WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 5 Анизотропия спектров спин-волнового резонанса при диссипативном механизме закрепления спинов © А.М. Зюзин, С.Н. Сабаев, В.В. Радайкин, А.В. Куляпин Мордовский государственный университет, 430000 Саранск, Россия (Поступила в Редакцию 14 мая 2001 г.

В окончательной редакции 6 августа 2001 г.) Экспериментально и теоретически исследованы механизмы, приводящие к анизотропии дисперсионных кривых спектров спин-волнового резонанса в многослойных магнитных пленках. Показано, что одна из причин существенного увеличения угла наклона дисперсионных кривых при промежуточных между перпендикулярной и параллельной ориентациями постоянного магнитного поля H относительно пленки связана с изменением равновесной ориентации намагниченности. Установлено, что дополнительное влияние (кроме доминирующего диссипативного механизма закрепления спинов, реактивных или дисперсивных свойств слоя с сильным затуханием) приводит к изменению волновых чисел стоячих спиновых волн и обусловливает рассогласование дисперсионных кривых при перпендикулярной и параллельной ориентациях H.

Спектры спин-волнового резонанса (СВР) позволяют экспериментальных результатов авторов настоящей получить большой объем информации о физических па- работы, а также литературных данных, возможная анираметрах магнитных пленок [1–4]. Кроме того, спектры зотропия параметра затухания Гильберта = H/ весьма чувствительны к характеру их пространственного (здесь H — полуширина линии поглощения, — распределения, что позволяет путем анализа эволюции гиромагнитное отношение, — круговая частота СВЧ спектра, происходящей при уменьшении толщины плен- поля) не превышает погрешности измерений, составляки послойным стравливанием, определить это распре- ющей < 6%. Вместе с тем и в этом случае наблюдается деление [5–7]. Наряду с такими параметрами спектра существенная зависимость угла наклона дисперсионной СВР, как резонансные поля линий спин-волновых (СВ) кривой от ориентации постоянного магнитного поля H мод, их число, интенсивность и ширина, важной ин- относительно пленки. Поэтому цель настоящей работы формационной характеристикой является дисперсионная состояла в исследовании механизмов, определяющих кривая [8–10], по углу наклона которой можно, в частно- угол наклона дисперсионных кривых спектров СВР в сти, определить константу обменного взаимодействия A.

многослойных пленках при диссипативном механизме Необходимым условием при этом является достоверная закрепления спинов.

идентификация пиков поглощения СВ мод и знание их волновых чисел, что далеко не всегда является легко и 1. Эксперимент однозначно решаемой задачей.

Известно, что спектры СВР, возбуждение которых Экспериментальные исследования проводились на обусловлено динамическим механизмом закрепления двух- и трехслойных монокристаллических пленках спинов или поверхностной анизотропией, являются ферритов-гранатов. Пленки были получены методом сильно анизотропными [2–5,10]. В зависимости от нажидкофазной эпитаксии путем последовательного нараправления постоянного магнитного поля H гармонищивания слоев на подложки из гадолиний-галлиевого ческие стоячие спиновые волны возбуждаются в разграната с ориентацией (111) из различных растворов ных областях (слоях) пленки. Это приводит к ярко в расплаве. Ближний к подложке слой (слой закрепвыраженной модификации спектра СВР при изменении ления) имел состав (SmEr)3Fe5O12 и обладал большим направления H. В частности, при совпадении полей одзначением = 0.2. Намагниченность насыщения 4M нородного резонанса в слоях спектр трансформируется составляла 1330 G, эффективное поле одноосной анив одиночную общую нулевую моду.

eff зотропии Hk = 96 Oe, поле кубической анизотропии Диссипативный механизм закрепления спиHk1 = -120 Oe, = 1.38 · 107Oe-1s-1, толщина нов [8,11–13] проявляется в многослойных пленках с сильно различающимися значениями параметра h = 1.2 µm. Следующий слой (слой возбуждения) имел затухания в слоях и в отличие от отмеченных выше не состав Y2.98Sm0.02Fe5O12, = 0.003, 4M = 1740 G, eff зависит от направления H, т. е. является изотропным. Hk = -1715 Oe, Hk1 = -82 Oe, = 1.76 · 107 Oe-1s-1.

Это обусловлено тем, что, во-первых, область возбужде- В разных образцах толщина h1 этого слоя составляла ния гармонической части стоячей спиновой волны при от 0.46 до 0.9 µm. Трехслойные пленки отличались любом направлении H относительно пленки ограничена от двухслойных наличием еще одного слоя закрепслоем с малым затуханием и, во-вторых, параметр ления. В таких пленках спины закреплены на обеих затухания в пленках феррит-гранатов не зависит поверхностях слоя возбуждения (симметричные граничот направления H. Как следует из многочисленных ные условия). Регистрацию спектров СВР производили 894 А.М. Зюзин, С.Н. Сабаев, В.В. Радайкин, А.В. Куляпин значение углов их наклона остается примерно таким же, как и для двухслойной пленки.

Во всех исследованных пленках угол наклона дисперсионной кривой, соответствующий спектру СВР при параллельной ориентации H, был больше, чем при перпендикулярной. Но еще больший наклон имели дисперсионные кривые при промежуточных между перпендикулярной и параллельной ориентациях H, в интервале значений угла H между H и нормалью к пленке от до 80. На рис. 2 и 3 в качестве иллюстрации приведены дисперсионные кривые, соответствующие спектрам СВР для угла H, равного 45.

Рис. 1. Спектры СВР при различных ориентациях H для пленки с толщиной слоя возбуждения h1 = 0.69 µm.

на частоте 9.34 · 109 Hz. Магнитное поле измеряли с помощью ЯМР магнетометра. Толщину определяли интерференционным методом на однослойных аналогах слоев. Изменение толщины слоя возбуждения производили изменением времени роста, а также химическим травлением. Нахождение осей 100, 111, а также значений Hk1 производили по методике, описанной в [14]. Отметим, что при регистрации спектров СВР на постоянной частоте СВЧ поля в качестве дисперсиРис. 2. Дисперсионные кривые H0 - Hn = f (n + 1/2)2 для онной кривой, как правило, принимается зависимость двухслойных пленок с толщиной h1, равной 0.9 и 0.46 µm:

H0 - Hn = f (k2) [5,8,9,11], где H0 и Hn — резонансные 1 — H = 0, 2 — 90, 3 —45. Точки — эксперимент, линии — расчет.

поля нулевой и n-й СВ мод, k — волновое число. В этом случае разность H0-Hn, так же как и частота спиновых волн (при постоянном H), квадратична по k. При построении дисперсионных кривых значения волновых чисел СВ мод принимались равными (n + 1/2)/h1 для двухслойных и (2n + 1)/h1 для трехслойных пленок [5].

Такая нумерационная схема предполагает, что узел стоячей спиновой волны находится на границе раздела между слоями.

Как было установлено на основании многочисленных экспериментов, при доминирующем действии диссипативного механизма закрепления спинов, когда в слое закрепления 0.2, спектры СВР при перпендикулярной, параллельной и промежуточной ориентациях постоянного магнитного поля относительно пленки не имеют заметных различий в своей структуре (рис. 1). При толщинах слоя возбуждения h1 0.9 µm дисперсионные кривые при перпендикулярной и параллельной ориентациях H имеют лишь небольшое рассогласование (относительное различие тангенсов углов наклона) между собой (рис. 2). При уменьшении h1 дисперсионные кривые при обеих ориентациях остаются линейными, углы их наклона увеличиваются и одновременно происходит Рис. 3. Дисперсионные кривые H0-Hn = f (n + 1/2)2 для возрастание величины рассогласования. Наличие закрепдвухслойной пленки (внизу) и H0 - Hn = f (2n + 1)2 для ления с обеих сторон слоя возбуждения (трехслойная трехслойной пленки (вверху) с толщиной h1 = 0.69 µm, пленка) приводит к возрастанию примерно в 2 раза обозначения те же, что и на рис. 2. Точки — эксперимент, величины рассогласования кривых (рис. 3), хотя среднее линии — расчет.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Анизотропия спектров спин-волнового резонанса при диссипативном механизме закрепления... 2. Расчет спектров СВР где ieff Для объяснения полученных результатов был провеb11 = H cos(H - M) +Hk2 cos 2M +, ден расчет спектров СВР и соответствующих дисперсионных зависимостей. Расчет основывался на использоваieff b22 = H cos(H - M) +Hk2 cos2 M +, нии дисперсионного соотношения [15] i = b12 = -b21 =, (5) 2A eff h1 и h2 — толщина слоев возбуждения и закрепления = H cos(H - M)+Hk cos2 M - Hk1a(M)+ kM соответственно, ось z совпадает с нормалью к пленке.

Такое условие было получено путем интегрирования 2A eff H cos(H - M)+Hk cos 2M - Hk1b(M)+ k2, уравнения движения по области, включающей слой заM крепления. Также было использовано соотношение, свя(1) зывающее действительную и мнинмую части волнового где числа в слое закрепления [1] a(M) =(3 - 16x - 3y)/16, b(M) =-(x + 3y)/4, 2M2 k 2 = =. (6) x = 23/2 sin 2M - cos 2M /3, 42A2 k 2 k y = - 25/2 sin 4M - 7 cos 4M /9, Пространственная конфигурация спиновой волны в слое возбуждения представлялась гармонической записанного для слоев возбуждения и закрепления и позволяющего установить связь между волновыми чисm1(z ) =B1 sin k1z + B2 cos k1z, (7) лами в слоях. Значения угла M находились с помощью условия равновесной ориентации намагниченности M в слое закрепления гармонической и экспоненциально затухающей от границы раздела слоев, eff 2H sin(H - M) =Hk sin 2M + Hk1 sin 2M m2(z ) = C1 sin k 2(z - h1) +C2 cos k 2(z - h1) 7 4 + sin 4M + 2 sin2 M - sin4 M. (2) exp -k 2 (z - h1). (8) 24 В этих уравнениях Bi, Ci — постоянные, z = 0 соВ этих уравнениях M и H —углы между нормалью ответствует свободной поверхности слоя возбуждения.

к пленке и M и H соответственно, отсчитываемые в Результаты расчета, которые приведены на рис. 2 и 3, плоскости (110) от нормали к пленке [111] по кратчайхорошо согласуются с экспериментальными данными.

шему пути в сторону кристаллографического направления [001]. Заметим, что, когда поле H ориентировано в плоскости (110), вектор M также лежит в этой 3. Обсуждение результатов плоскости.

При расчете были использованы обменные граничные Одна из причин, приводящих к существенному увеусловия, записанные для границ слоя возбуждения личению угла наклона дисперсионных кривых при 20 H 80, обусловлена изменением равновесной m1 m1 m= 0, =, ориентации намагниченности M, происходящим вследz M1 M2 z =hz =ствие изменения величины H при регистрации спектра A1 m1 A2 m2 СВР [16]. Степень влияния данного фактора зависит от =, (3) относительного значения эффективного поля анизотроM1 z M2 z z =heff пии Hk /(/) и наиболее заметна в указанном выше и дополнительные условия, учитывающие затухание спиинтервале углов H. Однако, как уже было отмечено, новой волны в слое с большим значением (слое в экспериментах наблюдается рассогласование дисперзакрепления) сионных кривых для перпендикулярной и параллельh1+h2 h1+hной ориентаций, т. е. тогда, когда H направлено вдоль 2A1 m1y + b11 m2ydz + b12 m2x dz = 0, трудного или легкого направлений намагничивания и M01 z z =hразориентации между H и M отсутствует.

h1 hДругими возможными причинами анизотропии дисh1+h2 h1+hперсионной кривой могут быть: a) анизотропия констан2A1 m1x + b22 m2xdz + b21 m2y dz = 0, (4) ты обменного взаимодействия; b) различие магнитодиM01 z z =hпольного вклада в значения резонансных полей СВ мод h1 hФизика твердого тела, 2002, том 44, вып. 896 А.М. Зюзин, С.Н. Сабаев, В.В. Радайкин, А.В. Куляпин при различных ориентациях H; c) различие в поляризации спиновых волн — круговая при перпендикулярной ориентации и эллиптическая при параллельной; d) поперечная структура волны в первом случае и поперечнопродольная во втором; e) различие в значениях пространственной фазы гармонической спиновой волны на одной или обеих границах слоя возбуждения, которое может быть обусловлено различием конфигураций спиновых волн в слое (слоях) закрепления при одной и другой ориентациях.

Что касается первого предположения, то известно, что пленки ферритов-гранатов не обладают скольконибудь заметной анизотропией константы обменного взаимодействия. Кроме того, нами были проведены дополнительные исследования по выявлению возможной анизотропии A. Указанная анизотропия должна в наибольшей степени проявляться при ориентации M вдоль кристаллографических осей 100 и 111. Поэтому при данных ориентациях M были записаны спектры СВР и построены дисперсионные кривые. При построении кривых учитывали влияние изменения равновесной ориентации намагниченности. Как показал эксперимент, возможная анизотропия A в исследованных пленках не превышает погрешности измерений (3%) и не может объяснить наблюдаемую анизотропию дисперсионных кривых.

Относительно причин, изложенных в пунктах b, c.

Величина их возможного вклада в резонансные поля СВ мод может зависеть от длины спиновой волны или ее волнового числа k1 = 2/1, но для одинаковых значений k1 не должна зависеть от толщины слоя возбуждения 1 или симметрии граничных условий.

Например, при одинаковых k1 различие резонансных полей СВ мод при перпендикулярной и параллельной ориентациях для трехслойной пленки (симметричные граничные условия) должно быть таким же, как для Рис. 4. a — графическое решение системы уравнений (1)-(8) двухслойной, для которой граничные условия являются при h1 = 0.69 µm. Цифры у точек пересечения кринесимметричными. В то же время результаты прове- вой 1 — значения n для H = 0, кривой 2 — для 90;

b — распределение нормированной переменной намагниченденных экспериментов свидетельствуют об обратном.

ности mi(z )/Mi (i — номер слоя) для первых пяти СВ мод Наличие закрепления на обеих поверхностях слоя возбупри H = 0 и 90.

ждения приводит к удвоению величины рассогласования дисперсионных кривых (рис. 3). Этот факт, а также зависимость относительного рассогласования от толщины, свидетельствуют о том, что наблюдаемая анизотроориентации дисперсивной. В первом случае поле одпия спектров СВР обусловлена причиной, указанной в нородного резонанса в слое закрепления меньше, чем пункте d), т. е. связана с действием области (областей) в слое возбуждения, во втором — наоборот, больше.

затухания на значения фазы гармонической спиновой Этим ситуациям соответствуют два различных набора волны, возбуждаемой СВЧ полем в слое с малым, и волновых чисел k и k 1n, определенных по абсциссам тем самым на значения волновых чисел СВ мод.

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.