Оглавление
ВВЕДЕНИЕ.........................................................7
ГЛАВА 1. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МУЛЬТИФФЕРОИКАХ. ЯВЛЕНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИННИНГА........................................................21
Введение........................................................21
1.1. Линейный магнитоэлектрический эффект в мультиферроике В1ЕеОз.. 30
1.2. Основные взаимодействия в мультиферроиках..................38
1.3. Расчет основного состояния в пленках мультиферроиков.......41
1.4. Доменная структура мультиферроиков.........................48
1.5. Коэрцитивность антиферромагнитных доменных границ мультиферроиков.............................................57
1.6. Намагниченность и поляризация в пленках феррита висмута....62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 1............................................79
ГЛАВА 2. НЕОДНОРОДНЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ДВУХСЛОЙНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ..............................81
Введение........................................................81
2.1. Магнитоэлектрические свойства ферритов - гранатов..........86
2.2. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной структуре с ферромагнитным межслойным взаимодействием...................94
2.3. Электрическая поляризация двухслойной пленки при перпендикулярном
намагничивании.............................................100
2.4. Процессы намагничивания и электрическая поляризация в двухслойной пленке в продольном магнитном поле.........................104
2.5. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной структуре с антиферромагнитным межслойным взаимодействием..............108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 2...........................................115
2
ГЛАВА 3. РАЗМЕРНЫЕ РЕЗОНАНСЫ МАГНИТОУПРУГИХ И УПРУГИХ
ВОЛН В ДВУХСЛОЙНОЙ СИСТЕМЕ МАГНЕТИК - НЕМАГНИТНЫЙ
ДИЭЛЕКТРИК...................................................116
Введение.....................................................116
3.1. Энергия, основные состояния и уравнения движения магнитоупругой среды....................................................120
3.2. Связанные уравнения динамики магнитоупругих и упругих волн.127
3.3. Метод расчета частот размерных резонансов магнитоупругих и упругих
волн в двухслойной планарной структуре......................131
3.4. Размерные резонансы магнитоуиругих и упругих волн в двухслойной структуре. Расчет для пластины (001).....................135
3.5. Толщинные моды магнитоупругих и упругих волн в планарной структуре вида (111).....................................141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 3............................................143
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ РАЗМЕРНЫХ РЕЗОНАНСОВ
МАГНИТОУПРУГИХ И УПРУГИХ ВОЛН ПРИ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОМ И
ПРОДОЛЬНОМ НАМАГНИЧИВАНИИ.......................................145
Введение.....................................................145
4.1. Неэквидистантное расположение гармоник резонансных частот. Трехслойные и двухслойные структуры......................148
4.2. Эффективность возбуждения магнитоупругих и упругих волн в двухслойной структуре вида магнетик - немагнитный диэлектрик 160
4.3. Толщинные моды магнитоупругих волн в продольно - намагниченной ферромагнитной пластине..................................168
4.4. Размерные резонансы магнитоупругих и упругих волн в двухслойной структуре магнетик - немагнитный диэлектрик в магнитном поле, приложенном вдоль поверхности............................175
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 4............................................178
3
ГЛАВА 5. ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ОПТИЧЕСКОМ
ПОГЛОЩЕНИИ ИТТРИЙ - ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГРАНАТОВ.......................181
Введение.................................................... 181
5.1. Оптическое поглощение и фотоиндуцированные эффекты на оптическом поглощении иттрий - железистых гранатов в видимой и ближней инфракрасной области спектра..............................184
5.2. Нетрехвалентные ионы железа в ИЖГ в кристаллическом поле, с учетом тригональных и нетригональных компонент...................190
5.3. Оптическое поглощение октаэдрических ионов Fe2...........194
5.4. Оптическое поглощение октаэдрических ионов Fe4"..........198
5.5. Фотоиндуцированные изменения коэффициента оптического поглощения в ИЖГ. Сравнение с экспериментом...............202
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 5..........................................206
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................208
ЛИТЕРАТУРА....................................................213
4
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
Ру Рх, Ру, Рг - вектор электрической поляризации, компоненты вектора электрической поляризации
Е, Ех, Еу, Е2 - вектор электрического поля, компоненты вектора
электрического поля
Я, Ях, Ну Н7 - вектор магнитного поля, компоненты вектора магнитного поля
Му Мх, Му, Мг - вектор намагниченности (вектор ферромагнетизма),
компоненты вектора намагниченности
уЦ. =\М\ - модуль вектора намагниченности
т - единичный вектор, ориентированный вдоль направления вектора намагниченности
I, Ьх, Ьу, Ьг - вектор антиферромагнетизма, компоненты вектора
антиферромагнетизма
/-единичный вектор вдоль направления вектора антиферромагнетизма А — константа неоднородного обменного взаимодействия К\, Кг-константы магнитной анизотропии
й\ -константа магнитоэлектрического взаимодействия Дзялошинского -Мория
02 - константа неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия 3- константа межслойного обменного взаимодействия Х~ магнитная восприимчивость Сц, С*і2> С44 - константы упругости В [у В2 - константы магнитоупругой связи (Уік - тензор упругих напряжений и1к- тензор деформаций
и, их, иу, и, - вектор деформаций, компоненты вектора деформаций
5
А - волновой вектор р - плотность вещества 2-волновое сопротивление среды
V,, V, - продольная, поперечная скорости распространения (магнитоупругих) волн
АФДГ - антиферромагнитная доменная граница
МУВ - магнигоуиругие волны
МУ - магнитоупругий
ИЖГ - иттрий - железистый гранат
КП - кристаллическое поле
ТКП - тригональное кристаллическое поле
НКП - нетривиальное кристаллическое поле
6
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время как теоретически, так и экспериментально активно исследуются тонкие пленки и многослойные структуры, в которых реализуются новые физические эффекты, важные как для фундаментальных исследований, так и для широкого круга практических приложений. Получение новых функциональных материалов связано с созданием в кристаллических средах статических и динамических неоднородностей, которые формируются в результате технологических процессов, а также при воздействии различных физических полей. Активные диэлектрики - тонкие пленки, многослойные структуры, материалы, в которых одновременно сосуществует несколько типов упорядочения, играют важную роль в
технологических приложений. Для объяснения данных эффектов и прогнозирования новых, необходимо правильное понимание механизмов магнитоэлектрических взаимодействий. В настоящее время однозначного подхода к этому вопросу не существует. Наряду с классическим магнитоэлектрическим механизмом, обусловленным непосредственно взаимодействием сегнетоэлектрического и магнитного параметров порядка [7], активно обсуждается механизм неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия [8]. Учет данного механизма является существенным при наличии магнитной неоднородности и, как показали исследования последних лет, приводит к новым физическим эффектам: появлению несобственной поляризации в мультиферроиках [9 - 11], возможности электрического управления магнитными доменными границами в пленках ферритов -гранатов [12 - 14], поверхностному флексомагиитоэлектрическому эффекту [15 - 19] и др.
Актуарными проблемами теории магиитоэлектричества являются
вопросы о повышении намагниченности мультиферроиков, явлении
магнитоэлектрического пиннинга. Эффект закрепления антиферромагнитных
доменных границ на сегнегоэлектрических доменных границах
(магнитоэлектрический пиннинг), наблюдаемый экспериментально в ряде
мультиферроиков [20 - 24], не имеет на сегодняшний день единого
теоретического обоснования. Экспериментатьные исследования показывают,
что повышение намагниченности мультиферроиков может быть достигнуто
различными методами (в результате структурных фазовых переходов [28, 29,
А1], под действием внешних магнитных полей [29 - 32], за счет наличия
сегнетоэлектрической доменной структуры [20, 24, 33]). Для объяснения
наблюдаемых фактов активно развиваются различные теоретические модели
[20, 34 - 39]. Несмотря на наличие обширного теоретического и
экспериментального материала, вопросы о происхождении намагниченности,
природе магнитоэлектрических эффектов в пленках мультиферроиков
остаются дискуссионными и открытыми. Условия, необходимые для
8
реализации определенного магнитоэлектрического механизма, явления магнитоэлектрического пиннинга, высоких значений намагниченности в пленках магнитоэлектрических материалов требуют дополнительного исследования.
Интересными, но неисследованными ранее объектами для реализации неоднородного магнитоэлектрического эффекта, являются двухслойные ферромагнитные пленки, представляющие собой композицию обменно -связанных магнитомягких и магнитожестких слоев. Магнитоэлектрический эффект в таких структурах реализуется на магнитной неоднородности, имеющей место в окрестности границы раздела.
Важную роль в формировании статических и динамических свойств
магнитоупорядоченных кристаллов играет магнитоупругое взаимодействие.
Связь магнитной и упругой подсистем наиболее ярко проявляется при
исследовании динамики поверхностных и объемных магнитоупругих волн,
распространяющихся в многослойных магнитных структурах. В результате
взаимодействия между упругой и спиновой подсистемами в магнетике
возникают связанные магнитоупругие колебания, обладающие рядом
особенностей [40 -51]. К ним относятся дополнительные щели в спектрах
магнитоупругих волн [39 - 45], процессы спиновой релаксации [46 - 48],
магнитоакустические резонансы [49 - 51], размерные резонансы,
обусловленные конечностью размеров образца [52 - 62] и др. Частоты
размерных резонансов, эффективность их возбуждения зависят от множества
факторов: эффектов спонтанного нарушения симметрии [60], взаимодействия
поверхностных и объемных магнитоупругих волн [53 - 55], взаимодействия
магнитостатических волн с акустическими модами [55, 58, 59], характера
закрепления спинов на свободных поверхностях и др. Экспериментальные
исследования показывают, что наличие немагнитной подложки приводит к
особенностям спектров, резонансов магнитоупругих колебаний в
ограниченных структурах [47, 59, 61]. Разработанные теоретические методы
расчета [45, 62 - 64] позволяют выявить характерные особенности спектров,
9
резонансов магнитоупругих волн, распространяющихся в двухслойных и многослойных структурах с чередующимися магнитными и немагнитными слоями. Таким образом, развитие теории магнитоупругих явлений в ограниченных многослойных структурах представляет научный и практический интерес.
Легирование кристаллов, с которым связано возникновение точечных неоднородностей, изменяет кристаллическую и магнитную структуру вещества, приводя к новым физическим эффектам - наличие анизотропных ионов оказывает воздействие на упругие, магнитные, электрические, транспортные и оптические свойства кристаллов. Локальное изменение симметрии лигандного окружения ионов, приводящее к расщеплению энергетических уровней основного состояния, приводит к изменениям спектров оптического поглощения [65 - 71]. Результаты экспериментальных исследований говорят о разнообразии спектров оптического поглощения [71 - 77]. Большинство обнаруженных фотоиндуцированных явлений в ИЖГ на оптическом поглощении [65- 67, 78], качественно объясняется
перераспределением зарядовых центров, находящихся вблизи или вдали от легирующих примесей (вакансий). Однако теоретическая модель для объяснения наблюдаемых особенностей оптического поглощения ранее не предлагалась.
В качестве модельных объектов исследования выбраны
магнитоуиорядоченные кристаллы с антиферромагнитным и
ферромагнитным упорядочением - мультиферроики феррита висмута и
ферриты - гранаты. Активный научный интерес к данным материалам
проявляется с 1960 - х годов, в феррите висмута и ферритах - гранатах
реализуется широкий спектр различных физических свойств.
Кристаллическая, магнитная структура, магнитные, оптические, упругие
свойства монокристаллов В1Ре03, У3Ре50|2 хорошо изучены. Исследования
последних лет показывают, что легирование, создание тонких пленок,
многослойных структур и композитов на основе В1Ре03 и ИЖГ приводит к
10
усилению целого ряда эффектов, а также обнаружению принципиально новых явлений в данных материалах. В диссертационной работе рассмотрен круг задач, связанный с особенностями магнитоэлектрических, магнитоупругих и оптических свойств данных соединений, предложено теоретическое объяснение ряда эффектов, наблюдавшихся экспериментально, спрогнозированы новые физические эффекты которые могут быть реализованы в перспективе. Наличие экспериментального материала позволило в ряде случаев апробировать теоретические модели и сопоставить проделанные теоретические расчеты с имеющимися экспериментальными данными.
Цель работы. Развитие теории магнитоэлектрического эффекта в тонких пленках мультиферроиков и обменно - связанных ферромагнитных структурах; построение теоретической модели размерных резонансов магнитоупругих и упругих волн в слоистых структурах вида магнетик -немагнитный диэлектрик, расчет спектров оптического поглощения при учете изменения локальной симметрии нетрехвалентных ионов железа в иттрий - железистых гранатах.
В связи с этим были поставлены и решены следующие основные задачи:
-выяснение роли механизмов магнитоэлектрических взаимодействий, существенных для реализации магнитоэлектрического эффекта в пленках мультферроиков и ферромагнетиков
-определение структуры основного состояния и структуры антиферромагнитных доменных границ в тонких пленках мультиферроиков -исследование зависимостей энергии антиферромагнитных доменных границ мультиферроиков от положения магнитной доменной границы относительно сегнетоэлектрической доменной границы
11
-исследование магнитоэлектрического эффекта и особенностей электрической поляризации, возникающей на магнитной неоднородности в области границы раздела в двухслойных обменно - связанных ферромагнитных пленках
-расчет частот и эффективности возбуждения размерных резонансов в многослойных структурах вида магнетик - немагнитный диэлектрик, исследование особенностей данных характеристик, обусловленных наличием границы раздела
-расчет спектров оптического поглощения нетрехвалентных ионов железа в октаэдрических положениях иттриевых гранатов при изменении параметров тригонального и нетривиального кристаллического поля.
Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые выполнены теоретические исследования:
-эффекта магнитоэлектрического пиннинга в тонких пленках мультиферроиков: на примере использования ряда теоретических моделей показана стабилизация магнитных доменных границ сегнетоэлектрическими доменными границами
-влияния неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия на структуру антиферромагнитных доменных границ в пленках мультиферроиков
-магнитоэлектрического эффекта, реализующегося на магнитной неоднородности в двухслойной ферромагнитной структуре -особенностей трансформационных свойств электрической поляризации в магнитном поле в двухслойных обменно - связанных ферромагнитных пленках
-размерных резонансов магнитоупругих и упругих волн в структурах вида магнетик - немагнитный диэлектрик - магнегик
-спектров оптического поглощения октаэдрических ионов Ре2г, Ре4г в
монокристаллических пленках иттрий железистых гранатов
12
-фотоиндуцированного эффекта на оптическом поглощении в монокристаллических пленках иттрий - железистого граната.
Практическая значимость результатов работы определяется тем, что полученные результаты представляют интерес для физики конденсированного состояния, теории магнетизма, теории магнитоэлектрических явлений, а также для использования их в устройствах твердотельной электроники, физической акустики, спинтроники, информационных системах, интегральной СВЧ - технике.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Пространственная модуляция вектора антиферромагнетизма в основном состоянии мультиферроиков вида феррита висмута при наличии сегнетоэлектрической доменной структуры за счет механизма неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия.
2. Результаты исследования антиферромагнитиой доменной структуры мультифферроиков. Выход спинов из плоскости разворота неелевских доменных границ в окрестности сегнетоэлектрических доменных границ.
3. Коэрцитивность антиферромагнитных доменных границ мультиферроиков. Энергетическое преимущество положения антиферромагнитиой доменной границы на сегнетоэлектрической доменной границе.
4. Особенности неоднородного магнитоэлектрического эффекта в двухслойных обменно - связанных ферромагнитных пленках с ферромагнитным и антиферромагнитным межслойным обменным взаимодействием.
5. Результаты расчета электрической поляризации в двухслойных обменно - связанных ферромагнитных пленках в магнитном поле при различных константах магнитной анизотропии слоев.
13
6. Немонотонные зависимости частот размерных резонансов в слоистых структурах вида магнетик - немагнитный диэлектрик при изменении соотношений толщин магнитных и немагнитных слоев.
7. Неэквидистантное расположение гармоник частот размерных резонансов в слоистых структурах вида магнетик - немагнитный диэлектрик, обнаруженное и экспериментально в эпитаксиальных двусторонних пленках иттрий - железистого граната.
8. Спектры оптического поглощения октаэдрических ионов Fe2+, Fe4^ ферритов - гранатов иттрия в ближних относительно легирующих примесей положениях (в тригональном и нетригональном кристаллическом поле) и в дальних положениях (в тригональном кристатлическом поле).
9. Знакопеременный характер изменения оптического поглощения в иттрий - железистых гранатах при изменении соотношения количества ионов Fe2* , Fe4* в ближних и дальних относительно примесей положениях, экспериментально наблюдаемый при фотоиндуцированном оптическом эффекте в феррите - гранате иттрия.
Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается использованием апробированных методов теории конденсированных сред, строгой обоснованностью принятых допущений, совпадением предельных переходов с известными ранее результатами, совпадением результатов теоретического исследования с экспериментальными данными.
Апробация результатов. Основные результаты, полученные в
диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных
школах: XIX международной школы-семинара “Новые магнитные материалы
микроэлектроники” (июнь 2002, Москва), XIX международной школы-
семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (июнь 2004,
Москва), “Физика электронных материалов” (май 2005, Калуга), Moscow
International Symposium on magnetism (June 2005, Moscow), 21 - th General
14
Conference on Condensed Matter (March 2006, Dresden (Germany)), 8,h International Workshop on Non-Crystalline Solids ( June 2006, Gijon (Spain)), XX международной школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники” ( июнь 2006, Москва), Moscow International Symposium on Magnetism (June 2008, Moscow), 11-th International Symposium on Physics of Materials (August 2008, Prague (Chekh Republic)), XXI Международной конференции “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (июнь 2009, Москва), 3-rd European School on Multiferroics (September 2009, Groningen (The Netherlands)), 10,h International Workshop on Non-Crystalline Solids (April 2010, Barcelona (Spain)), IV Euro-Asian Symposium “Trends in MAGnetism” Nanospintronics. EASTMAG 2010 (June 2010, Ekaterinburg), Moscow International Symposium on Magnetism, (August 2011, Москва), а также на научных семинарах стипендиатов программ немецкого общества академических обменов «Михаил Ломоносов II» 2007/2008 (апрель 2008, Москва), «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант II» 2009/2010 года, (апрель 2010, Москва).
Публикации. По материалам диссертации имеется 43 публикаций, список которых под номерами А1 - А43 приведен в конце диссертации.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Работа изложена на 243 страницах, включая 57 рисунков, 4 таблицы, список цитированной литературы содержит 228 наименований.
Содержание диссертации
Первая глава посвящена исследованию магнитоэлектрического
эффекта в пленках мультиферроиков. Основное внимание уделено анализу
влияния неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия на
15
структуру и свойства анти ферромагнитных доменных границ мультиферроиков. Рассматриваются особенности магнитных структур в пленках мультиферроиков типа феррита висмута, классифицируются основные магниоэлектрические механизмы, отвечающие за взаимодействие магнитного и электрического параметров порядка. На основе симметрийного анализа исследуются условия, необходимые для реализации линейного магнитоэлектрического эффекта в кристаллах Ви^ЯхРеОз (Я редкоземельный элемент). Изучается структура антиферромагнитных доменных границ мультиферроиков типа феррита висмута, выявляются характерные отличия микромагнитного распределения в пленках мультиферроиков от обычных антиферромагнетиков. Основные уравнения, определяющие распределение спиновой плотности, выводятся на основе минимизации функционала свободной энергии системы. Предлагается ряд теоретических моделей, объясняющих эффект магнитоэлектрического пиннинга - стабилизации антиферромагнитных доменных 1раниц мультиферроика сегнетоэлектрическими доменными границами. Изучается структура основного магнитного состояния, распределение спиновой плотности в антиферромагнитной доменной границе, периодическая антиферромагнитная доменная структура в пленках мультиферроиков при наличии полосовой сегнетоэлектрической доменной структуры. Исследуются особенности электрической поляризации, индуцированной неоднородным распределением спинов в пленках феррита висмута с несколькими видами сегнетоэлектрических доменных структур, анализируются основные механизмы возникновения намагниченности в пленках мультиферроиков.
Во второй главе изучается магнитоэлектрический эффект в
двухслойных ферромагнитных пленках с ферро - и антиферромагнитным
упорядочением спинов на границе раздела сред. Рассматриваются
двухслойные пленки, состоящие из двух ферромагнитных слоев,
помещенные в постоянное магнитное поле Н и электрическое поле Е. При
определенном сочетании физических параметров, а также в результате
16
воздействия магнитного ноля в окрестности границы раздела в двухслойных ферромагнитных пленках появляется магнитная неоднородность, которая индуцирует электрическую поляризацию.
Предлагается теоретическая модель для описания магнитоэлектрического эффекта в двухслойных обменно - связанных пленках с разным характером обменного взаимодействия на границе раздела слоев. Магнитные пленки различаются толщиной, величиной и знаком констант магнитной анизотропии слоев, знаком константы межслойного обменного взаимодействия Для случая У > 0 исследуются две геометрии задачи: магнитное иоле приложено перпендикулярно и параллельно поверхности пленки. Исследуются трансформационные свойства полевых зависимостей электрической поляризации при изменении соотношений констант магнитной анизотропии слоев, величины и направления приложенного магнитного поля, типа магнитного упорядочения (ферро - и антиферромагнитного) в окрестности границы раздела слоев. Обсуждаются характерные отличия электрической поляризации для случаев ферро- и антиферромагнитного межслойного взаимодействия. Исследуется влияние электрического поля на характер распределения намагниченности в обменно - связанной ферромагнитной пленке.
В третьей главе развивается теория размерных резонансов
магнитоупругих и упругих волн в двухслойных структурах вида магнетик -
немагнитный диэлектрик. Проводится исследование частот размерных
резонансов упругих и магнитоупругих сдвиговых волн в планарных
структурах следующей геометрии: в основном состоянии намагниченность,
намагничивающее поле Я, волновой вектор к и переменное поле И
взаимноперпендикулярны. Магнитоупуругие колебания возбуждаются
переменным магнитным полем в магнитном слое и за счет наличия
акустического контакта распространяются вглубь подложки, вызывая
упругие колебания немагнитного слоя. При совпадении частоты переменного
поля с собственной частотой колебаний системы, которая зависит от
17
поперечных размеров слоев, в рассматриваемой структуре реализуются размерные резонансы в перпендикулярном направлении или толщинные моды. Исследуются магнитоупругие и упругие волны, распространяющиеся в ограниченных по толщине (001), (111) - ориентированных планарных структурах, проводится расчет частот размерных резонансов связанных магнитоупругих и упругих волн. Исследуются зависимости частот размерных резонансов от толщины магнитного слоя, упругих параметров сред, граничных условий на поверхности образца, величины приложенного постоянного магнитного поля. Анализируются основные отличия размерных резонансов слоистых структур от резонансов однослойной магнитной пластины. Обсуждаются зависимости основных гармоник частот размерных резонансов/ (/ - порядковый номер гармоники) от относительной толщины магнитного слоя с1, упругих модулей, плотностей, магнитоупругих параметров магнитных и немагнитных слоев. Обсуждается влияние магнитных параметров на частотные зависимости/(с1).
В четвертой главе исследуются особенности размерных резонансов
магнитоупругих и упругих волн в слоистых структурах при
перпендикулярном и продольном намагничивании, проводится сравнение
результатов расчета толщинных сдвиговых мод для трехслойных и
двухслойных структур. В рамках предложенной модели объясняется
экспериментально наблюдаемое неэквидистантное расположение гармоник
резонансных частот толщинных сдвиговых мод. Исследуется эффективность
возбуждения частот размерных резонансов магнитоупругих волн в
двухслойной структуре вида магнетик - немагнитный диэлектрик.
Обсуждаются особенности резонансной магнитной восприимчивости,
обусловленные присутствием немагнитной компоненты в системе.
Проводится исследование магнитоупругих волн (МУВ) и толщинных
сдвиговых мод в ограниченной продольно намагниченной пластине
изотропного ферромагнетика. Связанные колебания намагниченности и
сдвиговые упругие колебания, возбуждаемые переменным магнитным полем,
18
распространяются одновременно в двух направлениях: вдоль нормали к поверхности пластины и вдоль направления насыщающего магнитного поля. Рассчитываются гармоники частот размерных резонансов соп (п - порядковый номер гармоники) магнитоупругих волн и исследуются их дисперсионные характеристики соп(к2) при учете взаимодействия двух магнитоупругих волн, одна из которых распространяется вдоль нормали к поверхности, а другая вдоль поверхности пластины. Анализируются зависимости соп(кг) при изменении модулей упругости, плотности вещества и толщины пластины. Обсуждаются причины многомодовости магнитоупругих и упругих колебаний в реальных образцах.
В пятой главе проводится исследование особенностей оптического поглощения октаэдрических ионов Ре2 и Ре4' , расположенных в ближних и в дальних относительно легирующих примесей положениях. Рассчитываются характеристики расщепления основного состояния и вероятности переходов между расщепленными уровнями ионов Ре2' и Ре4' с учетом только тригональных (дальние положения), нетригональных и тригональных (ближние положения) компонент кристаллического поля (КП). Приводятся спектральные зависимости коэффицента оптического поглощения.
В номинально чистых и легированных монокристаллах иттрий -
железистых гранатов (ИЖГ) наблюдаются изменения оптического
поглощения под воздействием света. В кристаллах, кристаллическая
структура которых допускает различные замещения и легирования, наличие
вакансий, возникает большое количество неэквивалентных мест,
различающиеся по величине и знаку компонент кристаллического поля.
Большинство обнаруженных фотоиндуцированных явлений в ИЖГ на
оптическом поглощении объясняется вкладами нетрехвалентных ионов Бе2'
и Бе4", находящихся вблизи или вдали от легирующих примесей (вакансий).
На основе расщепления основного состояния октаэдрических ионов железа
5Б в кристаллическом поле (КП) проводится исследование нетрехвалентных
ионов железа в ИЖГ в кристаллическом поле кубической симметрии, с
19
учетом тригональных и нетригональных компонент. Анализируются особенности оптического поглощения ионов Ре2" и Ре4" при различных тригональных и нетригональных полях за счет переходов между уровнями расщепленного основного состояния. Рассчитываются характеристики расщепления основного состояния и вероятности оптических переходов между расщепленными уровнями ионов Ре2+ и Ре4+ в октаэдрических положениях с учетом тригональных и нетригональных компонент кристаллического поля. На основе анализа теоретических зависимостей вероятностей электронных переходов ионов Ре24 и Ре4’ объясняются экспериментально - наблюдаемые изменения оптического поглощения в монокристаллах ИЖГ, в том числе знакопеременный характер фотоиндуцированного изменения оптического поглощения.
В заключении приведены основные результаты работы и следующие из них выводы.
20
ГЛАВА 1
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В МУЛЬТИФФЕРОИКАХ. ЯВЛЕНИЕ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИННИНГА Введение
В последние годы наблюдается активный интерес к исследованию материалов с несколькими видами ориентационного упорядочения: магнитного, сегнетоэлектрического, сегнетоэластического, которые по современной терминологии называются мультиферроиками. В данных материалах реализуется широкий спектр разнообразных физических явлений, связанных с сосуществованием разных по физической природе областей. Материалы с магнитоэлектрическими свойствами являются перспективными для технологических приложений в спинтронике, сенсорной технике, устройствах хранения и записи информации. Магнитоэлектрические эффекты - управление магнитными свойствами вещества при помощи электрического поля, электрическими свойствами при помощи магнитного ноля в настоящее время рассматриваются в качестве альтернативы существующим методам магнитной микроэлектроники, что в первую очередь связано с их малым энергопотреблением.
Впрервые на возможность сочетания магнитных и электрических свойств в одном материале обратил внимание П. Кюри [79], теоретические предпосылки такого рода исследований появились в 1950 - е годы в работах Ландау [80] и Дзялошинского [81]. Экспериментально магнитоэлектрический эффект был обнаружен Астровым [82] в Сг20з. В группе Г. Смоленского были синтезированы первые сегнетомагнетики Pb(Fe2/зW|/з)Oз, В1РеОз [7]. В 1960-е годы было получено порядка 50 сегнетомагнитных соединений и несколько десятков твердых растворов, сочетающих сегнето - и
21
антисегнетоэлектрические свойства с ферро - , ферри - и
антиферромагнитным упорядочением [7, 82]. Практически все
сегнетомагнетики - искусственно синтезированные соединения, лишь три природных кристалла: конголит РезВ70|зС1, губнерит - Мп\У04 и чамберсит МП3В7О13С1 имеют собственные магнитоэлектрические свойства.
Создание нового класса веществ в конце XX века открывало широкие перспективы для фундаментальных научных исследований и технологических разработок. Однако данные материалы обнаруживали недостатки, главными из которых являлись недостаточная химическая устойчивость сегнетомагнитных соединений и малый магнитоэлектрический эффект.
Развитие технологий XXI века позволило существенно расширить класс магнитоэлектрических материалов путем создания новых структур и веществ, а также улучшить магнитоэлектрические характеристики известных сегнетомагнетиков. Количество магнетоэлектриков стало так велико, что назрела необходимость их классификации. В соответствии с систематикой рис. 1.1 можно выделить две основные группы веществ - это вещества с собственными магнитоэлектрическими свойствами [82 - 88] и соединения, которые получаются на основе синтеза веществ с магнитным и электрическим порядком [89 - 96]. Рассмотрим первый класс соединений, кристаллическая структура которых, допускает сосуществование магнитных и сегнетоэлектрических свойств в одной фазе, такие соединения по современной терминологии называют мультиферроиками (В1РеОз, манганигы УМпОз, МэМпОз, НоМпОз, ...,№3У208 и др.).
22
- Київ+380960830922