- 2 -Список сокращений
АСВ - антенны спиновых волн.
ГТТ - гадолиний-галлиевый гранат.
ГР - гиромагнитный резонатор.
ЖИГ - железо-иттриевый гранат.
СПС - свободные поверхностные спины.
ЗПС - закрепленные поверхностные спины.
ЛЗ - линии задержки.
ШШ - микрополоско вал линия.
ЩЩМ - структура металл-диэлектрик-феррнт-диэлектрик-металл. СВЧ - сверхвысокие частоты.
СВЭ - спин-волновая электроника.
СВ - спиновые волны.
Ш - ферромагнитная пленка.
ПГР - пленочный гиромагнитный резонатор.
4МР - ферромагнитный резонанс.
Список основных обозначений крутизна магнитной ямы.
зазоры между Ш и металлическими экранами в слоистой структуре ЦДВДМ. расстояние от Ш до АСВ. диаметр пленочного диска.
диаметр локализации спиновых колебаний типа п,т в параболической "магнитной яме", магнитомеханическое отношение, постоянное магнитное поле, параметр СВЧ магнитной диссипации.
а -
Я,В-
Л -
о -
Рпт"
3 -н -
дН -
- 3 -
M0 - равновесная намагниченность.
L - толщина ферромагнитной пленки.
/х0 - магнитная проницаемость вакуума.
<L - константа обменного взаимодействия.
R - погонное сопротивление излучения (активная часть). )( - реактивная часть погонного сопротивления излучения. к - волновое число СВ.
W - ширина микрополосковой АСВ.
- ширина спинового волновода.
$оп~ символ Кронекера
- 4 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 7
Глава I. ЛОКАЛИЗОВАННЫЕ КОЛЕБАНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ В ПРОСТРАНСТВЕННО НЕОДНОРОДНОМ ПХТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ......................................16
1.1 Метода контроля параметра магнитной диссипации
в ферромагнитных пленках ........................... 16
1.2 Локализация колебаний намагниченности в "магнитной яме"......................................................22
1.3 Спектр дипольно-обменных спиновых колебаний пленочного диска............................................ 23
1.4 Дипольно-обменные спиновые колебания в параболической "магнитной яме" ........................... 31
Выводы.............................................. 38
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРА
СВЧ МАГНИТНОЙ Д1ССИПАЩИ МЕТОДОМ "МАГНИТНОЙ ЯМЫ". . 40
2.1 Установка для измерения параметра диссипации фер-
40
ромагнитных пленок ............................... .
2.2 Секция для локального измерения параметра магнитной диссипации методом "магнитной ямы"....................46
2.3 Спектр ферромагнитного резонанса в "магнитной
яме"..................................................Ы
2.4 Влияние параметров "магнитной ямы" и проводящих экранов на спектр и ширину пиков поглощения . . . . ^
- 5 -
2.5 Сопоставление параметров диссипации, измеренных методом "магнитной ямы" и на пленочных дисках . . .60
2.6 Применение метода "магнитной ямы” для экспериментального исследования характеристик ферромагнитных пленок................................................ 64
Выводы.................................................74
Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ МИКР0П0Л0СК0ВЫХ АНТЕНН СПИНОВЫХ ВОЛН............................................................75
3.1 Импеданс антенн спиновых волн: современное состояние исследований ................................. 75
3.1.1 Теоретические исследования ..................... 75
3.1.2 Экспериментальные исследования ................. 82
3.2 Измерения комплексного входного сопротивления
АСВ...................................................83
3.2.1 Установка для измерений входного сопротивления АСВ..............................................83
3.2.2 Методика измерения входного сопротивления
АСВ.............................................84
3.2.3 Подготовка пленочных образцов....................86
3.3 Методика расчета погонного сопротивления излучения
по данным измерений .................................. 88
3.4 Исследование комплексного сопротивления излучения микрополосковых антенн спиновых волн в нормально-
намагниченных пленках.................................93
3.4.1 Влияние обменного расщепления спектра и состояния поверхностных спинов в ФП на сопротивление излучения ............................... ....93
- 6
1
3.4.2 Результаты экспериментальных исследований частотных зависимостей сопротивления излучения микрополосковых АСВ для пленок ЖИГ . . 96
3.5 Сопротивление излучения микрополосковых АСВ при
возбуждении СВ в касательно намагниченных ФП . . .
Выводы................................................123
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕЩИХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО НАМАГНИЧЕННЫХ ЭКРАНИРОВАННЫХ СПИНОВЫХ ВОЛНОВОДАХ ..........................................................124
4.1 Безобменные волны в "спиновых волноводах" ..............^4
4.2 Дипольно-обменные спиновые волны в неограниченных
по ширине ферромагнитных пленках......................126
4.3 Дипольно-обменные волны в "спиновых волноводах" . .132
4.4 Экспериментальное исследование дипольно-обменных
СВ в спиновых волноводах ....................... .....139
4.4.1 Возбуждение волноводных мод в спиновом волноводе.......................................... .142
4.4.2 Зависимости собственной частоты и групповой скорости СВ от волнового числа .......................144
4.4.3 Определение константы обменного взаимодействия по осцилляциям АЧХ..............................151
4.4.4 Самоиндуцированная прозрачность спин-системы при импульсном распространении дипольно-обменных СВ в пленках ЖИГ................................ХЬб
4.5 Приближенный расчет линий задержки на спиновых
волнах....................................... Х60
Выводы......................................... 166
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................К8
ЛИТЕРАТУРА................................................170
7
ВВЕДЕНИЕ
Исследование волновых процессов в твердом теле представляет интерес как с точки зрения радиофизики, так и с точки зрения их применения для построения сверхвысокочастотных микроэлектронных приборов /I/. Преимущества применения таких волновых процессов обусловлены не только снижением габаритов приборов, но и их широкими функциональными возможностями. Наибольшие успехи на этом пути достигнуты с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ), исследования которых привели к возникновению области электроники, получившей название "акустоэлектроника" /2-5/. Однако, ряд причин (например, трудности реализации элементов возбуждения субмикронных размеров и большие потери на распространение) ограничивают применение ПАВ на СВЧ. На „частотах выше I ГГц перспективным является применение спиновых (магнитостатических) волн (СВ) ^, распространяющихся в ферромагнитных пленках (ФП).
К преимуществам СВ можно отнести эффективность их возбуждения одиночными микрополосковыми преобразователями малое затухание при распространении, широкие пределы изменения дисперсионных
I) В литературе термин "магнитостатические волны" (МСВ) обычно используют для безобменных (дипольных) спиновых волн, а термин "спиновые волны" применяют для коротких волн, свойства которых обусловлены обменным взаимодействием. Поскольку исследуемые в диссертации волны намагниченности рассматриваются с учетом как диполь-дипольного, так и обменного взаимодействия, то используется единый термин "спиновые волны".
- 8 -
характеристик внешним магнитным полем и геометрическими размерами пленочных структур, возможность электрического управления дисперсией и затуханием СВ, в том числе локального управления /6,7/.
Интерес к физическим исследованиям ФП связан также с возможностью взаимодействия спиновых волн с другими волновыми процессами в твердом теле: с волнами в полупроводниковой плазме /8-10/, акустическими волнами /11-13/, электромагнитными волнами оптического диапазона /14/.
Большую научную и практическую значимость представляет мало исследованная область нелинейного возбуждения и распространения СВ в ФП (в частности, параметрическое усиление /15-17/).
Уникальные функциональные возможности СВ стимулируют исследования и разработки СВЧ интегральных устройств для обработки СВЧ информации, изготовленных на ферромагнитных пленках. Анализ исследований СВ и разработок пленочных спин-волновых приборов, выполненных в последние годы, приводит к выводу, что в настоящее время формируется новое направление СВЧ микроэлектроники - спин-волновая электроника (СВЭ) /18/. Приборы СВЭ позволяют реализовать дисперсионную и бездисперсионную задержку сигнала, фильтрацию, управление фазой, деление и суммирование мощности, преобразование сигналов, ограничение мощности и пр. Характеристики разработанных приборов весьма разнообразны. Сведения о них можно найти в обзорах /19-25/. Перспективность применения ферромагнитных пленок обусловлена не только их использованием в спин-волновых устройствах, но и возможностью конструирования на их основе традиционных СВЧ ферритовых приборов, таких как вентили, циркуляторы, фазовращатели, фильтры и др. /26-30/ в пленочном планарном исполнении.
Исследование волновых процессов в Ии лабораторные разра-
- 9 -
ботки ряда спин-волновых приборов для применения в функциональных СВЧ устройствах поставили новые радиофизические задачи, требующие решения.
Центральной задачей является изучение возбуждения и распространения СВ с учетом особенностей волнового процесса в пленочных ферромагнетиках. Несмотря на интенсивные исследования СВ, проводившиеся в последние годы, ряд их свойств остается неизученным. Так, в литературе недостаточно представлены данные по экспериментальному исследованию возбуждения СВ в пленках микрополоско-выми антеннами. Слабо изучены особенности возбуждения СВ в тонких ФП, где на характер волнового процесса существенно влияет не только диполь-дипольное, но и обменное взаимодействие. Существующие исследования дисперсионных характеристик СВ в спиновых волноводах также выполнены без учета обменного взаимодействия и состояния поверхностных спинов.
Остро стоит проблема локального неразрушающего измерения параметра СВЧ магнитной диссипации ФП. Она возникла в связи с задачей получения больших по площади и однородных по магнитным свойствам высококачественных пленок с малыми магнитными потерями.
Актуальность и необходимость решения перечисленных вопросов как для физики спин-волновых процессов, так и для целей прикладного использования, определили задачи диссертационной работы.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование локализации спиновых колебаний в ферромагнитных пленках, помещенных в неоднородное постоянное магнитное поле, а также экспериментальное исследование возбуждения и распространения спиновых волн в ФП и спиновых волноводах.
10
Основными задачами исследований являются:
- изучение локализации спиновых колебаний, возбуждаемых в ФП, помещенной в пространственно-неоднородное постоянное магнитное поле, имеющее профиль "ямы";
- разработка метода и реализация установки для локального неразрушающего контроля параметра СВЧ магнитной диссипации ферромагнитных пленок, принцип действия которой основан на локализации спиновых колебаний пространственно-неоднородным полем;
- измерение комплексного сопротивления излучения микрополоско вых антенн спиновых волн (АСВ) при возбуждении дипольно-обменных СВ в нормально и касательно однородно'намагниченных ферромагнитных пленках;
- изучение особенностей дисперсионных характеристик диполь-но-обменных СВ в нормально намагниченных спиновых волноводах.
Научная новизна,
1. Теоретически и экспериментально исследован спектр дипольно -обменных колебаний, возбуждаемых в ФП, намагниченной перпендикулярно поверхности неоднородным постоянным полем, имеющим пространственное распределение в виде аксиально симметричной "ямы".
2. Впервые предложен метод и реализована установка локального неразрушающего контроля параметра СВЧ магнитной диссипации по спектру резонансных колебаний, возбуждаемых в "магнитной яме".
3. Экспериментально исследовано сопротивление излучения микрополосковых антенн спиновых волн при возбуждении дипольно-обменных СВ в нормально и касательно намагниченных ФП. Обнаружены и объяснены осцилляции сопротивления излучения, вызываемые
II
обменным расщеплением спектра СВ и волноводными модами в нормально намагниченных ФП.
4. Исследованы особенности дисперсионных характеристик бегущих СВ в ферромагнитных пленках ограниченной ширины ("спиновых волноводах”) с учетом закрепления поверхностных спинов.
5. Впервые обнаружено явление самоиндуцированной прозрачности спин-системы при импульсном распространении дипольно-об-менных СВ в монокристаллических пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ).
Научные положения, выносимые на защиту.
1. В ферромагнитной пленке, намагниченной до насыщения неоднородным постоянным магнитным полем, направленным перпендикулярно поверхности, имеющим пространственное распределение напряженности в виде ”ямы”, происходит локализация сверхвысокочастотных колебаний намагниченности в области слабого поля
(вблизи дна "магнитной ямы”).
2. Возбуждение локализованных колебаний в ферромагнитной пленке, помещенной в неоднородное магнитное поле, направленное перпендикулярно поверхности и имеющее пространственное распределение в виде "ямы", может быть использовано для локального неразрушающего контроля параметра СВЧ магнитной диссипации дН*
3. Частотная зависимость сопротивления излучения микропо-лосковых антенн, возбуждающих СВ в тонких ферромагнитных пленках с закрепленными поверхностными спинами, носит осциллирующий характер, который обусловлен возбуждением высших типов спиновых волн.
- 12 -
4. Волноводное распространение дипольно-обменных СВ в ферромагнитных пленках ограниченной ширины (в "спиновых волноводах") отличается от неограниченной пленки тем, что частоты волн всех
типов лежат выше частоты однородной прецессии намагниченности,
*
а порядок расположения частот отсечки зависит от соотношения толщины пленки и ширины спинового волновода.
Практическая ценность работы.
1. Разработан метод и реализованы измерительные секции для локального неразрушающего контроля СВЧ магнитной диссипации в ферромагнитных пленках методом "магнитной ямы". Разработанные секции легко совмещаются со стандартными спектрометрами ферромагнитного резонанса (ФМР), что позволяет использовать их для локального неразрушающего контроля параметра СВЧ магнитной диссипации в ФП большой площади.
2. Показана возможность применения метода "магнитной ямы" не только для локального измерения дН , но и определения толщины ФП.
3. Предложены простые аналитические соотношения и номограммы для инженерного расчета линий задержки на ферромагнитных пленках. Номограммы связывают частотные зависимости погонного времени задержки и затухания с толщиной ФП и параметром магнитной диссипации "рабочих" спиновых волн.
4. Экспериментально исследованы частотные зависимости реактивной и активной частей сопротивления излучения микрополоско-вых АСВ, позволяющие решать задачу согласования АСВ с подводящими линиями.
- 13 -
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались
на:
- межвузовском научном совещании-семинаре "Проблемы функциональной электроники СВЧ", г.Горький, 1980;
- УШ Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники", г. Донецк, 1982;
- ХП Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике, г. Саратов, 1983;
- ХУ1 Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, г. ТУла, 1983;
- П Всесоюзной конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ", г. Ленинград, 1984;
- Всесоюзных семинарах по спиновым волнам, г. Ленинград, 1978, 1980, 1982, 1984;
- ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им'.В.И.Ульянова (Ленина), 1978-1984.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 109 страниц машинописного текста, 61 рисунок, I таблиц/ и список литературы из ИЗ наименований.
Диссертация не содержит отдельной главы, посвященной обзору литературы. Необходимые обзорные сведения представлены в первых параграфах первой, третьей и четвертой глав.
Первая глава посвящена анализу локализации спиновых коле-
14 -
баний, возбуждаемых в ФП, намагниченной перпендикулярно поверхности неоднородным постоянным полем, имеющим пространственное распределение в виде "ямы". Рассчитан спектр дипольно-обменных колебаний в параболической "магнитной яме" и определены размеры области локализации. Рассмотрены существующие способы локального контроля параметра СВЧ магнитной диссипации л Н ферромагнитных пленок и предложен новый метод измерения д Н » основанный на локализации колебаний в "магнитной яме".
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию локализации спиновых колебаний в "магнитной яме". В ней описана конструкция измерительной секции, реализующей метод "магнитной ямы". Экспериментально исследовано влияние параметров "ямы" на спектр возбуждаемых колебаний и ширину пиков поглощения. Показано, что параметры диссипации дН пленок железо-иттриевого граната, измеренные методом "магнитной ямы" и традиционным способом ферромагнитного резонанса на пленочных гиромагнитных резонаторах, совпадают. Разработанным методом "магнитной ямы" исследована однородность по площади монокристаллических пленок ЖИГ и получены частотные зависимости параметра диссипации пленок чистого и легированного галлием ЖИГ.
В третьей главе экспериментально исследовано сопротивление излучения микрополосковых антенн спиновых волн. На основе анализа литературных данных определены требования к измерительной установке. Описана разработанная измерительная линия и методика расчета сопротивления излучения по измеренному входному сопротивлению АСВ. Приводятся результаты измерения частотных зависимостей комплексного сопротивления излучения АСВ в нормально и касательно намагниченных пленках в 6-см диапазоне длин волн.
- 15 -
Обнаружены и объяснены осцилляции сопротивления излучения, обусловленные высшими типами дипольно-обменных СВ»‘
В четвертой главе рассмотрены особенности распространения дипольно-обменных спиновых волн в нормально намагниченных "спиновых волноводах”. Приводятся расчетные и экспериментальные данные по определению дисперсии и групповой скорости СВ. Получены простые приближенные уравнения, непосредственно связывающие время задержки и собственную частоту СВ в спиновом волноводе. Обнаружено явление самоиндуцированной прозрачности спин-системы при импульсном распространении СВ в нормально и касательно намагниченных пленках ЖИГ.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
16
Глава I
ЛОКАЛИЗОВАННЫЕ КОЛЕБАНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ В ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНОМ ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
В последнее время в связи с разработкой приборов спин-вол-новой электроники /19-25/, принцип действия которых основан на явлении распространения спиновых волн в ферродиэлектрических пленках, остро встал вопрос о локальных измерениях параметра сверхвысокочастотной магнитной диссипации в отдельных точках сплошной ФП большой (десятки квадратных сантиметров) площади. Наличие достоверного и хорошо воспроизводимого метода локального измерения диссипации особенно важно для совершенствования технологии выращивания ФП с малыми потерями на распространение СВ и для оперативного контроля в условиях производства пленок и спин-волновых приборов.
1.1 Методы контроля параметра магнитной диссипации в ферромагнитных пленках
Для характеристики СВЧ магнитной диссипации в различных ферромагнитных материалах наиболее часто используется величина Д И (см., например /31/ ). Хорошо известно, что в процессе измерения А И определяется через полуширину резонансной кривой соответствующего типа колебаний гиромагнитного образца, обычно имеющего форму эллипсоида вращения. При этом достоверное определение АН
- Київ+380960830922