Диссертация (Магниторефрактивный эффект и магнитооптические эффекты как бесконтактный метод исследования наноструктура), страница 10

Главу 2)[8, 107]. Еслисчитать,чтоизменениеобъемовферромагнитнойиантиферромагнитной фаз при намагничивании манганитовсколоссальным МС не зависит от частоты , что вполне оправданно вкачестве главного приближения,то тогда и в этом случаедлядействительной части оптической проводимости (,Н) (=0,Н).Поэтому в главном приближении для описания (,H) в манганитахнезависимосоотношениеотконкретного(,Н)механизма(=0,Н)иМСиспользуетсясоответствующиеэтомувыражения для МРЭ (см. Главу 2)[ 8, 107].Стоит отметить, что конкретный выбор модели частотнойзависимости (,Н) важен для количественного анализа МРЭ.Расчет МРЭ выполнен для пленок манганитов составаLa0.67Sr0.33MnO3 по методике, подробно описанной в [8, 107].Оптические данные были рассчитаны по формулам Френеля изэкспериментальныхданныхпокоэффициентуотраженияипрохождения света при комнатной температуре, полученных вработах [140, 141]. Толщина пленки манганита принималась равной300 нм.

Расчет T / T и R / R выполнен в диапазоне энергий 0.15-0.9эВ в магнитном поле до 10 кЭ, причем полевая зависимость МСопределялась по литературным данным [25].99Получено, что в соответствии с экспериментальными даннымиT / T и R / R практически линейно зависят от величины МС, что иявляется основным признаком МРЭ.

Вывод о линейной корреляциимежду T / T (или R / R ) и МС относится исключительно к полевымзависимостям, а зависимости МРЭ и МС от концентрационногосостава манганитов, температуры, условий изготовления могутотличаться значительно, так как МРЭ определяется не только МС, нои оптическими параметрами. В исследованном диапазоне длин волнпри низких температурах T / T при величине МС 20% можетдостигать 20-40 %, что согласуется с данными работы [140].Результаты расчета спектральной зависимости T / T при величинеМС 7% и 3% , что имеет место в поле 8 кЭ при 80 K и 290 K,соответственно, приведены на рис. 3.1 и находятся в количественномсогласиисэкспериментом100[25].1412T/T.%1086420,20,40,60,8E,eVРис.

3.1 Cпектральная зависимость T / T для пленок манганитов составаLa0.67Sr0.33MnO3 (толщина пленки 300 нм). Сплошная линия –результаты расчетапривеличине магнитосопротивления 7% (T=80 K), пунктирная линия –результаты расчета при величине магнитосопротивления 3% (T=290 K).Результаты расчета спектральной зависимости R / R при техже параметрах представлены на рис. 3.2.Полученные результаты для R / R качественно согласуются срезультатами работы [26]. Учитывая, что в работе [26] исследовалисьпленки манганитов хотя и близкого, но другого состава, для которыхоптические параметры могут значительно отличаться, такое попорядку величины согласие можно считать удовлетворительным.1011,00,80,60,40,20,0R/R,%-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0-1,2-1,4-1,6-1,80,20,40,60,8E,eVРис.

3.2 Cпектральная зависимость R / R для пленок манганитов составаLa0.67Sr0.33MnO3 (толщина пленки 300 нм). Сплошная линия –результаты расчетапривеличине магнитосопротивления 7% (T=80 K), пунктирная линия –результаты расчета при величине магнитосопротивления 3% (T=290 K).Таким образом, полученные результаты указывают на то, чтонаблюдаемыедляманганитовзначительныеэффектымагнитопропускания и магнитоотражения могут рассматриваться,как МРЭ.1023.2 Возможности усиленияМРЭ в магнитофотонномкристалле.Вработе[142]былопоказанонапримерепленокнанокомпозитов, что если материал, обладающий МРЭ, поместить вМФК в качестве встроенного дефекта, то магнитоотражение можетбыть усилено.

Рассмотрим теперь в какой степени магнитоотражениеи магнитопропускание света может быть усилено в фотонномкристалле, содержащем пленку манганита в качестве дефекта.Nеоретически исследовались и оптимизировалисьдве схемыодномерного магнитофотонного кристалла (МФК) -симметричнаясхема (SiO2/Ta2O5)x6/ La0.67Sr0.33MnО3/(Ta2O5/SiO2)x6в случаеотражения и прохождения света, а антисимметричная схемаSiO2/Ta2O5)x6/ La0.67Sr0.33MnО3/(Ta2O5/SiO2)x12 только в случаеотражения, так как пропускание этой системы пренебрежимо мало.В качестве конструкционных материалов МФК использованыдиэлектрики, толщины которых подобраны так,чтобы создатьзапрещенную зону в исследуемом диапазоне длин волн   2250  4500нм.Оптимизацияструктурысцельюопределенияусловиймаксимального МРЭ и одновременно максимально возможногоотражения или прохождения света выполнялась для двух длин волн λ= 2480 нм и λ = 4130 нм, для которых в пленке манганитанаблюдаетсязначительный МРЭ, а поглощение существенно103отличается.Если центр запрещенной зоны соответствуетдлиневолны λ = 2480 нм, то d(SiO2) = 300 нм, d(Ta2O5) = 420 нм; а длядлины волны λ = 4130 нм d(SiO2) = 600 нм d(Ta2O5) = 580 нм.

Вкачестве дефекта фотонный кристалл содержит тонкую пленкуLa0.67Sr0.33MnO3,приэтомвпроцессевычисленийтолщинаварьировалась от 50 нм до 400 нм. Очевидно, что при помещениидефекта в фотонный кристалл запрещенная зона меняется, чтопроявляется в смещении пика спектральной зависимости МРЭотносительно центра запрещенной зоны.

Оптические параметрыманганита рассчитаны из экспериментальных данных [140,141,143], аих изменение при наложении внешнего магнитного поля рассчитаносогласно теории МРЭ, изложенной в [8, 107]. В магнитном полеН=8 кЭ для пленки манганита рассматриваемого состава прикомнатной температуре МС составляет 7%и в результатеполучается: для длины волны λ = 2480 нм n(H=0) = 2,4797, n(H) =2,5271, k(H=0) = 1,7744, k(H) = 1,83307; для длины волны λ = 4130нм n(H=0) = 2,5927, n(H) = 2,63865, k(H=0) = 1,9287, k(H) = 1,9907.Вычисления проводились методом М-матриц [142, 27]. Спомощью компьютерного моделирования удалось показать, что впостроенной асимметричной структуре возможно усиление эффектана отражении до 25% (рис.3.3) при коэффициенте отражения ~ 0,7%,хотя и в несколько меньшей степени чем в случае МФК с пленками104нанокомпозитов, где эффект усиливался до 60% [142].

Это связано стем, что в рассматриваемом диапазоне длин волн La0.67Sr0.33MnO3обладает большим поглощением,играющем определяющую рольпри усилении МРЭ в МФК. Это подтверждается и тем, что придлине волны 4130 ни, которому соответствует большее поглощение,усиление эффекта еще ниже.В симметричной схеме удалось добиться гораздо болеезначительного усиления: МРЭ на отражениидостигает 95% прикоэффициенте отражения 0,1% и -47% при коэффициенте отражения1,5%.

Согласно Рис. 3.3 в резонансной области величина эффектаменяет знак, что аналогично результатам работы [142] и связано сосменой знака изменения коэффициента отражения с полем [142].Несмотря на большое магнитопропускание пленок манганитов,добиться усиления эффекта на прохождении света в МФК всимметричной схеме микрорезонатора не удалось - на прохождениивеличина эффекта стремится к величине для тонкой пленкиманганита. Очевидно, это связано со значительным поглощениемсвета, характерным для рассмотренных составов.10510090807060MRE, %50403020100-10-20-30-40-5030003100320033003400350036003700380039004000nmРис. 3.3 Магниторефрактивный эффект магнитофотонного кристалла столщиной дефекта 300 нм, рассчитанный на отражении на длине волны 4130 нм.Пунктирная кривая соoтветсвует антисимметричной схеме, сплошная –симметричной схеме.Таким образом проведенные расчеты показали, что эффектымагнитопропускания и магнитоотражения в манганитах являютсяпроявлениями МРЭ.

Надо отметить, что расчеты выполнены впростой модели и не учитывают всеособенности электронногопереноса в манганитах на оптических частотах. Тем не менее,результатырасчетовнакачественном106уровнесоответствуютполученным экспериментальным данным.композиционногосоставаприДля рассмотренногокомнатнойтемпературемагнитоотражение тонких пленок манганитов того же порядка, что идля нанокомпозитов с туннельным МС, но магнитопропусканиезначительно больше. В МФК, содержащих пленку манганита вкачестве дефекта, магнитоотражение возрастает до рекордныхзначений, превышающих ранее полученные результаты для МФК спленками нанокомпозитов.

Но добиться значительного усилениямагнитопропускания в МФК с пленками манганитов не удается всилу значительного поглощения света. Поэтому, для разработкимагнитооптических модуляторов света в режиме пропускания светанеобходима дальнейшая работа по уменьшению поглощения,увеличению МС и уменьшению управляющего магнитного поля.3.3 Теория МРЭ в манганитах в рамках двухфазноймодели проводимости.В самомобщем случаепри исследовании манганитовнеобходимо учитывать изменение объемов фаз под действиеммагнитного поля и температуры.Была развита теория МРЭ в кристаллах и пленках манганитовсиспользованиемметодовэффективнойсреды,считаячтоманганиты состоят из низко- и высокорезистивной фазы с объемной107концентрацией фаз зависящей от величины, прикладываемогомагнитного поля.Примоделировании рассматривались полубесконечныекристаллы La0.7Ca 0.3MnO3 и тонкие пленки такого же состава, но сразной толщиной, при этом использовались экспериментальныеданныепо La0.7Ca0.3MnO3 [29-32].

Изучались температурные испектральные изменения эффектов на магнитоотражение имагнитопрохождение. Таким образом,считая что манганитыLa0.7Ca0.3MnO3 состоят из низко- и высокорезистивной фазыобъемнойконцентрациейзависящейотсвеличины,прикладываемого магнитного поля, все расчеты проводились врамках теории эффективной среды [33]. МРЭ (R/R) для кристаллаLa0.7Ca0.3MnO3 был рассчитан с разными значениями форм-факторачастиц среды – для сферических(L=0.33), и для двух значенийэллипсоидальных (L=0.2) и (L=0.4) (Рис. 3.4). Было получено, чтоформ-фактор оказывает сильное влияние на МРЭ.108L=0.2L=0.33L=0.44,03,53,0R/R,%2,52,01,51,00,50,00510152025мкмРис. 3.4Рассчитанный МРЭ (R/R) для кристалла La0.7Ca0.3MnO3(y=0.13,T=250 K, магнитное поле H=3 кЭ) для различных форм-факторов L (L=0.2сплошная линия, L=0.33-пунктир, L=0.4-точки)Частотно-зависимая проводимость двухфазных образцов вмагнитном поле из уравнений теории эффективной среды можетбыть записана как: ( 1  y ) 2  y 1  L(  1   2 )  4 1 2 ( 1  L ))1 / 2  ,1  ( 1 2( 1  L )( 1  y ) 2  y 1  L(  1   2 ) (  ,H )  (3.1)где σ2 и σ1 проводимости низко- и высокорезистивной фазы,соответственно, y объемная доля высокопроводящей фазы внамагниченных образцах, L-форм-фактор.