Диссертация (Магниторефрактивный эффект и магнитооптические эффекты как бесконтактный метод исследования наноструктура)

МИНОБРНАУКИ РОССИИФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования"Московский государственный технический университет радиотехники,электроники и автоматики"МГТУ МИРЭАНа правах рукописиЮрасов Алексей НиколаевичМагниторефрактивный эффект и магнитооптическиеэффекты как бесконтактный метод исследованиянаноструктурСпециальность:05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектахДиссертацияна соискание учёной степени докторафизико-математических наукМосква – 20141СОДЕРЖАНИЕСодержание2Список основных сокращений6Введение7Глава 1.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ191.1Магнитооптические эффекты1.2Методы эффективной среды в оптике и магнитооптике19дисперсных сред251.2.1 Определение методов эффективной среды.281.2.2 Приближение Максвелла-Гарнетта.311.2.3 Приближение Бруггемана (EMA).331.2.4Симметризованное приближение Максвелла-Гарнетта(СМГ).

311.2.5 Размерный эффект в оптических спектрах.361.2.6 Расчет полного тензора диэлектрической проницаемости вприближениях МГ, EMA и СМГ.1.339Оптические и магнитооптические спектры магнитныхнанокомпозитов451.4Магниторефрактивный эффект в наноструктурах551.5Магниторезистивный эффект в приборахнаноэлектроники. Возможности бесконтактного измерениямагнитосопротивления.71Глава2.МАГНИТОРЕФРАКТИВНЫЙНАНОКОМПОЗИТАХЭФФЕКТВ7422.1ОсобенностичастотнойзависимостиМРЭнанокомпозитов.для742.2 Теория МРЭ в нанокомпозитах.

Модель полубесконечногопространства и бесконечно тонкой пленки.792.3 Зависимость МРЭ при малых углах падения света отмагнитосопротивления нанокомпозита. МРЭ как бесконтактныйспособ измерения магнитосопротивления нанокомпозита.832.4 Сравнение рассчитанного эффекта с экспериментальнымиданными.882.5 Выводы к Главе 2.Глава3.97МАГНИТОРЕФРАКТИВНЫЙЭФФЕКТМАНГАНИТАХВ983.1 Теория МРЭ в манганитах без учета частотной зависимостипроводимости.983.2 Возможности усиления МРЭ в магнитофотонном кристалле.983.3 Теория МРЭ в манганитах в рамках двухфазной моделипроводимости.1073.4 Выводы к Главе 3.114Глава 4.

МАГНИТООПТИКА НАНОКОМПОЗИТОВ31154.1 Влияние размерного эффекта на диагональные инедиагональные компоненты тензора диэлектрическойпроницаемости.1154.2 Учет конфокальности эллипсоидальных частиц эффективнойсреды.1184.3 Расчет магнитооптических спектровнанокомпозитов с учетом размерного эффекта.1204.4 Выводы к Главе 4.129Глава 5.

ОСОБЕННОСТИ МАГНИТОПРОХОЖДЕНИЯ ИМАГНИТООТРАЖЕНИЯНАНОСЛОЯХ.ВМЕТАЛЛИЧЕСКИХОСОБЕННОСТИМАГНИТООПТИЧЕСКИХОПТИЧЕСКИХСПЕКТРОВГИБРИДНЫХМУЛЬТИСЛОЕВ.5.1РасчетыИ130магнитопрохожденияимагнитоотраженияметаллических нанослоев Fe/Cr.1315.2 Оптические спектры гибридных мультислоев CoSiO25.3Магнитооптическиеспектрыгибридных136мультислоевCoSiO21415.4 Выводы к Главе 5.146Глава 6. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОИМПЕДАНС ВНАНОКОМПОЗИТАХ6.1 Особенности148магнитопрохождения в нанокомпозитах ввысочастотной области14846.2Расчетмагнитопрохождениявнанокомпозитахвысочастотной области в рамках теории МРЭ.бесконтактныйспособизмерениявМРЭ какмагнитосопротивлениянанокомпозита1526.3 Выводы к Главе 6.159Глава 7.

ТЕРМОЭДС В МАГНИТНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ1607.1Термоэдситуннельнаятермоэдсв магнитныхгранулированных сплавах.7.2160Формула для полевой зависимости термоэдс. Анализполученных результатов для магнитных нанокомпозитов.1657.3 Выводы к Главе 7.169ЗАКЛЮЧЕНИЕ170Список опубликованных по теме диссертации работЛИТЕРАТУРА1741835Список наиболее часто используемых сокращений:магниторефрактивный эффект – МРЭмагнитосопротивление -МСаномальный эффект Холла - АЭХтензор диэлектрической проницаемости - ТДПмагнитооптический – МОмагнитооптический эффект - МОЭразмерный эффект - РЭэкваториальный эффект Керра - ЭЭКприближение Максвелла-Гарнетта -МГприближение Бруггемана - EMAсимметризованное приближение Максвелла-Гарнетта – СМГ6ВВЕДЕНИЕАктуальность работыВажнойиинтереснойзадачейявляетсяисследованиемагнитооптических эффектов (МОЭ) в различных средах. Можнорассматривать МОЭ как на отражении (МОЭ Керра), так и напрохождении (МОЭ Фарадея и Фохта). Изучение данных эффектовпозволяет исследовать структуру различных магнитных материалов,осуществлять поиск новых перспективных материалов с заданнымисвойствами, разрабатывать методы оптической спектроскопии,интерпретировать экспериментальные результаты, а также вноситвклад в решение фундаментальной задачи описания взаимодействияэлектромагнитногоизлучениясвеществом.Рядматериаловобладают большой магнитооптической активностью и одновременнозначительным магнитосопротивлением (МС).

К таким материаламотносятся магнитные нанокомпозиты и манганиты. Получениеоднозначной зависимости между МОЭ и МСдает возможностьиспользовать данные материалы для измерения МС, т.е. МОЭ могутиспользоваться как бесконтактный метод измерения МС[1].Кнастоящемутеоретическоевремениописаниеотсутствоваломагнитооптических,последовательноеатакжерядаоптических свойств магнитных нанокомпозитов и манганитов.7Магнитные нанокомпозиты представляют собой неоднородныемагнетикивкоторыхферромагнитныечастицы,близкиекоднодоменным, помещены в металлическую или диэлектрическуюматрицу. Наличие в таких системах гигантского и туннельногомагнитосопротивления, гигантского аномального эффекта Холла,большой магнитооптической активности, аномального оптическогопоглощения [1-12] и др. представляет как фундаментальный, так ипрактический интерес.Магнитные гранулированные сплавы находят применение всредах для магнитной записи, в том числе с магнитооптическимсчитываниеминформации.Онииспользуются,каквысокочувствительные магниторезистивные датчики и миниатюрныемагнитосчитывающиемодуляторысвета,электрохромныеголовки,селективныеприемникидисплеитепловогоусилителиизлученияПринципиальным[13-24].ииотличиемнанокомпозитов от гранулированных систем металл-металл являетсяналичиепереходаметалл-диэлектрикприопределеннойконцентрации металла, называемой порогом перколяции.Вблизиэтого перехода кардинально меняются все свойства нанокомпозитов.Наличиетуннельныхконтактоввблизипорогаперколяции,классического и квантового размерного эффекта приводит кмногообразию наблюдаемых эффектов.8Наряду с трехмерными нанокомпозитами металл-диэлектрик,большойинтереспредставляютферромагнитныйметаллферромагнитныйметалл–трехмерныенемагнитный–системыполупроводникантиферромагнетик,аитакжеквазидвумерные гибридные мультислои, в которых ультратонкиеслои нанокомпозитов разделены диэлектрическими прослойками.Манганиты представляют собой перспективные материалы синтереснымииважнымидляпрактическихпримененийсвойствами[25-33].

В частности, для целого ряда этих материалов вближней ИК области спектра обнаружено значительное изменениекак пропускания [25], так и отражения [26] света при ихнамагничивании.Однимизновыхмагниторефрактивныйиинтересныхэффект(МРЭ).МОЭявляетсяПервоначальноонрассматривался, как изменение коэффициента рефракции (n) вмагнитном поле. В настоящее время в связи с возросшим интересомк неоднородным магнитным материалам, к которым относятся имагнитные нанокомпозиты, и манганиты и сложностью определениякоэффициентов рефракции и энстинкции(k) МРЭ определяют какизменение коэффициента отражения или прохождения в магнитномполе.МРЭпредставляетмагнитосопротивления(МС)собойи9высокочастотныйзаключаетсяваналогизменениикоэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волндляобразцовсгигантским,туннельныммагнитосопротивлениемприособенностьюэффектапримененияданноговразличныхкачествеилинамагничиванииявляетсябесконтактногофункциональныхколоссальным[27].Важнойвозможностьметодаегоисследованияматериалов,элементовмикроэлектроники и сенсоров [1].В данной работе проведено теоретическое исследование МРЭ внанокомпозитах и манганитах, исследовано магнитопропускание имагнитоотражение многослойных наноструктур в рамках теорииМРЭ, а также развит подход теории эффективной среды для изученияоптическихимагнитооптических(МО)спектровмагнитныхнанокомпозитов в видимой и ИК области спектра.

Проведенныеисследования позволяют рассматривать МРЭ, как бесконтактныйметод исследования МС любых элементов спинтроники и фотоники.Также данный метод может быть использован длятолщиныактивногоэлементаидефектовопределениянаноструктур.Исследования МО эффектов важны, так как МО методы позволяютосуществлять МО запись, голографию, МО контроль MRAM,сенсоров, а также исследование многослойных материалов длястеллс-технологий.10Также в данной работе проведено теоретическое исследованиеоптическихимагнитооптическихсвойствферромагнитныхнанокомпозитов и систем на их основе, типа гибридных мультислоев(слои металла и диэлектрика), а также проведено объяснение рядаэкспериментальных данных полученных на кафедре магнетизмаМГУ и в Институте Физики Металлов УроРАН [34-39].Цель работы- теоретическое изучение магниторефрактивногоэффекта и магнитооптических эффектов, как бесконтактного методаисследованиянаноструктур,вчастностиизмерениямагнитосопротивления.Для достижения поставленной цели решался следующийкомплекс научных задач:1.Длямагнитныхнанокомпозитовпостроенатеориямагниторефрактивного эффекта.