WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. Ломоносова Физический факультет

На правах рукописи

Юрасов Алексей Николаевич МАГНИТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ НАНОКОМПОЗИТОВ В ВИДИМОЙ И ИК ОБЛАСТИ СПЕКТРА Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2003

Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители : доктор физико-математических наук, профессор А. Б. Грановский Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор П. Н. Стеценко кандидат физико-математических наук, ст.н.с. Б. А. Аронзон Ведущая организация : Физико-технический институт УрО РАН г. Ижевск

Защита состоится «_18» декабря 2003 года в 15-30 часов на заседании Диссертационного Совета К 501.001.02 физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова по адресу:

119899, ГСП, Москва, Воробьевы Горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «18» ноября 2003 года.

Ученый секретарь Совета Кандидат физико-математических наук, И. А. Никанорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Магнитные нанокомпозиты, в которых ферромагнитные гранулы с размером близким к однодоменному хаотически расположены в диэлектрической матрице, представляют собой класс наноструктурных магнитных материалов с необычными и перспективными для практических приложений свойствами.

Наличие в таких системах гигантского и туннельного магнитосопротивления, гигантского аномального эффекта Холла, большой магнитооптической активности, аномального оптического поглощения и др. представляет как фундаментальный, так и практический интерес. Недавно в этих системах обнаружен и новый магнитооптический эффект - магниторефрактивный эффект (МРЭ), который состоит в значительном изменении оптических параметров нанокомпозитов с туннельным магнитосопротивлением при их намагничивании.

Принципиальным отличием нанокомпозитов от гранулированных систем металлметалл является наличие перехода металл-диэлектрик при определенной концентрации металла, называемой порогом перколяции. Вблизи этого перехода кардинально меняются все свойства нанокомпозитов. Наличие туннельных контактов вблизи порога перколяции, классического и квантового размерного эффекта приводит к многообразию наблюдаемых эффектов.

Наряду с трехмерными нанокомпозитами металл-диэлектрик, большой интерес представляют трехмерные системы ферромагнитный металл – немагнитный полупроводник и ферромагнитный металл – антиферромагнетик, а также квазидвумерные гибридные мультислои, в которых ультратонкие слои нанокомпозитов разделены диэлектрическими прослойками.

К настоящему времени отсутствует теоретическое описание оптических и особенно магнитооптических свойств таких систем. Создание теории является необходимым для интерпретации экспериментальных результатов, для поиска новых материалов, для разработки методов оптической спектроскопии неоднородных материалов, а также в связи с общей задачей описания взаимодействия электромагнитного излучения с неоднородными средами.

Целью данной работы явилось теоретическое исследование оптических и магнитооптических свойств ферромагнитных нанокомпозитов и систем на их основе, типа гибридных мультислоев, включающее:

1. Расчет и интерпретацию оптических и магнитооптических спектров ферромагнитных нанокомпозитов в рамках методов эффективной среды с учетом квазиклассического размерного эффекта.

2. Теоретическое исследование оптических и магнитооптических свойств гибридных мультислоев 3. Построение теории магниторефрактивного эффекта в нанокомпозитах, исследование его поляризационной и угловой зависимости.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. В рамках симметризованного приближения Максвелла-Гарнетта развит метод описания магнитооптических спектров нанокомпозитов с учетом квазиклассического размерного эффекта и конфокальности эллипсоидальных частиц ячеек среды.

2. Впервые показано, что квазиклассический размерный эффект может оказывать существенное влияние как на оптические, так и особенно на магнитооптические спектры ферромагнитных гранулированных сплавов в видимой и ИК области спектра.

3. Рассчитаны оптические и магнитооптические спектры гибридных мультислоев.

4. Построена теория МРЭ при прохождении и отражении света для нанокомпозитов.

Полученные результаты успешно применены для объяснения экспериментальных данных по магнитооптическим спектрам нанокомпозитов Co-Al2O3 и Co-CoO, по оптическим и магнитооптическим спектрам квазидумерных мультислоев Co-SiO2 и по магниторефрактивному эффекту на пленках Co-Al2O3, а также могут быть использованы для поиска материалов с большой магнитооптической активностью.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Квазиклассический размерный эффект оказывает существенное влияние на оптический отклик гранулированной системы вблизи порога перколяции в ближней ИК области, но не существенен для оптических спектров разбавленных систем.

2. Показано, что размерный эффект изменяет амплитуду, профиль и даже знак магнитооптического сигнала в ближней ИК области спектра. Размерный эффект ярко выражен в системах с большим аномальным эффектом Холла. Учет всех поправок, связанных с размерным эффектом, позволяет лучше описать имеющиеся экспериментальные данные для оптических и магнитооптических свойств гранулированных сплавов.

3. МРЭ в нанокомпозитах обусловлен наличием туннельного магнитосопротивления, значительно больше чем в металлических слоях с гигантским магнитосопротивлением и может на два порядка превышать традиционные магнитооптические явления. Спин-зависящее туннелирование существует вплоть до оптических частот. Максимального значения МРЭ на отражении достигает для p- поляризованного света при угле падения близком к углу падения Брюстера.

4. В условиях интерференции света МРЭ значительно возрастает, что позволяет усилить МРЭ.

5. Рассчитаны оптические и магнитооптические спектры гибридных систем в рамках макроскопической френелевской магнитооптики с использованием модифицированного метода эффективной среды. Аномально высокое оптическое поглощение и высокая магнитооптическая активность в гибридных мультислоях связаны с близостью композиционного состава слоев к порогу перколяции и наличием интерференции.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: XVII и XVIII Международных школахсеминарах “Новые магнитные материалы микроэлектроники”, Москва (2002, 2000);

Международном симпозиуме “Порядок, беспорядок и свойства оксидов - ODPO-2002”, Сочи, (2002); Euro-Asian symposium "Trends in Magnetism", Ekaterinburg, (2001);

Conference on Advanced Magneto-Resistive Materials, Ekaterinburg, (2001); Joint European Magnetic Symposium, Grenoble, (2001); International Baikal Scientific Conference "Magnetic Materials", Irkutsk, (2001); Symposium on Spin-Electronics, Halle, Germany, (2000); Второй международной конференции "Фундаментальные проблемы физики", Саратов, (2000);

Второй объединенной конференции по магнитоэлектронике, Екатеринбург, (2000);

Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, (1999); на международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99", Санкт-Петербург, (1999); а также на Ломоносовских чтениях (1999, 2001), Международной зимней школе физиков теоретиков Коуровка-2000, Екатеринбург, (2000); и международных конференциях аспирантов и студентов “Ломоносов” (1999, 2000, 2002).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях, 4 трудах конференции и 11 тезисах докладов, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Полный объем диссертации - 100 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков и библиографию из 101 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и дана краткая характеристика разделов диссертации.

Первая глава посвящена обзору теоретических и экспериментальных работ по изучению оптических и магнитооптических свойств гранулированных сплавов.

Параграф 1.1.1 посвящен обзору методов описания оптических спектров гранулированных сплавов.

Параграф 1.1.2 посвящен определению методов эффективной среды.

В параграфах 1.1.3-1.1.5 подробно рассматриваются основные методы эффективной среды. Результаты работ, в которых разработаны данные методы, успешно применялись для описания свойств гранулированных сплавов металл-металл.

Параграф 1.1.6 посвящен работам по изучению влияния размерного эффекта на оптические спектры. До настоящего времени такие работы были выполнены для разбавленных сплавов.

В параграфе 1.2.1 рассматриваются основные магнитооптические эффекты, которые позволяют исследовать микроструктуру образца.

Параграф 1.2.2 посвящен обзору работ по магнитооптике для гранулированных сплавов. В основном эти работы относятся к металлическим системам, а не к нанокомпозитам.

В параграфе 1.2.3 рассматриваются работы по изучению нового эффекта – магниторефрактивного эффекта. Работы, посвященные исследованию этого явления, выполнены для металлических мультислоев и гранулированных сплавов металл-металл.

Вторая глава носит оригинальный характер и посвящена исследованию размерного эффекта в нанокомпозитах.

В параграфе 2.1 рассматривается симметризованное приближение МаксвеллаГарнетта (СМГ) и производится учет конфокальности эллипсоидальных частиц в СМГ для правильного описания заполнения ячеек эффективной среды.

В параграфе 2.2 рассматривается размерный эффект, его влияние на диагональные и недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости.

Теория оптических и магнитооптических (МО) спектров ферромагнитных гранулированных сплавов была развита в работах [1] и [2], считая, что тензор диэлектрической проницаемости (ТДП) ферромагнитных гранул и матрицы тождественен ТДП соответствующих объемных материалов. При этом, очевидно, не учитывалось, что рассеяние на поверхностях гранул, приводящее к квазиклассическому размерному эффекту (РЭ), модифицирует как диагональные xx=, так и недиагональные xy= компоненты ТДП гранул, если их средний размер (радиус r0) сравним с длиной свободного пробега электрона l.

Учет квазиклассического размерного эффекта в выражениях для диагональных xx= и недиагональных xy= компонент ТДП сводится к следующему. Время свободного пробега электронов в грануле (part) меньше соответствующего ему времени в массивном образце (bulk)[1] за счет соударений с поверхностью гранул:

1 f = + (1) r part bulk где vf - скорость Ферми. В этом выражении, следуя [1], опущен параметр отражения от поверхности гранул Фукса-Зондхаймера, который мы полагаем равным единице. Тогда, принимая во внимание, что частотная зависимость внутризонной проводимости в металлах описывается законом Друде-Лоренца, можно аналогично работе [1] записать:

2 p p = Co + -, (2) Co,mod ( +i / ) ( +i / ) bulk part где - частота света, - плазменная частота [1], а последние два члена описывают p отличие Co,mod для гранул Co от соответствующего объемного значения для Co Co.

Зависимость недиагональных компонент ТДП от размера частиц является более сложной. Так как xy(), то аналогично (2), учитывая Друде-Лоренцевский тип частотной зависимости xy(), можно записать:

bulk gr 2 4 (0) / 4 (0) / xy bulk xy part = + -, (3) Co,mod Co (+i / )2 (+i / )bulk part где xybulk(0)=4MsRbulk/bulk2, xygr=4MsRgr/gr2; Ms - намагниченность насыщения; gr - удельное сопротивление; Rgr - коэффициент аномального эффекта Холла (АЭХ).

Квазиклассический РЭ оказывает влияние как на Rgr, так и на gr. Последнее достаточно очевидно и в силу выражения (1) gr=bulk(1+l/r0). Влияние РЭ на коэффициент АЭХ гранул согласно работе [3] в случае l/r01 можно записать в виде:

l l Rgr =Rbulk +0.2Rs (1+ ), (4) r0 rгде Rs - значение коэффициента АЭХ материала поверхности гранул. Подчеркнем, что намагниченность гранул может отличаться от намагниченности объемного сплава за счет поверхностных эффектов, но этими изменениями мы пренебрегаем по сравнению со значительными эффектами, состоящими в отличии bulk, R bulk и bulk от gr, Rgr и gr.

В параграфе 2.3 производился расчет оптических и магнитооптических спектров нанокомпозитов с учетом размерного эффекта.

Расчеты оптических и МО спектров проводились в приближении Бруггемана и СМГ для гранулированного сплава Co-Al2O3 c объемной концентрацией Co f равной 4549%. Выбор данного сплава определяется тем, что для него хорошо известны все оптические и магнитооптические параметры[1], микроструктура[1] и по составу он близок к порогу перколяции.

Рис.1 Энергетическая зависимость действительной и мнимой частей диагональной компоненты ТДП в приближении Бруггемана (x = 0.45; форм-фактор L=0.31):

…… - r0 = (без учета размерного эффекта);

----- - r0 = 7нм;

_- r0 = 4нм.

На Рис.1 представлены результаты выполненного в приближении Бруггемана расчета действительной и мнимой части для сплава Co-Al2O3 с концентрацией Co равной 45%, из которого видно, что в ближней ИК области спектра размер гранул оказывает значительное влияние на спектры диагональной компоненты эффективного ТДП, а следовательно и на оптические спектры. Чем меньше размер частиц, тем сильнее это влияние (Рис.1). Этот эффект проявляется только при немалых концентрациях гранул.

Именно поэтому в ранней работе [1] не обнаружено влияния размеров частиц на рассчитанные в МГ оптические спектры гранулированных сплавов при x0.2. Следует также подчеркнуть, что чем меньше вклад межзонных переходов в оптическую проводимость, тем больше роль размерного эффекта.

Pages:     || 2 | 3 |






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