WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 2 Магнитооптическое исследование гранулированных пленок оксида кремния с ферромагнитными частицами CoNbTa © А.В. Кимель, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней, F. Bentivegna, Th. Rasing Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Воронежский государственный технический университет, 394026 Воронеж, Россия Research Institute for Materials, University of Nijmegen, 6525 ED Nijmegen, The Netherlands E-mail: pisarev@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 2 апреля 2002 г.) Гранулированные пленки оксида кремния с ферромагнитными частицами CoNbTa и различным соотношением металлической и диэлектрической фаз исследовались с помощью как стационарных, так и динамических магнитооптических методик с субпикосекундным временным разрешением. Измерения проводились в спектральной области от 1.45 до 1.70 eV. Обнаружено подобное поведение концентрационных зависимостей линейного и фотоиндуцированного эффекта Керра. Обе зависимости имеют немонотонный характер с максимумом вблизи порога перколяции.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, программ Министерства промышленности и науки.

В последние годы гранулированные нанокомпозиты с ферромагнитными нанокластерами на основе кобальта на основе Fe, Co и Ni с ионами других переходных в зависимости от содержания металлической фазы. При металлов вызывают большой интерес. Это в первую этом для исследований применялись как стационарные, очередь обусловлено явлением гигантского магнитосо- так и динамические магнитооптические методики, припротивления (GMR), которое наблюдается в этих мате- чем последние позволяли изучать магнитные и оптириалах [1]. Кроме того, нанокомпозиты характеризуются ческие свойства среды с субпикосекундным временным рядом других необычных магнитных, электрических, разрешением.

оптических и магнитооптических свойств, к числу которых можно отнести возможность изменения удельного электрического сопротивления в широких пределах, уси- 1. Рост и структура образцов ление оптических нелинейностей [2], корреляцию между магнитотранспортным и нелинейно-оптическими свой- Гранулированные пленки ферромагнитных включений ствами [3], высокую величину магниторефрактивного аморфного сплава на основе кобальта, ниобия и тантала эффекта [4], а также высокую степень поглощения элек- в диэлектрической матрице оксида кремния с различтромагнитного излучения в ВЧ- и СВЧ-диапазонах [5]. ным содержанием металлической фазы, представляющие Несмотря на то что некоторые физические механизмы, собой типичные перколяционные системы, были полуответственные за эти явления, до сих пор в полной чены на неподвижных ситалловых подложках методом мере неясны, гранулированные нанокомпозиты можно ионно-лучевого напыления [8]. Размер металлических с уверенностью отнести к перспективным материалам гранул был равен 2-5 nm в зависимости от содержания для изготовления на их основе магнитных считывающих металлической фазы. Металлические наночастицы форголовок и элементов магнитооптической памяти [6,7]. мировали гранулированную, электрически не связанную Таким образом, исследование магнитных, оптических структуру до порога протекания и проводящую кластери магнитооптических свойств гранулированных структур ную структуру за порогом протекания. В работе были интересно как с фундаментальной, так и с прикладной исследованы три композита на основе оксида кремния точки зрения. Следует отметить, что современные тре- с частицами CoNbTa и аморфная пленка металлического бования к скорости записи и считывания информации сплава, не содержащая оксида. При напылении пленки накладывают жесткие ограничения не только на величи- металлического сплава и аморфных гранулированных ну магнитосопротивления или нелинейной оптической нанокомпозитов использовались мишени двух видов:

восприимчивости, но и на время отклика материала на монолитные и составные. Монолитные мишени состава магнитное или световое возбуждение. Co86Nb12Ta2 готовились плавкой в вакууме с использоВ настоящей работе мы сообщаем об исследовании ванием индукционной печи из металлов определенного магнитных, оптических и магнитооптических свойств состава. Для приготовления сплавов использовались гранулированных структур аморфного оксида кремния кобальт чистотой 99.98%, тантал и ниобий технической 270 А.В. Кимель, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников...

Параметры исследуемых пленок Предпринятые еще в 60-е годы теоретические [10,11], а позднее экспериментальные [12] исследования покаЧисло пла- Содержание Толщина, зали, что намагниченность в среде можно создать не Образец стин SiO2 Состав оксида µm только внешним магнитным полем, но и электрическим в мишени кремния полем световой волны. Однако до недавнего времени A 0 Co86.1Nb12.2Ta1.7 - 5.этот факт использовался для изучения диамагнитных B 9 Co53.4Nb8.3Ta1.1 Si20.2O17 4.и парамагнитных материалов [13], и лишь в самое C 11 Co47.3Nb7.0Ta1.4 Si23.6O20.7 4.последнее время были начаты исследования магнитоD 15 Co27.7Nb3.0Ta0.7 Si26.7O41.9 4.упорядоченных кристаллов [14]. В таких исследованиях используется полностью оптическая методика изучения быстропротекающих магнитных явлений, где более инчистоты с весовым содержанием компонентов в со- тенсивный луч (накачка) приводит среду в возбужденное ответствии с составом сплава. Расплав соответствую- состояние, а менее интенсивный луч (зондирование) щего состава после механического перемешивания вы- после взаимодействия со средой отображает ее новое состояние. При наличии импульсного источника излуливался в специально приготовленную керамическую чения с помощью такого метода оптической накачки форму. Операции плавления и разлива осуществлялись и зондирования можно изучать динамические явления, в вакууме. Из одной навески сплава выплавлялись две мишени размером 270 70 14 mm. Мишени шлифова- протекающие в твердом теле, с временным разрешением, которое ограничивается длительностью импульса.

лись с двух сторон, припаивались к водоохлаждаемому Рассмотрим двухлучевую схему, в которой под дейоснованию, одна из них устанавливалась в вакуумный пост для последующего распыления. Составная ми- ствием импульса накачки, поляризованного по кругу, в среде наводится магнитный момент вследствие обратшень Co-Nb-Ta + SiO2 представляла собой сплавную ного эффекта Фарадея [10,11]. В этом случае в луче мишень состава Co86Nb12Ta2 с закрепленными на ее поверхности пластинами из монокристалла кварца тол- зондирования должен проявиться магнитооптический эффект Керра, который будет выражен в повороте плосщиной 2 mm и шириной 9 mm, расположенными кости поляризации на угол K, причем перпендикулярно продольной оси сплавной мишени.

Изменяя число пластин кварца (в данном случае приме+ няли 9, 11 и 15 пластин) и расстояние между ними, можK = Im p(+) - p(-) E dt, но было изменить соотношение объемов напыляемых + n(n2 - 1) |E|2 dt фаз (магнитной и диэлектрической), управляя таким образом составом композита. Выбор такого количества (1) пластин кварца для составной мишени был обусловлен где n — коэффициент преломления среды, E — нанеобходимостью получения композитов с гранулированпряженность электрического поля импульса накачки, ной несвязанной и проводящей кластерной структурой, p(+), p(-) — нелинейные поляризации третьего порядка, а также состава, близкого к порогу перколяции [8]. Обиндуцированные правокруговым поляризованным имразцы, полученные в результате напыления, представляпульсом накачки и право- (лево-)круговым поляризованли собой пленки толщиной 4.6-5 µm. Толщина пленок ным импульсом зондирования [15]. В дальнейшем это измерялась на интерферометре Линника МИИ-4. Состав явление будем называть динамическим магнитооптичеполученных композитов контролировался электронноским эффектом Керра.

зондовым рентгеноспектральным микроанализом. ПараДинамические измерения проводились по метометры выращенных пленок представлены в таблице.

дике, описанной в [15]. При использовании излучения фемтосекундного титан-сапфирового лазера 2. Экспериментальная установка ( = 1.45-1.60 eV) с длительностью импульса 100 fs и частотой повторения 82 MHz лучи накачки и зондиИсследование стационарных магнитных свойств пле- рования при соотношении интенсивностей 10 : 1 фокунок основывалось на измерении меридионального маг- сировались на образец в пятно диаметром 100 µm для нитооптического эффекта Керра по методике, описан- луча накачки и немного меньше для луча зондирования.

ной в [9]. Использовалось излучение фемтосекунд- Пространственная энергетическая экспозиция в пересченого титан-сапфирового лазера с энергией фотонов те на один импульс накачки для большинства измерений = 1.45-1.70 eV и непрерывного гелий-неонового ла- составляла 10 µJ·cm-2. Углы падения для лучей накачки зера с = 1.96 eV. Чувствительность измерения по- и зондирования составляли 20 и 30 соответственно.

ворота плоскости поляризации света при измерениях Керровское вращение измерялось как функция от вреэффекта Керра составляла 10 угловых секунд. Угол мени задержки между импульсами и энергии фотонов падения света на образец был равен 45. Напряженность излучения. Для устранения возможных ложных сигналов постоянного магнитного поля, приложенного к образцу, проводились измерения фотоиндуцированного вращения менялась в диапазоне ±15 kOe. в зависимости от степени эллиптичности поляризации Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Магнитооптическое исследование гранулированных пленок оксида кремния... накачки. Максимум измеряемого эффекта наблюдался насыщения указывают на то, что осажденные в матрице при круговой накачке, что находится в полном соот- SiO2 частицы CoNbTa являются ферромагнитными. На ветствии с теорией динамического магнитооптического спектральных зависимостях в исследуемом диапазоне эффекта Керра. энергий фотонов не было обнаружено какой-либо заметной дисперсии (рис. 2). В то же время прослеживается немонотонная зависимость величины эффекта от содер3. Экспериментальные результаты жания Co, максимум которой находится примерно при и их обсуждение концентрации кобальта 45 at.%. Отметим, что в гранулированных пленках величина магнитооптического эффекНа рис. 1 представлены полевые зависимости эффекта та Керра в два-три раза больше, чем в металлическом Керра для пленок C и D. Полевые зависимости хасплаве.

рактеризуются узким гистерезисом и практически доИсследование временного поведения эффекта Керра стигают насыщения в полях ±15 kOe. Небольшие поля показало, что сигнал наблюдается только в той области, где есть перекрытие импульсов накачки и зондирования.

Следует отметить, что в гранулированных структурах значительный вклад в величины нелинейно-оптических эффектов, и в частности динамического магнитооптического эффекта Керра, могут вносить эффекты усиления локального поля, которые проявляются во время перекрытия импульсов. После прекращения накачки эффекты локального поля быстро затухают по мере потери оптической когерентности. Этот факт может являться причиной того, что динамический эффект Керра наблюдается только во время перекрытия импульсов накачки и зондирования. Другим фактором, который объясняет такое поведение эффекта Керра, может быть короткое время жизни неравновесной спиновой поляризации, связанное как с малым временем жизни электронов в возбужденном состоянии [16], так и малым временем жизни спиновых возбуждений [5].

Рис. 1. Полевые зависимости стационарного меридионального Спектральные зависимости динамического магнитоопэффекта Керра в пленках C и D.

тического эффекта Керра показаны на рис. 3. В отличие от статического эффекта динамический эффект проявляет сильную дисперсию во всех гранулированных структурах. Спектральные зависимости указывают на наличие электронных переходов в районе 1.45 eV или при более низкой энергии, выходящей за пределы рабочей области титан-сапфирового лазера. Следует отметить, что в монолитной пленке CoNbTa динамический эффект Керра практически не зависит от энергии фотонов. Таким образом, очевидно, что электронный переход вблизи 1.45 eV (или при более низкой энергии) обусловлен процессами, происходящими в наночастицах CoNbTa, и его проявление можно установить только методом, основанным на измерении динамического магнитооптического эффекта Керра. По нашему мнению, резонансное поведение нелинейного магнитооптического сигнала вблизи 1.45 eV вызвано эффектами усиления локального поля вблизи плазмонных переходов в наночастицах CoNbTa.

На вставке к рис. 3 показаны зависимости динамического и стационарного магнитооптических эффектов Керра от содержания кобальта в гранулированных пленках при энергии фотонов = 1.45 eV. Удивительной оказалась идентичность концентрационных зависиРис. 2. Спектральные зависимости стационарного меридимостей этих явлений. Этот результат свидетельствует онального эффекта Керра для пленок A (1), B (2), C (3) о том, что имеет место корреляция между стационари D (4) в поле 3 kOe. Линиями показаны результаты линейной аппроксимации экспериментальных данных. ным и динамическим эффектами Керра. Отметим, что Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 272 А.В. Кимель, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников...

Список литературы [1] A.E.Berkovitz, J.R. Mitchell, M.J. Carey, A.P. Young, S. Zhang, F.E. Spada, F.T. Parket, A. Hutten, G. Thomas. Phys.

Rev. Lett. 68, 3745 (1992).

[2] V.M. Shalaev, A.K. Sarychev. Phys. Rev. B 57, 13 265 (1998).

[3] T.V. Murzina, T.V. Misuryaev, A.F. Kravets, J. Gudde, D. Schuhmacher, G. Marowsky, A.A. Nikulin, O.A. Aktsipetrov. Surf. Sci. 482–485, 1101 (2001).

[4] Е.А. Ганьшина, А.Б. Грановский, Б. Диени, Р.Ю. Кумаритова, А.Н. Юрасов. ФТТ 42, 1860 (2000).

[5] Л.В. Луцев. ФТТ 44, 97 (2002).

[6] A. Inoue, T. Zhang, H. Koshida, A. Makino. J. Appl. Phys. 83, 6326 (1998).

[7] R.J. Gambino, T.R. McGuire. J. Appl. Phys. 57, 3906 (1985).

[8] Ю.Е. Калинин, А.Т. Пономаренко, А.В. Ситников, О.В. Стогней. Физика и химия обраб. материалов 5, (2001).

[9] А.Г. Банщиков, А.В. Кимель, В.В. Павлов, Р.В. Писарев, Н.С. Соколов, Th. Rasing. ФТТ 42, 884 (2000).

[10] Л.П. Питаевский. ЖЭТФ 39, 1450 (1960).

[11] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. Наука, М. (1992). 664 с.

Рис. 3. Спектральные зависимости динамического эффекта [12] P. van der Ziel, P.S. Pershan, L.D. Malmstrom. Phys. Rev. Lett.

Керра для пленок A (1), B (2), C (3) и D (4). Линиями пока15, 190 (1965).

заны результаты линейной аппроксимации экспериментальных [13] Optical Orientation, Modern Problems in Condensed Matter данных. На вставке показаны стационарный (1) и динамичеScience / Ed. F. Meier and B.P. Zacharchenya. North-Holland, ский эффекты Керра (2) как функции содержания кобальта.

Amsterdam (1984). Vol. 8. [Оптическая ориентация / Под ред. Б.П. Захарчени, Ф. Мейера. Наука, Л. (1989). 409 с.].

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.