Ім'я файлу: Дипломна_Швачко.docx
Розширення: docx
Розмір: 954кб.
Дата: 28.12.2021
скачати
Пов'язані файли:

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Факультет радіофізики, електроніки та комп’ютерних систем

Кафедра квантової радіофізики


СПЕКТРИ ДИПОЛЬНИХ ТА ОБМІННИХ СПІНОВИХ ЗБУДЖЕНЬ У ТОНКИХ ФЕРИТОВИХ ПЛІВКАХ
Бакалаврська робота

Студента 4 курсу

Факультету радіофізики, електроніки та комп’ютерних систем

Швачко Назар Костянтинович

Науковий керівник

Проф. Зависляк І.В.

Рецензент:

Малишев В.Ю. – асистент кафедри нанофізики та наноелектроніки

До захисту допускаю: __________ Завідувач кафедри проф. Григорук В.І.

Ухвалено на засіданні кафедри від “ “__________ 2021р. Протокол №
Київ 2021

Реферат

Дипломна робота містить 31 сторінок, 14 рисунків, 6 джерела.
Ключові слова: СПІНОВІ ХВИЛІ, ДОТИЧНЕ ПІДМАГНІЧУВАННЯ, НОРМАЛЬНЕ ПІДМАГНІЧУВАННЯ, СПІН ХВИЛЬОВИЙ РЕЗОНАНС, ФЕРОМАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС, НАМАГНІЧЕНІСТЬ НАСИЧЕННЯ, ПОЛЯ АНІЗОТРОПІЇ, ПОЛЕ КРИСТАЛОГРАФІЧНОЇ МАГНІТНОЇ АНІЗОТРОПІЇ, ПОЛЯ ОДНООСНОЇ МАГНІТНОЇ АНІЗОТРОПІЇ.
На даному етапі проведено ознайомлення з теорією обмінних спінових хвиль, у випадку дотичного та нормального підмагнічування плівки ЗІГ. Так при відсутності закріплення спінів та при номері моди n = 0 формули для частот співпадають з формулами Кітеля. Теорія була використана для визначення магнітних параметрів плівки ЗІГ товщиною 97 нм: намагніченість насичення та поля анізотропії. Та ознайомились з магнітними збудженнями в магнітовпорядкованих середовищах. Особливу увагу уділено модельним уявленням при опису одного з таких типів збуджень - магнітостатичних (дипольних спінових) хвиль. Експериментально дослідили спектри цих хвиль в плівці ЗІГ товщиною 1.95 мкм та визначили за ними магнітні параметри плівки: намагніченість насичення та поля анізотропії.

ЗМІСТ:



Реферат 2

Вступ 3

1.ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ 5

1.1.Типи МСХ та види підмагнічування у феритових плівках 5

1.2.Стоячі спінові хвилі в плівці (спін-хвильовий резонанс) 7

1.3.Однорідна мода СХР 9

2.ОСНОВНА ЧАСТИНА 10

2.1.СПІНОВІ ЗБУДЖЕННЯ У ФЕРИТОВИХ ПЛІВКАХ НАНОМЕТРОВИХ ТОВЩИН 11

2.2.МАГНІТОСТАТИЧНІ ХВИЛІ В ФЕРИТОВИХ ПЛІВКАХ МІКРОННОЇ ТОВЩИНИ 18

2.2.1.ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА ТА ВИМІРЮВАЛЬНА КОМІРКА 18

2.2.2.ВИЗНАЧЕННЯ МАГНІТНИХ ПАРАМЕТРІВ ПЛІВКИ: НАМАГНІЧЕНІСТЬ НАСИЧЕННЯ ТА ПОЛЯ АНІЗОТРОПІЇ 20

ВИСНОВКИ 29

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 30



Вступ
Актуальність роботи: На протязі останніх десятиліть зберігається стійкий інтерес до спінових хвиль (СХ) в шаруватих структурах на основі магнітовпорядкованих кристалів. Це обумовлено, з одного боку, перспективою практичного використання СХ в різних пристроях твердотільної електроніки мікрохвильового діапазону, таких як фільтри, а з іншого боку - унікальною сукупністю властивостей СХ, що приводить до великої різноманітності фізичних ефектів, що спостерігаються при розповсюдженні і взаємодії СХ.

Властивостями спінових хвиль можна керувати як за допомогою вибору величини і напрямку зовнішнього підмагнічуючого поля H0, так і за рахунок вибору конкретного магнітовпорядкованого матеріалу. Як правило, хвилеводними структурами для СХ є плівки феритів, такі як залізо іттрієвий гранат (ЗІГ)[5], ферошпінелі, гексаферити і феромагнітні метали, які можуть утворювати шаруваті структури. Частота збудження і характер СХ визначаються внутрішнім ефективним полем, внесок в яке поряд із зовнішнім полем і полем розмагнічування дають поля кристалографічної і ростової анізотропії, неоднорідний обмін. У тому випадку, коли останній вклад несуттєвий, перенесення енергії в середовищі здійснюється за рахунок дальнодіючої диполь-дипольної взаємодії і такі СХ прийнято називати магнітостатичними хвилями (МСХ). Якщо обмінна взаємодія дає помітний внесок, то хвилі, які поширюються уздовж хвилеводу називають дипольно-обмінними СХ.

Поля розмагнічування та магнітної анізотропії не змінюють характер названих СХ, проте можуть істотно впливати на їх частоту. З цієї причини плівки гексаферитів, що володіють значним полем одноосной анізотропії, а також плівки феромагнітних металів, які мають велику намагніченість, вважаються перспективними для розробки пристроїв на СХ на діапазон частот вище 20 ГГц. Структури на основі ЗІГ та плівкок ферошпінелей дозволяють досліджувати поширення МСХ в області частот 1-20 ГГц.

Вивчення властивостей СХ на частотах нижче 1 ГГц (10-1000 МГц) практично не проводилося, оскільки наявність «внутрішніх» полів анізотропії не дозволяє в більшості випадків отримати частоту збудження СХ істотно нижче 500-1000 МГц, не наводячи при цьому до формування доменної структури в плівці. На низьких частотах можна очікувати більш яскравого прояву тих ефектів, спостереження яких ускладнене в гігагерцовому діапазоні, наприклад: магнітопружних хвиль.

Нарешті слабоанізотропні магнітні матеріали являють певний інтерес, оскільки на їх основі можуть бути розроблені нові підходи до управління характеристиками СХ.


  1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ




    1. Типи МСХ та види підмагнічування у феритових плівках


МСХ являються власними типами хвиль феритових плівок та пластин. Для таких хвиль характерні більш швидкі варіації полів в просторі, ніж в часі тому ефекти запізнення є малими. Таким чином, при розв’язанні рівнянь Максвелла з’являється можливість користуватися наближенням магнітостатики, звідки і пішла назва магнітостатичні спінові хвилі. Активним середовищем для спінхвильової електроніки частіше всього являється залізо-ітрієвий гранат, в якому магнітостатичні збудження мають достатньо великий час життя.

При розгляду властивостей МСХ нас будуть цікавити феро- та феромагнитні дієлектрики, які в рамках феноменологічної теорії можна описати з єдиної точки зору.
Перший тип МСХ, який має місце в дотичному намагніченому шарі – це зворотні об’ємні МСХ (ЗОМСХ). Для них характерно, що хвиля поширюється вздовж вектора наманіченості . Для дотичного намагніченого шару вектори та лежать в площині шару.


Рис.1.1 Система координат (
Другий тип МСХ, який має місце при нормальному підмагнічуванніце прямі об’ємні МСХ (ПОМСХ). Для нормально намагніченого к площині шару вектори та нормальні до поверхні плівки.



Рис.1.2. Система координат (

    1. Стоячі спінові хвилі в плівці (спін-хвильовий резонанс)


Перейдемо до розгляду спінових хвиль в плоско-паралельній феромагнітній пластині. Зупинимося спочатку на окремому випадку, коли складові хвильового вектора в площині пластини k||=0 тобто розглянемо однорідні в цій площині (але не однорідні по товщині) коливання намагніченості. Можливість збудження таких коливань (стоячих спінових хвиль) однорідним змінним магнітному полем передбачив Кітель. Експериментально підтвердили Сіві і Таненвальд. Це явище отримало назву спін хвильовий резонанс[6].
А) Нормальне підмагнічування:
Частота стоячих спінових хвиль у нормально намагнічених (111) - плівках обчислюється з урахуванням дипольної взаємодії та використання обмінних граничних умов [1]. Найпростішим і найбільш часто використовуваним є два граничні випадки обмінної граничної умови: "повне закріплення" (намагніченість дорівнює нулю на поверхнях плівки) і "вільний магнітний момент" (нормальна похідна намагніченості дорівнює нулю). В обох випадках резонансна частота визначається згідно [2] формулою:
(1.1)
де D – константа обмінної жорсткості, n = 0,1,2…. . При n = 0 (1.1) має вигляд формули Кіттеля. Для ідеального закріплення не допускається однорідний режим, тобто . Ескізи конфігурацій стоячих спінових хвиль представлені на рис.3.


Рис.1.3 Конфігурації стоячих обмінних спінових хвиль
Б) Дотичне підмагнічування

Згідно [1] при дотичному підмагнічуванні частота спін хвильового резонансу при відсутності закріплення спінів на границях плівки визначається як
(1.2)
де , n = 0, 1, 2…визначається також товщиною плівки, , , . Вісь z нормальна до площини плівки.







    1. Однорідна мода СХР


Частота однорідної моди СХР при нормальному та дотичному підмагнічуванні визначається з (1.1) та (1.2) при n = 0.

Нормальне підмагнічування:

(1.3)

Дотичне підмагнічування:

(1.4)
Видно, що формули (1.3), (1.4) співпадають з частотами однорідного феромагнітного резонансу при відповідних підмагнічуваннях.

З урахуванням анізотропії ЗІГ плівок (1.3), (1.4) переходять у наступні вирази [4]

  • для нормального підмагнічування


(1.5)
де показані поля анізотропії
, , ;


  • для дотичного підмагнічування.


(1.6)

  1. ОСНОВНА ЧАСТИНА




    1. СПІНОВІ ЗБУДЖЕННЯ У ФЕРИТОВИХ ПЛІВКАХ НАНОМЕТРОВИХ ТОВЩИН


Використаємо вищезазначені формули для визначення магнітних параметрів плівки ЗІГ товщиною 97 нм.

Виходячи з того, що частоти феромагнітних резонансів для нормального та дотичного режимів підмагнічування:


(2.1)
де – частота генератора при якій спостерігається феромагнітний резонанс в плівці при нормальному підмагнічуванні в полі , – частота генератора при якій спостерігається феромагнітний резонанс в плівці при дотичному підмагнічуванні в полі . Магнітні параметри плівки: – поле одновісної анізотропії першого порядку, – поле одновісної анізотропії другого порядку, – поле кубічної анізотропії. Введемо позначення ефективної намагніченості насичення
(2.2)
Тоді отримуємо


З системи рівнянь (2.3) постулюючи ( =-50 Е) можна знайти та . З (2.3)(для дотичного режиму) маємо наступне

(2.4)
а потім з (2.3)(для нормального режиму)
(2.5)
Для визначення магнітних параметрів , та гіромагнітного відношення використаємо експериментально отримані значення трьох частот феромагнітного резонансу при дотичному підмагнічуванні при відповідних полях підмагнічування та при нормальному підмагнічуванні , при полях . Частоти обрані таким чином, щоб перша знаходилась в області 5-6 ГГц, друга – 23-24 ГГц, третя – 40-41 ГГц

1) На рис.2.1 зображено частотні залежності коефіцієнту передачі плівки при дотичному рис.4.а та нормальному рис.4.б режимах підмагнічування. Резонансні частоти – , відповідно.


а) б)

Рис.2.1 Частотні залежності коефіцієнту передачі плівки при дотичному режимі (а) та при нормальному режимі (б) підмагнічування.

Для визначення параметру запишемо рівняння (2.3) (для нормального режима) для двох точок з індексами «1» та «2» та віднімемо одне рівняння від іншого. На практиці використовується гіромагнітне відношення, що має розмірність Гц/Е.











22,91

9,815

5,233

3,529



Для визначення магнітних параметрів використаємо формули (2.4), (2.5) , а експериментальні дані наведені в таблиці.










5,437

1,221

5,233

3,529


Підстановка даних дає наступні значення:



Неоднократне визначення магнітних параметрів різних плівок ЗІГ мікронної товщини показує, що якщо поле додатнє то , і наближено . Тоді отримуємо набір параметрів в рамках трьохпараметричної моделі анізотропії:




2) На рис.2.2 зображено частотні залежності коефіцієнту передачі плівки при дотичному рис.2.2.а та нормальному рис.2.2.б режимах підмагнічування. Резонансні частоти – , відповідно.




а) б)

Рис.2.2 Частотні залежності коефіцієнту передачі плівки при дотичному режимі (а) та при нормальному режимі (б) підмагнічування.

Для визначення параметру запишемо рівняння (2.1) (для нормального режима) для двох точок з індексами «1» та «3» та віднімемо одне рівняння від іншого.











40,08

15,92

5,233

3,529



Для визначення магнітних параметрів використаємо формули (2.4), (2.5) , а експериментальні дані приведені в таблиці.











23,58,

7,501

22,91

9,815


Підстановка даних дає наступні значення:



В результаті:




3) На рис.2.3 зображено частотні залежності коефіцієнту передачі плівки при дотичному рис.2.3.а та нормальному рис.2.3.б режимах підмагнічування. Резонансні частоти – , відповідно.



Рис.2.3 Частотні залежності коефіцієнту передачі плівки при дотичному режимі (а) та при нормальному режимі (б) підмагнічування.
Для визначення параметру запишемо рівняння (2.1) (для нормального режима) для двох точок з індексами «2» та «3» та віднімемо одне рівняння від іншого. Гіромагнітне відношення визначається як











40,08

15,92

22,91

9,815




Для визначення магнітних параметрів використаємо формули (2.4), (2.5), а експериментальні дані приведені в таблиці.











40,24

13,41

40,08

15,92


Підстановка даних дає наступні значення:



В результаті:





Оцінимо середні значення параметрів визначених по трьом точкам з частотно-польових залежностей феромагнітного резонансу при нормальному і дотичному підмагнічуванні.







Варто відмітити, що при розрахунках та постулювалися.







    1. МАГНІТОСТАТИЧНІ ХВИЛІ В ФЕРИТОВИХ ПЛІВКАХ МІКРОННОЇ ТОВЩИНИ




      1. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКА ТА ВИМІРЮВАЛЬНА КОМІРКА






Для аналізу спектрів МСХ використовується панорамний вимірювач КСХН та згасання Р2-53 в режимі відбиття з генераторним блоком діапазону 8,15-12,05 ГГц. Блок-схема експериментальної установки зображена на рис.2.4.


Рис.2.4 Блок-схема установки
Вимірювальна комірка складається з пінопластової пластини, в якій фіксовано полікорову підкладку з сформованою на ній періодичною системою металевих смужок (рис.2.5). На пластину надягається феритова плівка, яка зверху притискається пінопластовою кришкою. Розташування вимірювальної комірки в хвилеводі видно на рис.2.5. Вимірювальна комірка може крутитися навколо своєї осі, що задовольняє перехід від нормального намагнічування до дотичного. Слід звернути увагу, що періодична структура металевих смужок розміщена таким чином, що смужки паралельні вузькій стінці хвилеводу, а тому вони паралельні також вектору напруженості електричного поля хвилі . Структура ефективно збуджує магнітостатичні хвилі в напрямку, перпендикулярному смужкам, з хвильовими числами , де - номер піку, - період структури, причому із збільшенням ефективність збудження спадає. Хвиля, яка розповсюджується в хвилеводі, падає на вимірювальну комірку та викликає струми в періодичній структурі смужок, зі свого боку, періодична структура збуджує МСХ в плівці, які, згасаючи, змінюють енергію хвилі в теплову енергію. Таким способом, на частотах, які відповідають збуджуваним за допомогою періодичної структури хвильовим числам, трапиться поглинання потужності, яке можна споглядати на панорамному вимірювачі у вигляді піків.


Рис.2.5 Вимірювальна комірка













      1. ВИЗНАЧЕННЯ МАГНІТНИХ ПАРАМЕТРІВ ПЛІВКИ: НАМАГНІЧЕНІСТЬ НАСИЧЕННЯ ТА ПОЛЯ АНІЗОТРОПІЇ


З режиму ЗОМСХ знаходимо та комбінацію полів анізотропії.
(2.6)
На підґрунті набору нормованих хвильових чисел маємо:
(2.7)
Набір значень заданий, через те відомі товщина плівки s та період збуджуючої структури . Вирішуючи числовим методом рівняння (2.7), вільно знайдемо відповідний набір значень :
, (2.8)
де - частота n-того піку, який відповідає хвилі з нормованим хвильовим числом , а частоти та визначаються відповідно. Співвідношення (2.8) можна змінити до вигляду:
, (2.9)

або, враховуючи, що для великих підмагнічуючих полів, які звичайно використовуються в експерименті,
,
отримуємо:
(2.10)
З (2.9) видно, що відбувається лінійна залежність від . Вимірюючи частоти піків та інформуючи відповідний їм набір величин , можна методом найменших квадратів обрахувати параметри цієї залежності і потім знайти та .

З режиму ПОМСХ визначаємо та комбінацію полів анізотропії
. (2.11)
В цьому випадку метод знаходження значень та за спектром ПОМСХ повністю аналогічна описаній по визначенню и за спектром ЗОМСХ з тією лише різницею, що набір значень , обраховується з рівняння:
; (2.12)


Отримані та оброблені данні(розрахунки проводилися в ОriginLаb) спектрів плівки при дотичному режимі підмагнічуванні (ЗОМСХ):
На рисунку зображено частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання досліджуваної комірки. З рисунку видно перші 5-6 мод, які відповідають даному типу МСХ. Згідно з формули (2.7) дисперсійного співвідношення знаходимо магнітні параметри:


Рис.2.6 Частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання

на частотах 9,5-9 ГГц.
H0 = 2605 Е, 4πМ = 1786 Гс, Н+ = -88 Е


Рис.2.7 Частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання

на частотах 10,5-10 ГГц
H0 = 3060 Е, 4πМ = 1766 Гс, Н+ = -68 Е



Рис.2.8 Частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання

на частотах 11,9-11,4 ГГц

H0 = 3454 Е, 4πМ = 1745 Гс, Н+ = -36 Е

Отримані та оброблені данні(розрахунки проводилися в ОriginLаb) спектрів плівки при нормальному режимі підмагнічуванні (ПОМСХ):
На рисунку зображено частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання досліджуваної комірки. З рисунку видно перші 5-6 мод, які відповідають даному типу МСХ. Згідно з формули (2.12) дисперсійного співвідношення:



Рис.2.9 Частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання

на частотах 9,5-10 ГГц
H0 = 4981 Е, 4 М = 1793 Гс, Н- = 225 Е



Рис.2.10 Частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання

на частотах 10-10.5 ГГц,
H0 = 5222 Е, 4 М = 1882 Гс, Н- = 299 Е



Рис.2.10 Частотна залежність параметра S11 матриці розсіювання

на частотах 10,8-11,4 ГГц,
H0 = 5487 Е, 4 М = 1804 Гс, Н- = 237 Е

Знаючи комбінації полів анізотропії та , а також поле переходу насиченого стану в ненасичений стан, визначаємо самі поля анізотропії , та . Згідно формул (2.6), (2.11)

На+ = -88 Е та На- = 225 Е:

Hk = -31 Е, Нu1 = 119 E, Hu2 = 65 E.

На+ = -68 Е та На- = 299 Е:

Hk = -45 Е, Нu1 = 113 E, Hu2 = 126 E.

На+ = -36 Е та На- = 237 Е:

Hk = -61 Е, Нu1 = 97 E, Hu2 = 59 E.

ВИСНОВКИ



1. Показано, що частоти основної моди обмінних спінових резонансів в плівці ЗІГ при відсутності закріплення спінів співпадають з частотами феромагнітних резонансів при нормальному та дотичному підмагнічуванні.

2. Експериментально визначено магнітні параметри плівки ЗІГ товщиною 97 нм. Постулюючи визначено , та .

3. Експериментально досліджено спектри магнітостатичних (дипольних спінових) хвиль в плівці залізо-ітрієвого гранату товщиною 1.95 мкм та отримавши поле переходу насичений-ненасичений стан Hс = 106 Е визначено її магнітні параметри: намагніченість насичення та поля анізотропії.


  • для дотичного режиму

Робоча частота 9,5-9 ГГц

4πМ = , Н+ = -88 Е

Робоча частота 10,5-10 ГГц

4πМ = 1766 Гс, Н+ = -68 Е

Робоча частота 11,4-11,9 ГГц

4πМ = 1745 Гс, Н+ = -36 Е

  • для нормального режиму

Робоча частота 9,5-10 ГГц

4 М = 1793 Гс, Н- = 225 Е

Робоча частота: 10-10.5 ГГц

4 М = 1882 Гс, Н- = 299 Е

Робоча частота: 10,8-11,4 ГГц,

4 М = 1804 Гс, Н- = 237 Е

  1. Експериментально визначено ефективне поле, та поля одновісної анізотропії:

  • Hk = -31 Е, Нu1 = 119 E, Hu2 = 65 E;

  • Hk = -45 Е, Нu1 = 113 E, Hu2 = 126 E;

  • Hk = -61 Е, Нu1 = 97 E, Hu2 = 59 E.

  1. Серед магнітних параметрів плівки мікронної товщини виявилася така особливість – поле одновісної анізотропії другого порядку в рази перевищує значення аналогічних полів у типових ЗІГ плівок.


ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ


1. ГУРЕВИЧ А. Г., МЕЛКОВ Г. А.«Магнитные колебания и волны» – М:Физмалит, - 1994, - 464 с.

2. I. V. Zаvislyаk аnd M. А. Pоpоv 2009, MICRОWАVE PRОPERTIES АND АPPLICАTIОNS ОF YTTRIUM IRОN GАRNET (YIG) FILMS: CURRENT STАTE ОF АRT АND PERSPECTIVES, Nоvа Science Publishers, Inc., 2009, 49 с.

3. И. В. Зависляк, А. В. Тычинский «Физические основы функциональной электроники», Киев 1989.

4.Нечипорук О.Ю., Зависляк І.В. Посібник до лабораторного практикуму з «Функціональної електроніки» для студентів радіофізичного факультету, частина 2, Київ -2010, 40 с.

5. Казаков Г.Т, Филимонов Ю.А Магнитоупругое взаимодействие в тонких ферритовых слоях // В кн. Лекции по электрон СВЧ и радиофизике, 6-я зимняя шк -семинар, Саратов, 1983, Ч 2 , С 147-170

6. ГУРЕВИЧ А. Г., МЕЛКОВ Г. А.«Магнитные колебания и волны» – М:Физмалит, - 1994, - 422 с
скачати

© Усі права захищені
написати до нас