельство необходимо для работы функционального устройства, в состав которых они входят. На рисунке 2 показан сигнал ФМР плёнки, содержащий два пика. Характеристики этих пиков содержат информацию о магнитных свойствах слоев, с которыми можно связать эти пики [2]. Рисунок 2 – Спектр ФМР пленки, содержащий два пика 5. Неоднородность по площади Пленки больших размеров (при диаметре свыше 6 мм) невозможно поместить внутрь резонатора и их прикладывают к резонатору снаружи к специальному отверстию в его задней или боковой стенке. При этом обеспечивается возможность необходимых манипуляций с пленками их смещения, вращения и т.д. Удобно располагать набором резонаторов, различающихся типом, величиной отверстия и некоторыми другими рабочими параметрами. Рисунок 3 – Зависимость резонансного поля от координаты локального участка пленки На рисунке 3 приведена зависимость резонансного поля от координаты локального участка вдоль диаметра для пленки пермаллоя толщиной 1510 ангстрем [3]. Эта пленка, как видно, весьма неоднородна: эффективное поле ООА меняется от 3.0 Э в центре до 9.0 Э на краях. 6. Спин волновой резонанс (СВР) В пленках благодаря их геометрии можно наблюдать ряд специфических эффектов. Ярким их примером может служить один из гиромагнитных эффектов – резонанс стоячих спиновых волн между поверхностями пленки. Этот резонанс становится наблюдаемым, когда толщина пленки превосходит длину обменной спиновой волны, но не более чем в несколько десятков раз. На рисунке 4 показан спин-волновой спектр пленки толщиной 3900 ангстрем при перпендикулярной ориентации постоянного магнитного поля относительно ее плоскости; числа у пиков – порядковые номера спиновых волн. Так как в спектре видны пики, соответствующие четным значениям n, то можно утверждать, что закрепление поверхностных спинов не является полным. Об этом же свидетельствует и возбуждение однородной моды (n = 0 ). Рисунок 4 – Спин-волновой спектр пермаллоевой пленки 7. Радиочастотный сигнал при квазистатическом перемагничивании (КСП) При исследовании СВР в пермаллоевых пленках на радиоспектрометре с двойной модуляцией поля в перпендикулярной конфигурации ( = 90°) были обнаружены резонансные пики, значительно удаленные от пика однородной прецессии (лежащего в поле 1000 Э): их резонансное поле составляло всего несколько десятков эрстед [4]. В процессе поиска таких пиков приходилось изменять магнитное поле в широких пределах, спускаясь в сторону малых полей от главного пика А вплоть до нулевого значения внешнего поля, а иногда даже переходить его (рисунок 5). Рисунок 5 – Спектр ФМР, записанный при изменении магнитного поля от -300 эрстед до +1300 эрстед При этом низкополевой пик СВР регистрировался дважды (при "положительном" и "отрицательном" значениях его резонансного поля) – пики Б и Б́, а между этими его двумя "зеркальными" относительно точки Н=0 изображениями наблюдался сильный сигнал В (рисунок 5). Этот сигнал естественно связывать с процессами перемагничивания пленки квазистатическим полем при одновременном воздействии на нее СВЧ поля и модулирующего поля . Сигналы "перемагничивания" пленки показаны на рисунках 6а и 6б, где масштаб по магнитному полю значительно увеличен. Ясно видно резкое различие формы сигналов при изменении ориентации поля в плоскости пленки. Очевидно, что здесь мы имеем дело с нерезонансным взаимодействием пленки с модулирующим полем , когда параметрическое воздействие на пленку СВЧ поля происходит не в условиях ФМР, а в условиях ее квазистатического перемагничивания. Из приведенных выше результатов теоретического анализа следует, что наблюдаемый эффект может иметь место лишь в случае, когда в данной области изменения квазистатического поля СВЧ восприимчивость образца меняется. Рисунок 6 – Сигналы, регистрируемые спектрометром при циклическом перемагничивании образца На рисунках 6а и 6б показаны сигналы, наблюдаемые на СВЧ при квазистатическом перемагничивании плёнки состава 79НМА толщиной 510 ангстрем на частоте 9.4 ГГц (а - ОЛН, б - ОЛН) 8. Температурные исследования При температурных исследованиях ЖИГ был обнаружен эффект, связанный с нарушением их гомогенности. На рисунке 7 показана зависимость резонансных полей от температуры при ориентации внешнего поля параллельно плоскости пленки ( ) и перпендикулярно к ней ( ) [5]. Рисунок 7 – Температурная зависимость резонансных полей при параллельной (║) и перпендикулярной (┴) ориентациях внешнего магнитного поля относительно плоскости пленки При комнатной температуре и в параллельной и в перпендикулярной конфигурациях спектр ФМР содержит единственный пик, положение которого соответствует намагниченности Гс. При повышении температуры намагниченность уменьшается и при Т125С обращается в нуль образец переходит в парамагнитное состояние. При понижении температуры картина существенно иная: каждый из названных пиков (при =0 и =90) раздваивается. Пик, имеющий большую амплитуду, ведет себя так, что это соответствует возрастанию намагниченности, а смещение малого пика, возникшего при Т=20С, соответствует уменьшению эффективной намагниченности. При этом, достигнув положения, для которого при Т=-45С, дополнительные пики, имея достаточно большую амплитуду, при дальнейшем понижении температуры продолжают сдвигаться в спектре в прежних направлениях. Отсюда следует, что при Т=-45С не достигается полная магнитная компенсация. Нулевой, очевидно, становится именно эффективная намагниченность , т.е. дополнительный пик связан с зарождением в образце фазы, обладающей ООА, причем связанная с нею ОЛН ориентирована вдоль нормали к пленке. Дальнейшее перемещение дополнительных пиков подтверждает эту интерпретацию: при Т-45С выполняется условие . Таким образом, в исследованном материале при температуре ниже 20С возникает магнитная фаза, обладающая ООА. Причиной этого может быть перестройка атомной структуры ЖИГ. Рисунок 8 – Температурная зависимость констант одноосной , ромбической и кристаллографической анизотропии феррит-гранатовой плёнки Наблюдение ФМР в таких пленках в диапазоне температур позволяют получить информацию о температурном поведении анизотропии каждого типа (рисунок 8). 9. Случаи каскада гиромагнитных эффектов Выше уже упоминались случаи наблюдения гиромагнитных эффектов, сменяющих друг друга по мере изменения температуры образца. В аморфных лентах системы Fe-B возникновение таких каскадов оказалось выраженным особенно сильно. Наиболее характерные явления наблюдались в лентах состава [6]. При комнатной температуре (20°С), кроме обычного сигнала ФМР в поле 730 Э (далее этот сигнал будем именовать "сигнал ФМР-1"), был виден сигнал нерезонансного взаимодействия при квазистатическом перемагничивании ("сигнал КСП-1") (рисунок 9а). При повышении температуры до 233°С (рисунок 9б) сигнал ФМР-1 сдвигается в сторону больших полей (в сторону поля 3300 Э, при котором намагниченность образца должна обратиться в нуль). При этом кардинально меняется форма сигнала перемагничивания (КСП-2). При температуре 260°С (рисунок 9в) сигнал ФМР-1 еще дальше сдвинулся в сторону больших полей, но в поле Н=700 Э появился сигнал новой фазы (сигнал ФМР-2). При этом сигнал КСП практически исчез. Рисунок 9 – Сигналы, обусловленные изменением динамической восприимчивости на частоте 9.24 ГГц, при квазистатическом изменении поля в пределах 3 кЭ при различных температурах; образец При температуре 285°С (рисунок 9г) сигнал ФМР-1 исчез, что указывает на исчезновение и магнитной фазы, с которой он был связан. Сигнал ФМР-2 практически не изменился, хотя сигнал КСП изменился весьма заметно: он стал выражать скачкообразное изменение ориентации намагниченности при перемагничивании. При температуре 420°С (рисунок 9д) сигнал ФМР-2 сильно расширился, что указывает на нарушение порядка в фазе, которой он соответствует. При этом появился сигнал КСП-3 весьма четкой формы. 10. Форма резонансной линии Информативной оказывается и форма резонансной линии. Если образец однороден по объему и эксперимент выполняется в однородных постоянном и переменном магнитных полях, то резонансная линия, формально выражаемая зависимостью мнимой части комплексной магнитной восприимчивости от поляризующего магнитного поля (квазистатически «проходящего» резонансную область) , должна быть лоренцевой. Ее полуширина дает возможность определить время поперечной релаксации магнитного момента , (12) а значит, и константу затухания прецессии магнитного момента . (13) В некоторых материалах наблюдается асимметричная резонансная линия, и эта асимметрия содержит информацию о структуре образца. Заключение Магнитные материалы широко применяются в радиотехнике. Радиоспектроскопические методы их исследования не только дают богатую информацию об их свойствах, но, наряду с этим, позволяют обнаруживать в них новые физические эффекты, которые, в свою очередь, служат физической основой создания новых функциональных устройств.