Фотоиндуцированные явления в иттриевых ферритах-гранатах и ферромагнитных шпинелях CdCr2 Se4 : Ga

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА НА ДОМЕННУЮ СТРУКТУРУ И
КОЛЕБАНИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ
ШПИНЕЛЯХ СаСг28е4:Са И ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ ИТТРИЯ................22
1.1. Фотоиндуцированная стабилизация доменных границ (ДГ) в ферромагнитном полупроводнике С(1Сг28е4....................22
1.1.1. Влияние освещения на колебания доменных границ и локальных петель гистерезиса..............................23
1.1.2. Исследование ДГ с визуально наблюдаемым эффектом стабилизации границ при воздействии света.................29
1.2. Фотоиндуцированные доменные структуры (ДС) в иттрий-железистых гранатах (ИЖГ)...........................36
1.2.1. Фотоиндуцированные ДС в монокристаллических пластинах.................................................37
1.2.2. Трансляционное движение доменны границ.............44
1.2.3. Фотоиндуцированные ДС в эпитаксиальных пленках.....50
1.2.4. Светоиндуцированная дестабилизация ДС в монокристаллических пленках и пластинах...................56
1.3. Влияние неоднородности магнитной анизотропии на структуру и стабилизацию доменных границ...............................58
1.3.1. Структура 180° доменной границы в области неоднородной магнитной анизотропии.....................................59
1.3.2. Закрепление доменных границ на неоднородностях магнитной анизотропии.....................................64
1.3.3. Влияние наведенной магнитной анизотропии на структуру
3
и стабилизацию 180° блоховских доменных границ в
кубическом ферромагнетике...........................67
Выводы........................................................70
ГЛАВА 2. МАГНИТНАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ В Сс1Сг28е4 И У3Ее5012
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СВЕТА.........................................73
2.1. Динамическая проницаемость и петли гистерезиса халькогенидных хромовых шпинелей при воздействии света....................74
2.1.1. Дезаккомодация восприимчивости....................89
2.1.2. Дестабилизация доменной структуры в электрическом поле 94
2.1.3. Фотоиндуцированное изменение комплексной магнитной восприимчивости..........................................98
2.1.4. Фотоиндуцированный эффект при импульсном синусоидальном перемагничивании.........................106
2.1.5. Высшие гармоники проницаемости...................109
2.2. Динамическая магнитная проницаемость и петли гистерезиса в ИЖГ.123
2.2.1. Реверсивность фотоиндуцированных изменений проницаемости и магнитного гистерезиса..................123
2.2.2.Анизотропия фотоиндуцированного изменения проницаемости...........................................133
2.2.3. Перемагничивание во вращающемся магнитном поле...137
2.2.4. Высокотемпературный фотоиндуцированный эффект....140
Выводы.......................................................146
ГЛАВА 3. ФОТОИНДУЦИРОВАННАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ
ИТТРИЙ-ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГРАНАТОВ...................................148
3.1. Фотоиндуцированная магнитная анизотропия в монокристаллических
4
пленках ИЖГ................................................148
3.2.Фотоиндуцированная магнитная анизотропия в монокристаллах ИЖГ.154 Выводы 163
ГЛАВА 4. ФОТОИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТОСТРИКЦИИ В ИТТРИЙ ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГРАНАТАХ...................165
4.1. Фотоиндуцированные магнитострикционные деформации.........166
4.2. Магнитострикция и упругие напряжения......................175
Выводы........................................................179
ГЛАВА 5. ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА НА МАГНИТОУПРУГИЕ РЕЗОНАНСЫ В КРУГЛЫХ ПЛАСТИНАХ ИЖГ........................................180
5.1. Магнитоупругие колебания в круглых пластинах ИЖГ..........180
5.2. Фотоиндуцированное изменение динамического магнитоупругого взаимодействия в иттриевом феррите-гранате................190
Выводы........................................................197
ГЛАВА 6. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС 5?Fe В ИТТРИЙ ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГРАНАТАХ............................................198
6.1. Фотоиндуцированные ЯМР спектры 57Fe в ИЖГ(Ва).............198
6.2. ЯМР доменных границ кубического феррита-граната с осями легкого намагничивания <111>......................................204
6.3. Влияние процессов стабилизации на сигналы ЯМР доменных границ в кубических кристаллах ферритов - гранатов.................215
Выводы........................................................228
ГЛАВА 7. ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ОПТИЧЕСКОМ ПОГЛОЩЕНИИ ИТТРИЙ-ЖЕЛЕЗИСТЫХ ГРАНАТОВ..........230
5
7.1. Фотоиндуцированные изменения оптического поглощения в диапазоне 1-1,5 |Хш в монокристаллах иттрий-железистого граната.. ..231
7.2. Изменения оптического поглощения на 1,1 jim при воздействии монохроматического света видимого и ближнего ИК диапазонов в монокристаллах ИЖГ(Ва) и M)Kr(Si).........................236
7.3. Светоиндуцированное дополнительное оптическое поглощение
на длине волны 1,1 jum в пластинах монокристаллов ИЖГ(Ва) 244
7.4. Фотоиндуцированные изменения коэффициента оптического поглощения в PDKT(Si) и ИЖГ(Ва) в диапазоне 0,7-1,9 fim при воздействии света различного спектрального состава........250
Выводы.........................................................255
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................258
ЛИТЕРАТУРА.....................................................282
6
ВВЕДЕНИЕ
Впервые на возможность изменения при воздействии света магнитных свойств было обращено внимание в теоретических работах Бердышева и др [1-3], в которых было изучено изменение эффективных обменных взаимодействий магнитного полупроводника при увеличении концентрации носителей. В их работах была показана возможность повышения температуры Кюри и перевода антиферромагнетика в ферромагнетик за счет усиления при освещении ферромагнитных обменных взаимодействий и предложено название для этого явления “ фотоферромагнитный эффект”. В более поздних теоретических работах Нагаева было выдвинуто предположение о возможности проявления фогоферромагнитного эффекта в отдельных микрообластях кристалла названных “ферронами” [4,5]. Из-за неоднородного распределения фотоэлектронов в кристалле ферронная гипотеза позволяет ожидать фотоферромагнитный эффект при зничительно более низких концентрациях фотоэлектронов, явно недостаточных для проявления заметного эффекта во всем кристалле. Название фотоферромагнитный эффект (ФФЭ) используется в отечественной литературе по фотоиндуцированным магнитным явлениям в ферромагнитном полупроводнике СсЮг2Бе4 [6], хотя определяющим механизмом, вызывающем эти явления, не является косвенный обмен через электроны проводимости.
Экспериментальное открытие явления изменения магнитных свойств в иттрий-железистых гранатах (ИЖГ) [7] и халькогенидных хромовых шпинелях [8,6] при освещении вызвало интерес к более детальному изучению влияния света на физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов. Были изучены новые материалы с фоточувствительными свойствами (ЕиБ, ЕиСЮ2, МлЕ2), обнаружено, что наряду с изменением
7
магнитных свойств УзБвбОгс, С<5Сг28е4, РеВОз и др. происходит изменение магнитооптических параметров, оптическою поглощения [9-12]. Экспериментальные и теоретические исследования воздействия света на магнитные среды положили начало новому направлению физики магнитных явлений - фотомагнетизму магниоупорядоченных кристаллов, интенсивно развивающемуся в настоящее время. При исследовании прямого воздействия света на магнитоупорядоченные кристаллы, диэлектрики и магнитные полупроводники, исследователей привлекают уникальные возможности света: его направленность, монохроматичность, когерентность, локальность воздействия, импульсный характер и др. Воздействие света позволяет изучать неравновесные и возбужденные состояния.
Фотоиндуцированные магнитные явления наблюдаются в магнитоунорядоченных диэлектриках и полупроводниках, кристаллическая структура которых допускает различные замещения и легирования.. Яркое проявление фотомагнитных эффектов наблюдается в магнитомягких диэлектриках и полупроводниках, при небольшом количестве сильноанизотропных центров, стабилизирующих доменные границы. Наличие несколько осей легкого намагничивания сглаживает магнитную анизотропию и предоставляет более широкие возможности для фотонаведения анизотропии. Поэтому кубические магнетики с небольшой анизотропией - халькогенидные хромовые шпинели Сс1Сг28е4 и иттрий-железистые гранаты У3Ре5012 с момента открытия фотомагнетизма и по настоящее время являются наиболее исследуемыми образцами.
Начиная с семидесятых годов исследование магнитных полупроводников [13,14,5], веществ сочетающих полупроводниковые свойства с магнитоупорядоченным состоянием, привлекает по настоящее время большое внимание [10,11]. Это обусловлено проявлением в этих материалах сильного взаимодействия электрической и магнитной подсистем,
8
приводящего к уникальности магнитных, электрических и оптических свойств. Наличие сильной взаимообусловленности физических свойств в магнитных полупроводниках открывает принципиально новые перспективы для создания технических устройств. Среди магнитных полупроводников выделяются хромовые халькогенидные шпинели АСг2Х4 (А - ионы Сс1, 2п, X- 8, Бе. Те) весьма разнообразные по типу магнитного упорядочения, по электрическим свойствам (от металла до диэлектрика) и оптическим свойствам (для Сс1Сг28е4 полоса прозрачности 3-20 рт, коэффициент поглощения 3 сш’1) , обладающие огромными магнитооптическими эффектами (эффект Фарадея 104 ёе^сш) [5,13,14]. Интерес к ферромагнитным халькогенидным шпинелям типа С<ЗСг28е4 с достаточно высокой температурой Кюри (130 К), обладающих аномально большими кинетическими эффектами, эффектом переключения из низкоомного в высокоомное состояния при приложении магнитного поля, таким оригинальным явлением, как “красное смещение” ширины запрещенной зоны с понижением температуры и с приложением магнитного поля, еще более возрос в связи с обнаружением влияния света на динамическую магнитную проницаемость [6,8]. Из магнитных полупроводников фотоиндуцированные магнитные явления наиболее исследованы в ферромагнетике СёСг28е4, легированном галлием. Наблюдалось фотоиндуцированное уменьшение динамической магнитной проницаемости как на низких [8,15], так и на высоких частотах [6]. Обнаружено что распад эффекта после выключения освещения может быть как медленным [8], так и быстрым [6]. При освещении происходит изменение обеих составляющих комплексной высокочастотной проницаемости [16]. Исследованы спектральные характеристики фотоферромагнитного эффекта и обнаружено, что ФФЭ наблюдается во всех халькогенидных хромовых шпинелях, обладающих “красным сдвигом” края поглощения при понижении
9
температуры [17]. Показано, что за фотоферромагнитный эффект и фотопроводимость ответственен один и тот же энергетический переход с энергией ~1,2 еУ. Отмечено, что на основе ФФЭ может осуществляться запись оптической информации. Обнаружено, что под воздействием света с энергией 0,5-1,0 сУ возможно гашение фотоферромагнитного эффекта [18]. За фотоиидуцированный магнитный эффект в Сс1Сг28е4, легированном галлием, считаются ответственными ионы Сг2", которые при освещении перераспределяются от менее анизотропных положений (вблизи ионов ва3+) - центров I - типа к более анизотропным положениям (вдали от ионов ва3") -центрам II - типа [8]. За счет возрастания при этом анизотропии объясняется уменьшение динамической проницаемости. В несколько отличной модели полагается, что легирующая примесь в С(1Сг28е4 является скомпенсированной, и поэтому при освещении ионы Сг2^ образуются за счет захвата ионами Сг3+ фотоэлектронов [6]. При этом происходит уменьшение подвижности доменных границ, что и объясняет фотоферромагнитный эффект Сс1Сг28е4: Оа [17].
В современной магнитной микроэлектронике широкое применение находят кристаллы и пленки ферритов-гранатов [19-22]. Это обусловлено сочетанием ряда уникальных свойств, присущих ферритам-гранатам: высокой оптической прозрачностью (для ИЖГ в полосе прозрачности 1,1-5,5 рш коэффициент поглощения 0,03-0,1 сгп'1}, большими
магнитооптическими эффектами (для ИЖГ эффект Фарадея 62 бе^сш), рекордно-узкой шириной линии ферромагнитного резонанса, разнообразием доменных структур, параметрами которых можно управлять в широких диапазонах температур и внешних магнитных полей. Названные свойства позволяют эффективно использовать ферриты-гранаты в устройствах микроэлектроники, таких как управляемые транспаранты,
10
магнитооптические модуляторы, запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах и т.д.
Одним из наиболее изученных ферритов-гранатов является иттрий-железистый гранат (ИЖГ). Наряду с выше указанными свойствами он обладает способностью при низких температурах изменять свои магнитные, электрические, магнитооптические и оптические характеристики в результате освещения [9-12]. Причем только в ИЖГ при определенном легировании фотоиндуцированные явления вызываются воздействием поляризованного и неполяризованного света. Кроме того,
фотоиндуцированные эффекты в ИЖГ проявляются до более высоких температур, чем в других известных фотомагнитных материалах. В легированных кремнием УзРе5012 наряду с фотоиндуцированным уменьшением магнитной проницаемости визуально наблюдалось блокирование колебаний доменных границ под воздействием освещения. Фотоиндуцированный эффект уменьшения проницаемости и изменения параметров петли магнитного гистерезиса наблюдался не только на монокристаллах, но и на поликристаллических образцах. При освещении наблюдались характерные признаки перминвар-эффекта: независимость магнитной проницаемости от амплитуды переменного поля Я и безгистерезисное движение доменных границ при малых напряженностях магнитного поля. Фотоиндуцированные магнитные явления в железоиттриевом гранате наблюдаются и в отсутствии доменной структуры, то есть в магнитонасыщенном состоянии. Это эффект изменения поля анизотропии ФМР в направлениях типа (111) при освещении (названный фотомагнитным отжигом), который был первым из обнаруженных фотомагнитных явлений. При освещении наблюдалось изменение магнитной кристаллографической анизотропии, возникновение линейного дихроизма. При этом восстановление первоначального состояния образца возможно
11
повторным его освещением с соответствующим направлением поляризации света, то есть эти эффекты являются обратимыми. Для объяснения необратимых фотоиндуцированных эффектов изменения проницаемости, коэрцитивной силы и др. в железоиттриевом гранате, легированном небольшим количеством кремния, была предложена двухцентровая модель, использованная и для объяснения ФФЭ в Сс1Сг28е4. Обратимые фотоиндуцироваиные магнитные эффекты объясняются валентным обменом при поглощении фотона между ионами железа, находящимися в неэквивалентных (относительно направления намагниченности) октаэдрических узлах. Таким образом, в легированном кремнием железоиттриевом гранате предполагается возникновение при освещении наведенной анизотропии, которая обуславливает стабилизацию намагниченности (доменной структуры), имеющейся в образце.
Фотоиндуцироваиные магнитные эффекты исследовались в ферритах-гранатах при различных замещениях [23-27], в ортоферритах [28,29], в слабых ферромагнетиках [30,31], в антиферромагнетиках [32-34]. Интерес к фотоиндуцированным магнитным [35], оптическим [36,37] и магнитооптическим явлениям [38] в ферритах гранатах и шпинелях, к влиянию оптического излучения на магнитные свойства легкоилоскостных слабых ферромагнетиков [39] сохраняется по настоящее время. Некоторые фотоиндуцироваиные эффекты отражены в современных монографиях [40,41].
Несмотря на большое внимание исследователей к проблеме фотомагнетизма, проведенных исследований всё же явно недостаточно для понимания механизмов фотоиндуцированных эффектов. Необходимо отметить, что полученные различными авторами результаты по фотоиндуцированным эффектам в СбСг28е4 и У3Ре5012 трудно сравнивать из-за различия условий роста кристаллов, неконтролируемых примесей в
12
образцах, сильно меняющих картину фотомагнитных явлений. Действительно конкретный процесс возникновения фотоиндуцированных анизотропных центров и механизм влияния этих центров на магнитные свойства в СёСг28е4, остаются невыясненными. В связи с этим нельзя также не отметить, что исследования фотоферромагнитного эффекта в Сс1Сг25е4, легированном галлием, как экспериментальные, так и теоретические, упомянутые выше, не являются достаточно всесторонними. Фотоиндуцироваиные магнитные явления в магнитном полупроводнике Сс1Сг28е4, легированном гатлием, заметно проявляются только при наличии в образцах доменной структуры и практически не наблюдаются в магнитонасыщенном состоянии. Таким образом, исследованные фотоиндуцироваиные магнитные эффекты в Сс1Сг28е4:Оа обусловлены изменением при освещении именно свойств доменной структуры. Однако, до начала выполнения данной работы не были проведены прямые опыты по обнаружению влияния освещения на доменную структуру, динамику и статику доменных границ. Более того, доменная структура в Сс1Сг28е4 вообще не наблюдалась ни одним из существующих методов. Недостаточно исследовались и фотоиндуцироваиные свойства доменной структуры, проявляемые на динамической магнитной восприимчивости при различных интенсивностях света, частотах и амплитудах переменного магнитного поля. Достаточно сказать, что исследования проводились в основном только начальной динамической проницаемости и только ее вещественной составляющей. Оставалась не ясной зависимость фотоферромагнитного эффекта от частоты переменного магнитного поля, особенно на низких частотах. Не исследовалась низкочастотная фотоиндуцированная комплексная проницаемость.
В иттрий-железистых гранатах не исследовано воздействие света на магнитоупругое взаимодействие, магнитострикцию, ЯМР, недостаточно
13
исследовано фотоиндуцированное изменение оптического поглощения (только одно сообщение первого наблюдения эффекта), магнитной анизотропии, магнитной проницаемости и доменной структуры и др. Так в монокристаллах ИЖГ, легированных кремнием, на доменной структуре исследовались эффекты, связанные с поляризованным светом, в то же время о возможности перестроения доменной структуры фотомагнитным отжигом не сообщалось. Исследования воздействия света на доменную структуру монокристаллических образцов осуществлены только в пластинах (110) ИЖГ:81, а в пластинах с другими плоскостями исследований ДС при фотомагнитном отжиге и воздействии поляризованного света не проводилось. Экспериментально не исследовано локальное воздействие света на состояние доменной структуры и доменных границ ИЖГ. Не было исследовано воздействие света на динамические свойства доменной структуры. Не исследовано воздействие как поляризованного, так и неполяризованного света на доменные структуры, статику и динамику ДГ, эпитаксиальных пленок ИЖГ.
Из сказанного выше следует актуальность проведения комплексных исследований фотоиндуцированных явлений, используя легированные монокристаллы ферритов-гранатов иттрия и халькогенидных хромовых шпинелей СаСг28е4, выращенные в определенных условиях. Актуальность работы обусловлена большой научной значимостью исследования воздействия света на магнитоупорядоченные среды, необходимостью выяснения общих закономерностей возникновения и конкретных проявлений светочувствительных центров в различных магнитных материалах.
Целью данной работы являлось обнаружение и изучение новых фотоиндуцированных явлений, выяснение механизмов фотомагнитных явлений в кубических магнетиках и развитие метода изучения магнитных
14
сред при воздействии света на основе проведения комплексных исследований фотоиндуцированных явлений в ферромагнитных полупроводниках со структурой шпинели - селено-хромитах кадмия (С<1Сг28е4) и в ферримагнитных диэлектриках - иттрий-железистых гранатах (УзРе50,2), при различном легировании.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
- исследовать воздействие света на колебания отдельных ДГ и на динамическую проницаемости в селено-хромитах кадмия Сс1Сг28е4, изучить особенности структуры ДГ и стабилизации ДГ на неоднородностях магнитной анизотропии;
- исследовать фотоиндуцированные изменения ДС в монокристаллах и эпитаксиальных пленках ИЖГ, изучить спин-переориентационные фазовые переходы в кубических кристаллах с комбинированной наведенной анизотропией;
- в монокристаллах ИЖГ в широком интервале температур и полей исследовать процессы перемагничивания и изменения динамической проницаемости при воздействии света;
-исследовать фотоиндуцированные изменения магнитной анизотропии в монокристаллах и пленках ИЖГ, первоначальное изменение кубической анизотропии и возможности наведения анизотропии поляризованным и неиоляризованным светом;
- исследовать фотоиндуцированные изменения магнитострикционных деформаций в монокристаллах ИЖГ, изменение кубических параметров и возможности наведения одноосной магнитострикции поляризованным и неиоляризованным светом;
- исследовать влияние освещения на эффективность возбуждения и резонансные частоты мод магнитоупругих колебаний, возбуждаемых
15
переменным магнитным полем в круглых пластинах иттриевого феррита-граната;
- исследовать фотоиндуцированные изменения ЯМР поглощения 57Ре в монокристаллах ИЖГ, изучить спектры ЯМР ДГ в кубическом кристалле со структурой граната, влияние стабилизации намагниченности;
- исследовать фотоиндуцированные изменения оптического поглощения от интенсивности, последовательности и времени воздействия света различного спектрального состава в монокристаллах ИЖГ, с различным легированием.
Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые выполнено комплексное исследование воздействия света на магнитные, магнитоупругие, резонансные и оптические свойства ферритов-гранатов иттрия, изучены фотоиндуцированные свойства доменной структуры в ферромагнитных халькогенидных шпинелях СбСг28е4. Использование новых экспериментальных методов, широких диапазонов частот и температур, осуществление воздействия света различного спектрального состава, интенсивности и последовательности освещения позволило обнаружить новые фотоиндуцированные эффекты и новые особенности в уже исследованных фотомагнитных и оптических явлениях, достичь комнатных температур наблюдения фотоиндуцированного изменения магнитной проницаемости.
Научная и практическая ценность. Полученные результаты существенно расширяют представления о закономерностях и механизмах фотоиндуцированных явлений в магнитоупорядоченных средах и могут быть использованы при поиске новых фотомагнитных эффектов и материалов, обладающих фогоиндуцированными эффектами. Достигнутое понимание фотомагнитных явлений и механизмов воздействия света предоставляет исследователям новые возможности при изучении магнитных материалов,
16
используя воздействие света для изменения локальных параметров. Некоторые из результатов работы могут быть включены в монографии и учебные пособия по физике магнитных явлений, физике доменных границ, ЯМР магнитоупорядоченных материалов и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Стабилизация ДГ за счет наведенной анизотропии и зависящие от освещения эффекты магнитного последействия в селенохромите кадмия Сс1Сг28е4.
2. Возможность управления состоянием доменной структуры в монокристаллах и пленках ИЖГ, как в статике так и в динамике неполяризованным и поляризованным светом.
3. Обнаружение фотоиндуцированного изменения проницаемости при температурах выше 300 К. Фотоиндуцированные реверсивные изменения проницаемости и петель гистерезиса ИЖГ при 77 К.
4. Особенности фотоиндуцированной магнитной анизотропии в монокристаллах и пленках, доминирование при наведении поляризации света или намагниченности, возникновение наведенной анизотропии параллельно и перпендикулярно поляризации воздействующего света.
5. Фотоиндуцированные изменения магнитострикции, обусловленные как изменением констант магнитострикции, так и первоначальных состояний с ДС, влияние упругих напряжений.
6. Влияние освещения на эффективность возбуждения и резонансную частоту контурных упругих колебаний.
7. Влияние освещения на ЯМР поглощение ядер 57Ге в доменных границах и доменах.
8. Фотоиндуцированные изменения оптического поглощения, зависящие от спектрального состава, интенсивности, и последовательности воздействия света определенного спектрального состава.
17
Для выполнения поставленных задач были разработаны экспериментальные установки, приспособленные для изучения магнитных свойств при воздействии света. Магнитометр с вращающимся образцом, исключающий релаксацию наведенной анизотропии, позволяющий измерять как константы кубической анизотропии, так и одноосных компонент анизотропии. Магнитооптическая установка позволяла производить дополнительную подсветку неполяризованным светом при изучении фотомагнитного отжига на доменной структуре и при изучении воздействия света на скорость трансляционного движения доменных границ. При изучении воздействия поляризованного света на доменные структуры было предусмотрено вращение поляризатора и анализатора. Установка по изучению процессов перемагничивания, позволяющая изучать как однократные так и непрерывные процессы перемагничивания при температуре выше 77К. Установка непрерывного ЯМР, позволяющие исследовать спектры ЯМР и магнитоупругих резонансов в диапазоне частот до 100 MHz.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списков публикаций по теме диссертации и цитированной литературы.
Первая глава посвящена изложению результатов магнитооптических исследований фотоиндуцированных изменений доменной структуры. Представлены фотографии доменной структуры и фрагменты доменов с визуально наблюдаемым эффектом воздействия света. Описаны результаты фотоэлектрических исследований изменений амплитуды колебаний доменных границ и локальных петель гистерезиса при освещении, в частности и доменных границ с визуально наблюдаемым эффектом освещения. Рассмотрено влияние неоднородностей магнитной
18
анизотропии различного типа на структуру и закрепление 180° блоховской ДГ в кубических кристаллах с К1 <0.
Широко изучено воздействие света на доменные структуры в монокристаллических пластинах и пленках ИЖГ. Изучалась статика и динамика фотоиндуцированных доменных структур. Наведенная анизотропия создавалась при воздействии поляризованного и неполяризованного света. Исследованы направления осей наилегчайшего намагничивания в зависимости от соотношения констант анизотропии в пластинах (100), (ПО), (111). Описано явление трансляционного движения ДС при совместном воздействии поляризованного и неполяризованного света. Теоретически изучена структура ДГ при наличии неоднородности магнитной анизотропии. Рассмотрено возникновение фотоиндуцированной зигзагообразное™ и изменения направления ДС в эпитаксиальных пленках. Продемонстрированы доменные неоднородности на ДГ. Исследовано проявление действия света на ДС и на высокочастотном поглощении при комнатной температуре на пластинах и пленках иттрий-железистого граната. Во второй главе представлены результаты исследований динамической магнитной восприимчивости на монокристаллических рамках СсЮ^е^ва при изменении прикладываемого к образцу одностороннего давления, иодмагничивающего постоянного поля, электрического поля, в отсутствии света и при различной интенсивности освещения. Описаны зависимости комплексной магнитной восприимчивости при изменении амплитуды и частоты переменного магнитного поля в отсутствии освещения и при его воздействии. Использовались методы высших гармоник проницаемости и импульсной синусоидальной регистрации петель гистерезиса и проницаемости.Пред ставлены результаты исследований динамической магнитной проницаемости и петли гистерезиса монокристаллов ИЖГ в широкой
19
области амплитуд переменного ноля после воздействия света и одновременного перемагничивания, проведенных с целью достижения реверсивности фотоиндуцированных изменений. Определенное внимание было уделено использованию метода высших гармоник, магнитным шумам, фотоиндуцированным изменениям магнитной проницаемости в широком интервате температур и др.
В третьей главе описаны фотоиндуцированные изменения магнитной анизотропии в эпитаксиальных пленках и монокристаллах иттрий-
железистых гранатов, выращенных из различных растворителей. Изучалась магнитная анизотропия после первоначального освещения. Исследовалась возможность наведения анизотропии как при воздействии неполяризованного света при одновременном намагничивании
фотомагнитном отжиге, так и при намагничивании в отсутствии освещения -(термо)магнитном отжиге при температуре измерения. Наведение
анизотропии при воздействии поляризованного света проводилось в образцах однородно намагниченных параллельно и перпендикулярно вектору поляризации света.
В четвертой главе представлены результаты исследований фотоиндуцированных изменений магнитострикции в монокристаллах ИЖГ. Описаны зависимости магнитострикционных деформаций в тригональном и тетрагональном направлениях от величины и направления магнитного поля в плоскости (110) монокристаллов У3Ре5012, выращенных из различных растворителей. При температуре жидкого азота изучены
фотоиндуцированные изменения в магнитострикционных деформациях, обусловленные как изменениями констант магнитострикции, так и фотоиндуцированными изменениями доменных структур. Исследована зависимость фотоиндуцированных изменений магнитострикции от поляризации света и направления намагничивания во время освещения.
20
Рассмотрены изменения параметров магнитострикции при наличии упругих напряжений, зависящих от направления намагниченности.
В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования влияния освещения на эффективность возбуждения и резонансные частоты мод магнитоупругих колебаний, возбуждаемых переменным магнитным полем в круглых пластинах иттриевого феррита-граната. Изучено влияние пространственной структуры переменного магнитного поля, величины и ориентации постоянного поляризующего поля при различных положениях образцов. Использовалась стационарная методика, аналогичная применяемой для изучения ядерного магнитного резонанса в магнитоупорядоченных веществах.
В шестой главе представлены результаты экспериментальных исследований воздействия света на сигналы ЯМР 57Ре в Y$¥esO\29 описаны особенности рассчитанных спектров ЯМР доменных границ в ферритах-граната иттрия. Представлены результаты исследований возможных блоховских ДГ в неограниченных кристаллах ферритов-гранатов. Численным методом получена форма линии ЯМР 180-, 71-и 109-градусных доменных границ в кубическом кристалле со структурой граната. Используя выражения, определяющие направления намагниченности в ДГ, для которых выполняются условия максимума спектральной плотности ядерных спинов, а так же выражения для частот соответствующих возможных сигналов ЯМР ДГ в зависимости от ориентации границы, установлены закономерности формирования сигналов ЯМР ДГ исходя из положения ядер 57Ре в Гранине и в кристаллографической структуре граната. Изложены результаты расчетов влияния процессов стабилизации и внешнего поля на форму линии поглощения ЯМР 180°ДГ в кубических ферритах-гранатах.
В седьмой главе представлены результаты исследований фотоиндуцированных изменений оптического поглощения в монокристаллах
21
ИЖГ с различным легированием. Описаны особенности фотоиндуцированных изменений оптического поглощения от
интенсивности, последовательности и времени воздействия света различного спектрального состава.
Исследован спектр фоточувствительности эффекта
фотоиндуцированного изменения оптического поглощения иттрий-
железистых гранатов. Величина эффекта аи измерялась на длине волны 1,1 шп при изменении длины волны монохроматического облучающего света в диапазоне 0,6 -1,9 рт . Определены спектральные области, вызывающие различные фогоиндуцированные спектры. В легированных и Ва монокристаллах ИЖГ исследовано фотоиндуцированное оптическое поглощение в спектральном диапазоне 0,7-1,9 рт при воздействии света различного спектрального состава.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
22
ГЛАВА 1
ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТА НА ДОМЕННУЮ СТРУКТУРУ И КОЛЕБАНИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ШПИНЕЛЯХ С<1Сг28е4: ва И ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ ИТТРИЯ
1.1. ФОТОИНДУЦИРОВАННАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ФЕРРОМАГНИТНОМ ПОЛУПРОВОДНИКЕ С<1Сг28е4
Интерес к ферромагнитным халькогенидным шпинелям типа Сс1Сг28е4 с достаточно высокой температурой Кюри, обладающих аномально большими кинетическими эффектами, уникальными оптическими параметрами еще более возрос в связи с обнаружением влияния света на динамическую магнитную проницаемость [6,8,10-12]. Фотоиндуцированное изменение проницаемости в магнитных полупроводниках СбСг28е4 и СбСг28е4 :Оа проявляется только при наличии в образцах доменной структуры (ДС) и практически не наблюдается в магнитонасыщенном состоянии. Однако продолжительное время после синтеза монокристаллов СбСг28е4 доменная структура не наблюдалась ни одним из существующих методов. По-видимому это связано с тем, что использование порошковой техники здесь весьма затруднено из-за низких температур, а магнитооптический эффект Фарадея в видимой области спектра не применим из-за непрозрачности массивного материала. Малое поглощение в области прозрачности и большое отрицательное фарадеевское вращение 104 бе§/ст вблизи края поглощения (1,2 рт) [13] предоставляют большие удобства для исследования доменной структуры в СбСг28е4 в ближней инфракрасной области спектра с помощью магнитооптического эффекта Фарадея.
23
Возникновение светочувствительных центров, в которых под воздействием света могут происходить изменения магнитной анизотропии, обменных взаимодействий, упругих и магнитоупругих свойств, связывают с наличием в фотомагнитных материалах неоднородностей кристаллической решетки. За фотоиндуцированный магнитный эффект в СсЮ^е^Са, считаются ответственными ионы Сг+ , которые при освещении
перераспределяются от менее анизотропных положений (вблизи ионов Са^+) - центров 1-типа к более анизотропным положениям (вдали от ионов ва31 ) -центрам Н-типа [1]. За счет возрастания при этом анизотропии объясняется уменьшение динамической проницаемости. В несколько отличной модели полагается, что легирующая примесь в . С<Юг28е4 является скомпенсированной, и поэтому при освещении ионы Сг2+ образуются за счет захвата ионами Сг3+ фотоэлектронов [6]. В настоящее время задачей является выяснение общих закономерностей возникновения и конкретных проявлений светочувствительных центров в различных фоточувствительных магнитных материалах.
В данной главе представлены результаты исследований доменной структуры и динамических свойств ДГ при воздействии света. Применялся магнитооптический метод Фарадея в ближней ИК области. Все исследования проведены на пластинах монокристаллов Сс1Сг28е4 и СбСг28е4:Са [42]. Получены условия закрепления 180° блоховской доменной границы на планарных неоднородностях магнитной анизотропии. Показаны изменения структуры доменной границы, вызванные неоднородностью магнитной анизотропии.
1.1.1. Влияние освещения на колебания доменных границ и локальных петель гистерезиса Доменная структура. Доменная структура исследовалась по эффекту Фарадея в ближней инфракрасной области. Визуализация ДС
24
осуществлялась с помощью электронного оптического преобразователя. Для освещения образца применялась лампа накаливания мощностью 100
Наблюдаемая в исследованных иластинах монокристаллов СсЮ^е,* ДС чаще всего имеет дисперсный характер (рис. 1.1а) [1*]. Такой вид характерен для дефектных кристаллов и аналогичен ДС в дефектных кристаллах УзРе5012 [43]. На фотографии 1.1с показана доменная структура типа лабиринтной, обуславливаемая наличием одноосной перпендикулярной анизотропии в пластине. Причем лабиринтная структура наблюдается в пластинах различной ориентации. Изучение влияния магнитного поля на ДС показало, что имеются легкоподвижные и жесткие доменные границы (ДГ). Легкоподвижные ДГ в полях до 100 Ое смещаются на большие расстояния вплоть до их исчезновения, жесткие ДГ в таких полях только слегка изменяют свою конфигурацию. В бездефектных пластинах легкоподвижные домены имеют правильную полосовую форму и образуются в объеме, на поверхностях пластины существуют ДС типа лабиринтной [44]. Наблюдение ДС в непосредственной близости от температуры Кюри показало, что при зарождении доменной структуры образуются правильной формы полосовые домены, которые при дальнейшем охлаждении образцов приобретали вид, аналогичный ДС на фотографии 1.1а.
При исследовании фотоиндуцированного эффекта [3*] лампа накаливания подключалась к плавно регулируемому стабилизатору постоянного тока способного работать за счет включения в цепь обратной связи фотодиода в режиме стабилизации освещенности. Регистрация ДГ осуществлялась фотодиодом. Смещения Б исследуемой ДГ вызывалось путем частичного перемагничивания близлежащих доменов в переменном поле Сигнал с фотодиода от колеблющейся ДГ У=КБ (где К-
постоянная, зависящая от интенсивности и спектрального состава, а также от контраста близлежащих доменов), усиливался
25
а \ 50 ит І б \ 50 шп І
с [ 50 ит [ д [ шп [
Рис. 1.1. Магнитная доменная структура в Сс1Сг28е4 а - пластина (100) толщиной 300 рш, б - в пластине (110) толщиной 500 рш,
ви г - в пластине (111) толщиной 200 рш охлажденной в отсутствии магнитного поля - в, и во внешнем поле 100 Ое перпендикулярном плоскости пластины - г.
26
операционным усилителем. Освещение образца осуществлялось через светофильтры ИКС-2 и СЗС-7. Изучение эффекта воздействия света на смещение ДГ проводилось путем выведения из оптического пути микроскопа светофильтра СЗС-7, поглощающего в активной для фотоиндуцированного эффекта области спектра. При этом постоянная фотоэлектрической системы К и температура образца поддерживались постоянными. Постоянство чувствительности фотоэлектрической системы контролировалось подачей смещающего границу постоянного поля Н определенной величины.
Воздействие света с длинами волн 1-1,5 pm (при выведении светофильтра СЗС-7) на колеблющуюся в небольшом синусоидальном магнитном поле доменную границу вызывает уменьшение ее амплитуды колебания S. При окончании воздействия света (введение светофильтра СЗС-7) амплитуда колебания ДГ принимает свое первоначальное значение. Исследование эффекта воздействия на колебания ДГ в зависимости от частоты перемагничивающего поля показало, что эффект отсутствует на низких частотах, как видно на рисунке 1.2. При некоторой частоте (для данной границы 25 Hz) возбуждающего поля эффект возникает и возрастает, а в дальнейшем сохраняет постоянное значение вплоть до 10 kHz.
При малых значениях напряженности переменного магнитного поля при освещении зависимость амплитуды колебания ДГ от напряженности имеет линейный характер, в отличие от нелинейной зависимости в этих же полях в отсутствии освещения (рис. 1.2). С увеличением напряженности ПОЛЯ эффект достигает некоторого максимального значения и в дальнейшем убывает. Величина и характер изменений параметров петли гистерезиса движения ДГ при воздействии света очень сильно зависят от напряженности
27
8, агЬ.ипШ
8, агЬ.ипШ
Г к Нг
Н, Ое
Рис. 1.2. Зависимость амплитуды колебания £ доменной границы от частоты переменного магнитного поля напряженностью 10 Ое (а) и от напряженности переменного поля частотой 500 Нг (б) в отсутствии освещения - 1 и при освещении - 2.
Н, Ое
Рис. 1.3. Динамические локальные петли гистерезиса движения ДГ в малых (а) и в больших (б) магнитных полях частотой 100 Нг без освещения (1) и при освещении (2).