Оглавление
Введение.......................................................................3
Глава 1. Обзор литературы.......................................................8
1.1 Мультиферроики - перспективные материалы для микроэлектроники.............8
1.2 Магнитная структура редкоземельных ортоферритов..........................10
1.3 Оптические свойства и магнитооптические эффекты в слабых ферромагнетиках.... 16
1.4 Динамика доменных границ в редкоземельных ортоферритах...................19
1.5 Романовская спектроскопия - основные теоретические сведения..............23
1.6 Спектральные приборы для измерения раман-спектров........................32
1.7 Колебания кристаллов и их симметрия......................................36
Глава 2. Методика экспериментальных исследований...............................45
2.1 Аппаратные возможности римановского микроспектрометра....................45
2.2 Методики получения ориентационных зависимостей КРС.......................53
2.3 Исследуемые образцы......................................................56
2.4 Обоснование применимости расчетов спектров КРС в ортоферритах аЬ-тШо 59
Глава 3. Результаты исследования...............................................67
3.1 Магнито-оптичсскис измерения.............................................67
3.2 Магнитно-силовые исследования............................................69
3.3 Раман-визуапизация доменной структуры тонкой структуры доменной (раницы ....77
3.4 Механизм формирования гиперспектральных распределений при изучении тонкой структуры ДГ и ДС..........................................................84
Глава 4. Моделирование и применение колебательных спектров.....................93
4.1. Спектр комбинационного рассеяния света для УРеОз из первых принципов 93
4.2. Применение метода комбинационного рассеяния света для анализа минерального состава обогащаемой руды..................................................100
Заключение...................................................................111
Список литературы............................................................114
2
Введение
Актуальность темы. В компьютерной технике жесткие диски с магнитными головками (ШЮ) вытесняются твердотельными жесткими дисками (88П), обладающими очевидными преимуществами: скорость чтения любого блока данных независимо от физического расположения (более 200 Мб/с); энергопотребление при чтении данных с накопителя (приблизительно на 1 Вт ниже, чем у НР)Б); пониженное тепловыделение; бесшумность и высокая механическая надёжность.
Конструкция ЗБЭ имеет один транзистор с дополнительным парящим затвором, удерживающим электроны. Разница потенциалов между стоком и истоком приводит к созданию проводящего канала, по которому движутся электроны. Электрическое поле способно «выталкивать» электроны из канала на парящий затвор, где они могут сохраняться длительное время. Именно заряд парящего затвора определяет состояние ячейки флэш-памяти: стерта она или запрограммирована. Таким образом, такая ячейка может хранить лишь один бит информации. В ЗБЭ используются двух и трех уровневые ячейки, что увеличивает объем хранимой информации, однако усложняет алгоритмы работы устройства и уменьшает его износостойкость.
Принципиально иным способом хранения информации обладают фер-роэлектрические (БЛАМ) и магниторезистивные (МЯАМ) элементы. Так для р]£АМ основным элементом является конденсатор из двух пластин разделенных сегнетоэлектриком. Запись в ячейке РЛАМ основана на возбуждении электрическим полем атомов сегнетоэлектрика в одно из двух стабильных положений с разным направлением поляризации, что фактически совпадает с бинарным представлением: логической переменной «0» или «1».
Запись по технологии МЯАМ основана на магнитных элементах из
двух ферромагнитных слоев: первый - постоянный магнит, намагниченный в
определённом направлении, второй - перемагничивающийся под действием
внешнего поля, которые разделены тонким слоем диэлектрика. Устройство
памяти организовано по принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек»,
3
содержащих элемент памяти и транзистор. Его работа основана на эффекте туннельного магнстосопротивления. Время записи в МЛАМ не превышает
2.3 не, что более чем в 1000 раз быстрее, нежели время записи во флэш-память и в 20 раз быстрее скорости обращения к РЛАМ. Очевидно, что скорость работы МЛАМ памяти определяется скоростью перемагничивания одного из магнитных слоев.
Открытие в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления стало началом развития новой области электроники - спинтроники, с которой связываются надежды по решению проблемы объединения на одной платформе согласованные и взаимосвязанные магнитные (для записи информации) и электропроводящие (для обработки информации) среды. В этой связи наибольший интерес представляет группа веществ с электрическим и магнитным упорядочением - так называемые мультиферроики, характеризуемые, по крайней мере, двумя типами упорядочения различной природы [1]. В настоящее время исследователи, работающие в этой области науки, изучают магнитные и магнитооптические воздействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а так же квантовые и магнитные явления в нанометровых структурах [1-5].
Цель работы: Целью данной диссертационной работы являлось исследование магнитных и спектральных микроособенностей доменной структуры в отдельных слабоферромагнитных материалах, обладающих разными типами магнитного и электрического упорядочения.
Научная новизна работы:
1. Получены результаты магнитооптических и магнитно-силовых исследований микроособенностей, неоднородностей и доменных образований в про-
4
зрачных магнетиках со слабоферромагнитным упорядочением с разрешением ~ 500 и 40 нм, соответственно.
2. Обнаружены магнитные особенности (кинкоподобные, бризероподобные и др.) на статических доменных границах разных типов в УРеОз и БуРеОз в магнито-силовых исследованиях.
3. По полученным ориентационным зависимостям интенсивности спектров комбинационного (рамановского) рассеяния света в доменах с противоположной намагниченностью для УРсОз визуализирована доменная структура и тонкая структура доменной границы.
4. Предложена модель формирования на магнитных неоднородностях, включая доменные границы, гиперспектральных распределений комбинационного (рамановского) рассеяния света.
Практическая значимость работы: Результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили разработать методики определения концентрации минеральных включений в обогащаемых концентратах добывающих предприятий. Разработанная методика позволяет по данным экспресс-анализа фазовых и структурных особенностей исходного сырья и продуктов переработки обогащаемых руд (железосодержащих и других) в условиях действующего производства осуществлять практически их реально-временной контроль на всех стадиях обогащения с целью его оптимизации. Подана заявка на патент № 2012110666, дата приоритета 20.03.2012.
Результаты проведенных исследований будут отражены в методических программах обучения бакалавров и магистров по направлению подготовки -
210600.62 — «Нанотехнология».
Положения, выносимые на защиту:
1. Совмещение аппаратного обеспечения магнитооптических, магнитносиловых и конфокальных микроскопических методов для визуализации микроособенностей структуры доменов и доменной границы.
2. Результаты магнитно-силовых исследований по визуализации тонкой структуры доменной границы в слабых ферромагнетиках УРеОз и БуРеОз.
5
3. Результаты спектральных исследований комбинационного (рамановского) рассеяния света на магнитных неоднородностях в доменной структуре и доменной границе.
4. Механизм формирования гиперспектрального распределения интенсивности комбинационного (рамановского) рассеяния света на особенностях, неоднородностях и доменной границе в магнитоупорядоченных средах.
Апробация результатов работы: Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:
- «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» IX региональная научная конференция, г. Хабаровск, 14-16 октября 2010 г.
- «Нанотехнологии производству 2010» VII Международная научно-практическая конференция, г. Фрязино, 1 - 3 декабря 2010 г.
- «Перспективны технологи, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» VIII Международная конференция, г. Алматы, 2011 г.
- «Современные инструментальные методы, информационные технологии и инновации» VIII международная научная конференция, Юго-западный государственный университет, г. Курск, 2011 г.
- «Spin Waves 2011» International Symposium, St. Petersburg, June 5-11 2011.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе обеспечена обоснованностью используемых методов и воспроизводимостью экспериментальных данных, а так же использованием современных методик исследования (конфокальная, атомно- и магнито-силовая микроскопия, ра-мановская спектроскопия).
6
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях ВАК, одном патенте и 16 в сборниках трудов конференций.
Личный вклад автора. Автором работы получены основные результаты, разработаны технические средства и выполнен весь объем экспериментальных исследований, проведен анализ полученных данных и предложена полуколичественная физическая модель процессов комбинационного рассеяния света в доменах слабых ферромагнетиков с противоположной намагниченностью.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 122 станицы, включая 52 рисунка и 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает 90 наименований. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 8 научных трудах, из них 3 - в рецензируемых научных журналах.
7
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Мультиферроики — перспективные материалы для микроэлектроники
Наибольший интерес для разработки устройств храпения и обработки данных на одной платформе представляют вещества с электрическим и магнитным упорядочением в одном материале. Именно такой материал чаще всего и называют мультиферроиком или магнетоэлектриком [2]. Последнее название отражает типы упорядочений, присутствующих в материале.
В разряд этих материалов попадают исследуемые в рамках настоящей работы окисные соединения типа ортоферриты (КГсОз) и а-гематит (а-Ре203).
Редкоземельные ортоферриты (РЗО) имеют структуру перовскита с ор-торомбическими искажениями (пространственная группа (Рис. 1). Такой характер искажений кристаллической решетки обусловлен достаточно сильным искажением кислородного окружения редкоземельного катиона И3^ и искажением окружения иона Ге3+. Это приводит к расщеплению е£ и (2&-состояний катиона Л3*. Данные искажения обуславливают магнитную и оптическую анизотропию [6].
Рисунок 1 - Кристаллическая структура ортоферритов [7]
8
Элементарная ячейка РЗО содержит четыре формульных единицы и ее особенностью является совпадение с магнитной элементарной ячейкой. Это вызывает образование четырех магнитных подрешеток, как для ^/-подсистемы (магнитные ионы Рс3+), так и для /-подсистемы (иттрий У3+ и редкоземельные ионы И3*). Последняя, являясь многоэлектронной, обусловливает возникновение электрического упорядочения. Помимо этого, В Ш^еСЬ в определённых фазах возникает спонтанная электрическая поляризация при индуцированных магнитным полем фазовых переходах в/ и с1- подсистемах.
Особенностью данного класса материалов является совпадение кристаллической и магнитной элементарных ячеек [4]. Это дает основание утверждать о наличии четырех магнитных подрешеток ^/-подсистемы и такого же количества редкоземельных подрешеток /подсистемы. Анализ приводимых и неприводимых представлений в [4] показывает, что в РЗО имеют место магнитоэлектрические взаимодействия. Таким образом, в РЗО в определенных фазах возможно появление спонтанной электрической поляризации при индуцированных магнитным полем фазовых переходов в/ и ^/-подсистемах. Наличие такого рода фазовых переходов дает основание отнести РЗО к классу мультиферроиков.
Данные материалы обладают слабоферромагнитным упорядочением и характеризуются рекордно высокими скоростями движения доменных границ (ДГ), разнообразием доменных структур (ДС). Это позволяет их позиционировать в качестве перспективных материалов для построения, как высокопроизводительных магнитных устройств обработки информации - за счет высокой подвижности ДГ, так и для разработки спиновых устройств и элементов - основанных на имеющем в них место электрическом упорядочении. Ранее эти магнетики уже стимулировали два прорыва: запись и обработку информации на цилиндрических магнитных доменах, и создание магнитооптических дисков, предшественников оптических дисков. Удивительным образом эти материалы могут в третий раз повторить роль локомотива по развитию и построению квантовых компьютеров с кубитовой и фитовой логи-
9
кой, что свидетельствует об актуальности проводимых исследований но данной тематике.
Кристаллическую структуру гематита (Ке20з) можно отнести либо к ромбической, либо к гексагональной сингонии (рис. 2) [8].
Рисунок 2 - Кристаллическая структура гематита: а - ромбическая сингония,
Рентгено-структурные исследования, проведенные в [9], показывают, что гематит также является мультиферроиком. Магнитное упорядочение для а-Ге20з имеет аналогичное с РЗО происхождение, а образование электрического упорядочения связано с гибридизацией электронных (1- оболочек для
Из выше сказанного можно сделать вывод о том, что РЗО и гематит являются перспективными материалами для создания новых электронных устройств и их элементов. Это объясняет повышенный, в настоящее время, интерес исследователей к этим группам материалов.
1.2 Магнитная структура редкоземельных ортоферрнтов
Для ортоферритов и гематита характерна конкуренция магнитных и обменных взаимодействий, что приводит к образованию в них доменной струк-
10
а
б
б - гексагональная сингония
д I 2^.
Ке и р- оболочек для О .
- Київ+380960830922