Диссертация (Магниторефрактивный эффект и магнитооптические эффекты как бесконтактный метод исследования наноструктура), страница 14

Использование методаэффективной среды для квазидвумерного ферромагнитного слоя имакроскопической френелевской магнитооптики для ультратонкихслоев носит исключительно качественный характер.144Рис. 5.6 Рассчитанные магнитооптические спектры экваториального эффектаКерра для бислоев (x=0.4, L= 0.2; l = 1.8нм): Rs/Rbulk =3; (2) Rs/Rbulk =1.5;(3) Rs/Rbulk =0.При этом выполненные расчеты позволяют воспроизвести основныечерты поведения магнитооптических спектров бислоев и понять, чтонаблюдаемые аномалии связаны в основном с близостью составаферромагнитных слоев к порогу перколяции (Рис.

5.6). Как показалирасчеты, вблизи порога перколяции сильно изменяются какоптические, так и магнитооптические параметры системы.1455.4 Выводы к Главе 5.•1. Выполнены модельные расчеты магнитопропускания имагнитоотражениямногослойнойплёнки,состоящейизнанослоёв Cr и Fe в рамках теории магниторефрактивногоэффекта. Показано, что наряду с толщиной большое влияниекакнавеличину,магнитопропусканиятакииспектральнуюзависимостьмагнитоотражения,оказываетэффективное время релаксации, плазменная частота и параметрспиновой асимметрии. Доказано, что даже для тонких пленок,обладающих незначительным магнитосопротивлением (МС),эффекты магнитоотражения и магнитопропускания превышаюттрадиционныемагнитооптическиеэффекты(например,экваториальный эффект Керра в ферромагнетиках), чтообусловливает перспективность этих новых эффектов длясоздания устройств магнитофотоники.2. Расчетыоптическихимагнитооптическихспектровгибридных систем обосновали, что аномально высокоеоптическое поглощение и высокая магнитооптическаяактивность в гибридных мультислоях связаны с близостью146композиционного состава слоев к порогу перколяции иналичием интерференции.147Глава 6.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МАГНИТОИМПЕДАНС ВНАНОКОМПОЗИТАХВ частотном диапазоне 30-50 ГГц исследован коэффициентпрохождения электромагнитных волн через пленки магнитныхнанокомпозитов ”ферромагнитный металл-диэлектрик”, обладающихтуннельным магнитосопротивлениеми магниторефрактивнымэффектом. Рассмотрены случаи, когда образцы находятся вблизи ивдали ферромагнитного резонанса.6.1Особенностимагнитопрохождениявнанокомпозитах в высочастотной областиВысокочастотныесвойстваметаллическихмультислоев,обладающих гигантским магнитосопротивлением, исследованы вдостаточно широком диапазоне частот [157-162]. Намагничиваниемультислоев приводит не только кзначительному уменьшениюсопротивления, но и к изменению диэлектрической проницаемостичто приводит к тому, что импеданси оптические свойствамультислоев зависят от магнитного поля.

Для оптических частотэтот эффект был назван магниторефрактивным [162] (см. Главы 2-5) ,адлярадио-илиСВЧдиапазона-высокочастотныммагнитосопротивлением или магнитоимпедансом [157-161]. Следуетожидать, что аналогичные эффекты должны иметь место и всистемах со значительным магнитосопротивлением любого типа,148включая системы с туннельным магнитосопротивлением (ТМС).

Ксистемам с ТМСотносятся нанокомпозиты ”ферромагнитныйметалл-диэлектрик”сперколяции,содержаниемметаллапорогамагнитные трехслойные и многослойные системы стуннельными барьерами. Исследованиеэтихвблизисистемвысокочастотных свойствпозволит выявить механизмы спин-зависящеготуннелирования, определить частотную дисперсию проводимости,проверить недавно высказанные предположения о магнитоемкости[163],обосноватьработоспособностивозможныйэлементовчастотныйспинтроники,диапазонбазирующихсянасистемах с ТМС (например, спиновые фильтры, МRАМ, магнитныесенсоры), а также найти новые возможные применения [162].Выполненные исследования магниторефрактивного эффекта (МРЭ)в нанокомпозитах в ближней ИК области спектра на отражении[107,162,164]подтвердилисуществованиеспин-зависящеготуннелирования вплоть до оптических частот.

Экспериментальномуисследованию особенностей прохождения электромагнитных волнмиллиметрового диапазона (30-50 ГГц) через пленки магнитныхнанокомпозитов ”ферромагнитный металл-диэлектрик”, обладающихТМСбылапосвященаработа[165].Вкачествеобъектовисследования были выбраны пленки нанокомпозитов различногокомпозиционногосоставас149содержаниемметаллавнепосредственной окрестностипорога перколяции. Методикиизготовления и структурной аттестации образцов даны в работах[107,164]. Состав, объемное содержание металла x , толщина пленокd, сопротивление  в остаточном состоянии (H=0), параметр ТМС=  H  0    H   H  0R R  H  0   R  H ,RR  H  0ипараметрМРЭизмеренные в полеотносительные изменениянаотраженииH=1.5 кЭ,а такжезначения коэффициента прохожденияD D  H  0   D  H при том же поле H=1.5 кЭ на частоте 44 ГГцDD  H  0приведены в Табл.1 [165].

Так как коэффициент отражения R наоптических частотах и МРЭ сильно зависит от частоты света , то вТабл.1 приведены для каждого состава максимальные значения МРЭпри соответствующей частоте, взятые из работ [164, 165]. В Табл.1также приведены значения ТМС в поле 10 кЭ и для упрощенияпренебрегается небольшим отличием значений соответствующихпараметров в нулевом внешнем поле и в состоянии с нулевойнамагниченностью (имеющем место в поле равном коэрцитивнойсиле). Все измерения были выполнены при комнатной температурепри поле ориентированном в плоскости пленок [165].Коэффициент передачи D электромагнитных волн нанокомпозитовв диапазоне 30-50 ГГц и его относительное изменение при150намагничиванииD,Dкотороеможномагнитоимпеданса на прохождении,открытогорезонатора,подробноназватьпараметромизмерялся по методикеописаннойвработе[161].Экспериментально также исследовался ферромагнитный резонанс(ФМР) в указанных образцах в в полях до 20 kOe , при этом длядиапазона частот 30-50 ГГц ФМР наблюдается в полях не менее 8kOe, то естьизмерениямзначительно более сильных, чем соответствующихD[165].DИз результатов проделанных экспериментальных измеренийDDбыл сделан ряд выводов: a) для нанокомпозитов Co51.5Al19.5O29 иCo50.2Тi9.1O40.7 имеют место значительные изменения коэффициентапрохождения при намагничивании, причем величина параметрамагнитоимпедансаDимеет порядок величины ТМС; б)сравнениеDполевых зависимостейDи ТМС однозначно свидетельствует о том,Dчто найденный эффект является, как и следовало ожидать, частотныманалогом ТМС [165].151Таблица I.NСоставыd, ρ / ρ  ρ / ρ (%) D/D(%)m(%)образцов,% - объемныеρ,= = 44 GHz Оmсm R/R(%)H=H=10к 1.5кOeH=1.5H=1.5OeкOeкOe(, cm-1)1Co51.5Al19.5O291.91 9.25.082.282.91052Co50.2Тi9.1O40.72.02 5.82.421.66.11063Co52.3Si12.2O35.51.67 4.12.99не найден 4.510811.32не найден ~ 1094.Co0,4Fe0,6)48(MgF)526.213-0.9(1100)-0.7(1030)+0.7(1300)-1.3(1000)Расчет магнитопрохождения в нанокомпозитах ввысочастотной области в рамках теории МРЭ.

МРЭ какбесконтактный способ измерения магнитосопротивлениянанокомпозитаИмпедансныйметоддаетвозможностьрассчитатькоэффициент прохождения в виде[27]:D2Z 2 Z2Z 2 Z ch k2 d  Z 2 2  Z 2 sh k2 d,(6.1)где Z 2 =   -импеданс нанокомпозита, k2  i ( 2 2 )1/ 2 - волновое  1/ 2число. При расчете импеданса важно учесть, что нанокомпозиты152вблизи порога перколяции (x  xc) являются высокорезистивнымисистемами,ссопротивлениемна7-10порядковбольшесопротивления обычных металлов, и что их сопротивление сильно,нанесколькопорядков,увеличиваетсяприпереходеотметаллической проводимости (x  xc) к режиму туннелирования ипрыжкового переноса (x  xc).Как и в работе [160], можно пренебречь отличием волновогосопротивлениядиэлектрическойподложкиотволнового1/ 2 сопротивления свободного пространства Z=  0  .

На СВЧ частотах 0 вдали от области ФМР можно считать, что магнитная проницаемостьнанокомпозита2  0 ,аввыражениидлякомплекснойдиэлектрической проницаемости2  2  i  ,(6.2)второе слагаемое в рассматриваемом случае порядка или меньшепервого.

Тогда, рассматривая предельный случай когда   2является малым параметром, получаем из (6.1) :          D  exp[i d  d]  exp[i d ] 1  dcc 2 2c  c 2 2 D D  H   D  H  0  1 d 1 ,DD  H  02 c 2  ,(6.3)(6.5)где пренебрегли возможной частотной зависимостью проводимости,считая что   , H   1 H , при этом:153 1 p2 2  i,(6.6)где  - частота,  - параметр релаксации,  p - плазменная частота.  1Данная формула получена из формулыпроводимости по Друде-Лоренцу.параметры p =3.6(экспериментальнаяэВ,4 ( )i с учетомБыли рассмотрены следующие =0.1частота)[39],Эв,f тогда=442109Hzдиэлектрическаяпроницаемость   1295  i90000. Диэлектрическая проницаемостьнанокомпозита рассчитывалась в рамках теории эффективной среды[12], при этом было показано, чтоиD  H зависит от отношения ReDIm, но пратически не зависит отзначений этих величин поотдельности.Изменение коэффициента прохождения в магнитном полепредставленонаРис.6.1(вдалирезонанса(ФМР)) и Рис.

6.2 (вблизи ФМР).154отферромагнитного50454035D/D3025201510500510152025303540/,%Рис. 6.1. Относительное изменение коэффициента прохождения взависимостиот магнитосопротивления ( (, H)=1,  (, H=0)= -50-6000i, f= 44GGz)сплошная линия - d=3 μm; пунктир- d= 1 μm; точки- d= 0.5 μm )155100908070D/D,%60504030201000510152025303540Рис. 6.2 Относительное изменение коэффициента прохождения в магнитномполеот магнитосопротивления (, H)1 зависимости(Re  (, H) =5, =-50-6000i, d= 3 μm (нанокомпозит), квадраты- Im (,H)=1000;звездочки- Im  (, H)=100;кружки- Im  (, H) =10)156Расчетыпоказали,чтоотносительноеизменениекоэффициента прохождения может возрастать до 100% в сильныхполях и при больших значениях мнимой части   , H  вблизиферромагнитного резонанса(ФМР) (Рис.

6.2). В этом случаеD(H)/D(0)<<1,чтосвязаноссильнымпоглощениемвнанокомпозитах. Все расчеты производились при нормальномпадении, при этом результаты расчетов справедливы вплоть до угловв 100.Необходимо отметить, что сделанные приближения достаточногрубы для количественного описания, так как параметр  для 2первых двух составов Табл.1 не является малым. Нельзя исключать ичастотную зависимость проводимости (см.