WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Власов Владимир Сергеевич ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОЙ И НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ МАГНИТНЫХ И МАГНИТОУПРУГИХ КОЛЕБАНИЙ ПЛЕНОК И ЧАСТИЦ 01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университета

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Котов Леонид Нафанаилович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Грановский Александр Борисович доктор физико-математических наук, профессор Бучельников Василий Дмитриевич

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита состоится «» 2007 года в часов на заседании диссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К 501.001.02, кандидат физико-математических наук И.А. Никанорова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время в связи с интенсивным изучением нелинейных свойств магнитных систем и возможностью получения высококачественных тонких плнок и других наноразмерных магнитных объектов открываются возможности создания новых материалов для компактных ВЧ и СВЧ устройств, работающих в нелинейных режимах. Корректное описание поведения магнитных систем невозможно без учта диссипативных процессов в них [1]. Поэтому в настоящее время исследование нелинейной магнитной и магнитоупругой динамики и е релаксационных особенностей в тонких плнках и частицах является перспективным направлением. Актуальность исследования связана также с возможностью разработки акустического усилителя, работающего на электромагнитной накачке, на основе магнитострикционного эффекта. Другим не менее перспективным направлением, является исследование динамических и релаксационных свойств нанокомпозитных магнитных пленок с заданными свойствами. Уникальность поведения таких плнок состоит в сильной зависимости их свойств от наноструктуры, которая определяется составом, температурой отжига и т.д. [2-4]. Нанокомпозитные плнки являются новыми материалами, которые, обладая необычными свойствами, могут найти широкое применение в радиотехнике и микроэлектронике. Очень важным, поэтому, является исследование влияния внешних воздействий на релаксационные и нелинейные свойства нанокомпозитных материалов и ансамблей частиц, составляющих элементы наноструктуры этих материалов.

Современные энергонезависимые магнитные накопители информации характеризуются гигантской плотностью записи и малым временем доступа, причем с каждым годом эти характеристики улуч шаются. Однако уменьшение времени доступа рано или поздно должно достигнуть своего предела, поскольку в современных накопителях используются механические системы: движущиеся головки и вращающиеся диски. Одним из альтернативных накопителей с очень малым временем доступа может быть накопитель, основанный на радиоимпульсной записи [5]. Улучшение характеристик, необходимых для внедрения таких носителей информации, невозможно достичь без изучения следующих механизмов: а) взаимодействия ферритовых плнок, частиц и ансамблей частиц с импульсными и переменными магнитными полями, б) возникновения сигналов нелинейного радиоимпульсного эха или магнитоакустического эха (МАЭ). Выяснение этих механизмов выдвигает круг задач по исследованию линейных и нелинейных радиочастотных магнитных и магнитоупругих свойств ферритовых частиц и плнок.

При взаимодействии магнетиков с переменными полями идет процесс магнитоупругого или магнитоакустического взаимодействия [1]. Отличие времени релаксации упругой подсистемы от времени релаксации спиновой подсистемы, и наличие нелинейностей приводит к возможности реального наблюдения эха в порошках ферритов. Результаты исследования явления МАЭ дают важную информацию об условиях и степени нелинейности системы и магнитоакустического взаимодействия, магнитоупругих константах, величине и динамике внутренних магнитных полей [6].

Цели и задачи настоящего исследования Цель данной работы – выявление критических явлений и новых особенностей релаксационных и нелинейных магнитных и магнитоупругих свойств тонких магнитных плнок, частиц и ансамблей частиц в радиочастотных (ВЧ и СВЧ диапазоны) магнитных полях. Для достижения поставленной цели был решен ряд задач:

1. Теоретическое изучение зависимости времени магнитной релаксации в области ферромагнитного резонанса (ФМР) в тонких магнитных плнках от параметров внешних воздействий в линейном и нелинейном режимах.

2. Экспериментальное исследование зависимости частоты магнитной релаксации fr в тонких композитных плнках, состоящих из ферромагнитной и диэлектрической фаз, от состава и внешних воздействий, приводящих к изменению топологии наноструктуры плнки.

3. Изучение нелинейной динамики магнитоупругих колебаний тонкой ферритовой плнки, частицы с учетом релаксации, вблизи акустического резонанса при возбуждении их радиоимпульсным магнитным полем.

4. Развитие теории нелинейного МАЭ с учтом членов с большим порядком нелинейности в выражении для свободной энергии частиц; изучение влияния релаксации на нелинейные эффекты на примере явления МАЭ.

Научная новизна работы В данной работе, определены частоты релаксации намагниченности композитных плнок при различной топологии наноструктурных элементов (ферромагнитных и диэлектрических наночастиц, гранул и т.п.). Впервые обнаружен эффект значительного изменения частоты релаксации намагниченности fr в этих плнках вблизи порога перколяции, вызванный изменением топологии наноструктуры эле ментов, происходящем при изменении состава, уменьшении температуры или температурного отжига образцов.

Выявлено сильное влияние материальных параметров на релаксационные и нелинейные свойства ферритовых плнок и частиц в области ФМР и акустического резонанса (АР). Выявлены две области релаксации магнитоупругих колебаний после действия импульса переменного поля в ферритовой пленке, которые характеризуются сильно отличающимися временами релаксации r. Определена область значений параметра магнитной диссипации, в которой взаимодействие магнитной и упругой подсистем является наибольшим. Предложена методика определения времени релаксации магнитоупругих колебаний плнок и частиц в нелинейном режиме по значению времени установления стационарного режима магнитных или упругих колебаний.

Показано возникновение магнитоупругих автоколебаний релаксационного типа в ферритовой пленке вблизи АР при превышении порогового значения амплитуды переменного поля. Вычислена пороговая амплитуда возбуждения магнитоупругих автоколебаний в зависимости от материальных параметров и внешних воздействий.

Получены аналитическое выражение и численное решение, описывающие поведение сигналов МАЭ в зависимости от параметров возбуждающих импульсов и внешних воздействий.

Положения, выносимые на защиту 1. Результаты исследований магнитной релаксации в композитных плнках составов (Co45Fe45Zr10) x (Al2O3) 1-x при разных концентрациях x (0.32

2. Зависимости амплитуд магнитных и упругих колебаний ферритовых плнок и частиц в нелинейном режиме с учтом релаксации в области ФМР и акустического резонанса от времени, амплитуды переменного и постоянного магнитных полей, параметра магнитной диссипации, намагниченности насыщения, константы магнитоупругой связи.

3. Динамика и механизм зарождения и гашения магнитоупругих автоколебаний релаксационного типа в тонких ферритовых плнках и частицах.

4. Зависимости амплитуды сигналов двухимпульсного магнитоакустического эха для ансамбля ферритовых частиц от амплитуд возбуждающих импульсов, интервала между импульсами.

Научная и практическая значимость работы Полученные результаты являются качественно новыми и вносят существенный вклад в формирование современных представлений о релаксационных и нелинейных магнитных и магнитоупругих свойствах плнок и ансамблей частиц. Они могут быть использованы при дальнейших теоретических исследованиях радиоимпульсной динамики магнитной и упругой подсистем тврдых тел, включающих в себя наноразмерные структуры. Описание релаксационных и нелинейных эффектов в магнитных материалах является универсальным и может быть распространено на другие объекты. Приведнные в работе результаты могут оказаться полезными при решении нелинейных задач в других областях физики, изучающих нелинейные явления, например, в нелинейной оптике, физике плазмы, а также при изучении нелинейных динамических процессов в квантовых системах.

Обнаруженные критические явления в магнитной и магнитоупругой динамике, происходящие при изменении внешних факторов или наноструктуры материалов, открывают предпосылки для создания устройств обработки, преобразования упругих колебаний и волн и магнитоакустических преобразователей. В данной работе приведены оптимальные характеристики ферритовых материалов, которые могут быть использованы для создания акустических усилителей с радиоимпульсной магнитной накачкой на основе тонких ферритовых плнок и частиц.

Апробация работы Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на III-IV Всероссийских научных конференциях студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 1999 и 2000); Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002, 2004, 2006);

16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002);

Международном семинаре: «Выездная секция по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах» (Астрахань, 2003); Международных зимних школах физиков-теоретиков «Коуровка» (Кыштым, 2004, 2006); на III-ем Московском Международном Симпозиуме по Магнетизму (Москва, 2005); на 14 Международной конференции по внутреннему трению и механической спектроскопии (Киото, Япония, 2005); на III Объединенном Европейском симпозиуме по магнетизму (СанСебастьян, Испания, 2006); Выездной сессии научного совета РАН по магнитоакустике и акустоэлектронике (Сыктывкар, 2004); на 15 Коми республиканской молоджной научной конференции (Сыктывкар, 2004); а также на многочисленных республиканских, внутри вузовских и научных семинарах Сыктывкарского государственного университета.

Публикации Результаты работы опубликованы в 2 статьях в международных реферируемых и рецензируемых журналах, 1 статье в центральной печати, 10 статьях в сборниках трудов международных конференций, из них 7 в трудах Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ)», в 2 статьях Вестника СыктГУ, и 25 тезисах всероссийских и международных конференций.

Структура и объм работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и авторского списка. Работа изложена на 149 страницах. Список литературы содержит 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, обозначены полученные в диссертации новые результаты, раскрыты научная и практическая значимость работы, описана структура диссертации.

Первая глава посвящена литературному обзору по магнитной и магнитоупругой ВЧ и СВЧ динамике ограниченных образцов. Рассмотрены линейные и нелинейные магнитные и магнитоупругие колебания, их релаксация. Описаны способы возбуждения колебаний и условия резонансов для них в случаях объемных образцов, плнок, частиц, пленочных структур и ансамблей частиц. Магнитная динамика описана на основе уравнения Ландау-Лифшица [1]:

M M Heff R, (1) t где M - вектор намагниченности, - гиромагнитное отношение, Heff - эффективное магнитное поле, действующее на намагниченность, - релаксационный член.

R В случае магнитоупругой динамики выражение (1) дополняется уравнениями для компонент вектора упругого смещения:

2 ui ui ik 2, (2) t2 t xk где - плотность среды, ui - компоненты вектора упругого смещения (i=x,y,z), - частота релаксации упругих колебаний, ik – тензор упругих напряжений, xk - пространственные координаты. На основе решений уравнений (1, 2) определены частоты ферромагнитного и акустического резонансов и исследована нелинейная и релаксационная динамика намагниченности в ферритовых пленках и частицах.

Во второй главе проведена оценка корректности используемой в работе нелинейной модели и рассмотрена методика численного расчета решения системы уравнений, описывающей магнитную и магнитоупругую динамику пленок и частиц. Магнитная динамика описывалась на основе уравнения Ландау-Лифшица с релаксационным членом в форме Гильберта [1], упругая динамика описывалась на основе уравнения (2). Рассмотрены методы определения основных слагаемых эффективного поля Heff и приведен вывод усредненной по пространственным координатам системы уравнений, описывающей магнитоупругую динамику пленок и частиц при наличии магнитной, магнитоупругой и упругой нелинейностей.

В третьей главе исследованы линейные и нелинейные магнитные колебания и их релаксация в пленках при ФМР. Экспериментально исследована магнитная релаксация при условии линейного ФМР нанокомпозитных пленок составов (Fe45Co45Zr10)x(Al2O3)1-x, x – концентрация металлической фазы. Определены значения частот релаксации намагниченности fr в пленках в зависимости от x. После некоторого увеличения fr наблюдается сильный спад fr (более, чем на порядок) при увеличении х от 0.32 до 0.6. Наличие такой зависимости fr ( х) связано с тем, что изменение x приводит к изменению топологии наноструктуры плнки, состоящей из ферромагнитной и диэлектрической фаз. При малых x, топология наноструктуры представляет собой ансамбль ферромагнитных наночастиц, распределнных в диэлектрической матрице, а при больших x, плнка становится почти сплошной ферромагнитной средой с хаотически распределнными в ней диэлектрическими наночастицами. Обнаружено резкое увеличение частоты релаксации намагниченности fr для пленок с доперколяционной концентрацией x<0.42, при охлаждении пленок до азотных температур или при отжиге пленок.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»