Диссертация (Исследование магнитооптических свойств Ni-Mn-содержащих сплавов Гейслера и разбавленных магнитных полупроводников GaMnAs(Sb) и TiO2-V), страница 8

Согласнорасчётам в работе [114],ферромагнитное состояние в полупроводниковых материалах n-типа наоснове оксида титана обеспечивается за счёт замещения ионами ванадияионов титана. Авторы работы [115] показали, что легирование TiO2 ванадием58приводит к появлению уровней в запрещённой зоне полупроводника,которые отвечают за появление магнитного момента в материале. В работе[116] было рассчитано, что суммарный магнитный момент TiO2:V с наличиемкислородных вакансий может достигать значения до 2,47 μB/атом и 3 μB/атомдля структуры анатаза или рутила соответственно.Рис.

2.10.Спектральные зависимости ЭЭК для плёнок Ti1-xCoxO2-δ соструктурой анатаза при х = 0,004; 0,0015 [117].В работе [117] описаны магнитооптические свойства тонких плёнокTiO2:Co с малыми концентрациями кобальта. Для образцов были полученыспектральныезависимостиЭЭК.Посколькуспектрыпринципиальноотличались от спектров для объёмного кобальта или кластеров кобальта вматрице TiO2, был сделан вывод о собственной природе ферромагнетизма врассмотренных образцах.В настоящей работе поставлена задача изучения магнитооптическихсвойств оксидных разбавленных магнитных полупроводников TiO2:V взависимости от концентрации ванадия и метода приготовления с цельювыяснения природы ферромагнетизма.59Глава 3Магнитооптические эффекты и методика измерений§ 3.1. Феноменология магнитооптических эффектов3.1.1.

Магнитооптические эффектыВещества, обладающие спонтаннымнамагниченныевнешниммагнитныммагнитным моментом, илиполемобнаруживаютсвойствадвойного кругового и линейного двупреломления и дихроизма. В такомслучае при взаимодействии света с намагниченным веществом происходитизменение фазы, или интенсивности, или состояния поляризации света. Внекоторых случаях это происходит одновременно [118].Различные изменения поляризованного света при взаимодействии снамагниченным веществом называются магнитооптическими эффектами.Магнитооптические эффекты, возникают в результате взаимодействия междусветом и веществом в магнитном поле. Наличие магнитного поля изменяетдисперсионные кривые коэффициента поглощения и приводит к появлениюили изменению оптической анизотропии.

Магнитооптические эффектыявляются прямым или косвенным результатом эффекта Зеемана, то естьрасщепления энергетических уровней в магнитном поле.Магнитооптические эффекты группируются по различным признакам.Их можно разделить на эффекты, наблюдающиеся в проходящем черезмагнитный кристалл свете и эффекты, наблюдающиеся в отражённом свете.По характеру распространения света относительно вектора намагниченностивыделяют продольные и поперечные эффекты.

По характеру зависимости отнамагниченности образца эффекты бывают квадратичные и линейные [118].В проходящем свете наблюдаются два случая, различающиесянаправлением вектора намагниченности по отношению к направлениюраспространения света: эффект Фарадея и эффект Фохта.60В геометрии Фарадея направление волнового вектора световой волнысовпадает с направлением вектора намагниченности образца. При этом имеетместо вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света(фарадеевское вращение), угол которого пропорционален намагниченности.Наличие поглощения в среде приводит к возникновению эллиптическойполяризации света.В геометрии Фохта направление волнового вектора перпендикулярновектору намагниченности. В этом случаелинейно поляризованный светстановится эллиптически поляризованным, причём величина эффектаквадратична по намагниченности (эффект является чётным).

Кроме того,имеет место магнитный линейный дихроизм.Для исследования оптически непрозрачных образцов используютотражённый свет. В отражённом свете наблюдаются магнитооптичекиеэффекты Керра. Электромагнитная волна проникает в металл на глубинунескольких десятков атомных слоев, а затем, возвращаясь назад, содержитинформацию о магнитном состоянии металла, так и о параметрах егоэлектронной структуры.Магнитооптический эффект Керра был обнаружен шотландскимфизиком Джоном Керром в 1876 году. Он отметил, что, когда плоскополяризованный свет отражается при нормальном падении от полированногополюса электромагнита, он приобретает эллиптическую поляризацию [119].В магнитооптической спектроскопии обычно различают падающий s- ир-поляризованный свет, в котором вектор электрического поля направленилинормально(s-),илипараллельно(р-)плоскостипадения.Магнитооптические эффекты зависят от того, используется s- или рполяризованный падающий свет [120],[121].61a)б)в)Рис.

3.1. Взаимное расположение образца, вектора намагниченности I иплоскости падения света в случае полярного (а), меридионального (б) иэкваториального (в) эффектов Керра.В зависимости от взаимного расположения вектора намагниченности I,плоскости образца и плоскости падения света различают полярный (ПЭК),меридиональный (МЭК) и экваториальный (ЭЭК) эффекты Керра (рис. 3.1).ВекторнамагниченностиIориентированперпендикулярноотражающей поверхности и параллельно плоскости падения в полярномэффекте (рис.

3.1а). Геометрия меридионального эффекта Керра показана нарис. 3.1б. Влияние намагниченности в обоих этих эффектах выражается вповороте плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённоголинейно поляризованного света. Экваториальный эффект Керра (рис. 3.1в)наблюдается, когда вектор намагниченности ориентирован перпендикулярнок плоскости падения света. ЭЭК заключается в изменении интенсивности исдвиге фазы р-компоненты света, отражённого от намагниченного вещества.При переходе от геометрии ЭЭК к геометрии МЭК наблюдается такжеквадратичное изменение интенсивности отраженного от образца света. Этотэффект называется ориентационным магнитооптическим эффектом.Можно показать [122], что при больших значениях диэлектрическойпроницаемости ε величина ПЭК пропорциональна ε-3/2, в то время каквеличины МЭК и ЭЭК пропорциональны ε-2 при аналогичных условиях.Таким образом, геометрия ПЭК предпочтительнее, если нужно получить62большие углы вращения.

ПЭК имеет большое значение для оптическогохранения данных, так как он является основой для считывания информации смагнитооптических дисков. В то же время, для магнитооптическихисследований такая геометрия не всегда удобна, так как не позволяетнамагничивать тонкоплёночные образцы в малых полях. Поэтому в даннойработе применялась геометрия ЭЭК.3.1.2.

Экваториальный эффект КерраВ теории магнитооптических явлений свойства материальной средызадаются видом тензоров диэлектрической и магнитной проницаемостейсреды ˆ и ̂ . В простейшем случае изотропной среды или кубическогокристаллатензорыдиэлектрическойимагнитнойпроницаемостейпредставляют собой антисимметричные тензоры второго ранга с однойкомплекснойкомпонентанедиагональнойотличнаотнулякомпонентой.втензореЕслиˆ ,недиагональнаясреданазываетсягироэлектрической, если в тензоре ̂ , гиромагнитной.Пусть гироэлектрическая среда, намагниченная вдоль оси z (рис. 3.1в),характеризуется тензором диэлектрической проницаемости вида  i  0 ˆ   i  0 ,00  0 (3.1)где    1  i 2 — комплексный магнитооптический параметр среды,пропорциональный её намагниченности, а   1  i 2 .

Тогда при решенииуравнений Максвелла631 BrotEc t rot H  1 Dc tdiv D  0div B  0(3.2)D  ˆE(3.3)и тензорного уравненияможно получить [118] следующую формулу для величины экваториальногоэффекта Керра:TKE  a1  b 2 ,(3.4)гдеа  2sin 2A1B1,b2sin2,A12  B12A12  B12(3.5)A1   2 (21 cos2   1), B1  ( 22  12 ) cos 2   1  sin 2  ,а φ — угол падения света.Из соотношений (3.4) и (3.5) видно, что величину ЭЭК удобноиспользоватьприрасчётенедиагональныхкомпоненттензорадиэлектрической проницаемости. Зная действительную и мнимую части егодиагональных компонент ε1 и ε2, а также измерив значения ЭЭК при двухуглах падения φ, можно получить систему уравнений вида (3.4) длявычисления величин ε1' и ε2'.Оптические переходы в твёрдом теле вносят свой вклад в компонентытензора диэлектрической проницаемости.

Следуя Аргиресу [123], вклад вкомпоненты тензора диэлектрической проницаемости за счёт межзонныхпереходов можно записать в виде:(3.6)64где σ — спин (знаки «+» и «–» указывают направление спина), m и n —свободные и занятые состояния. Таким образом, поведение компоненттензора определяется величиной матричных элементов и межзоннойплотностью состояний:(3.7)где fmn — межзонная сила осциллятора, а S — изоэнергетическаяповерхность, определяемая условием:ħω = Em (k) – En (k) .(3.8)В критических точках ∇(Em – En) = 0, т.е. наличие особенностей вэлектронномэнергетическомспектральныхспектрезависимостяхприводиткомпонентктензораособенностямвдиэлектрическойпроницаемости. А поскольку вид магнитооптических спектров (в т.ч.спектровЭЭК)зависитоткомпоненттензорадиэлектрическойпроницаемости, то в магнитооптических спектрах также должны появлятьсяособенности [3].Величина ЭЭК является нечётной по намагниченности.

Поэтому оншироко используется для магнитных исследований, в частности, длянаблюдения магнитных доменов на поверхности намагниченного образца.Крометого,этотэффектпозволяетсоздатьконструкциюзеркал,намагниченных в поперечном направлении, вместо невзаимных оптическихустройств [3].653.1.3. Теоретическое описание магнитооптических свойств гранулированныхматериаловВ гранулированных материалах зависимость величины ЭЭК отнамагниченности является более сложной. Для теоретического описаниямагнитооптических свойств гранулированных материалов был разработанметод, основанный на приближении Максвелла — Гарнетта [124].

В теорииМаксвелла — Гарнетта рассматривается взвесь сферических частиц металласдиэлектрическойдиэлектрическойприближения,проницаемостью ,1 xx,1   xx,1  i xx ,2 .проницаемостью  xx, 2   xx, 2  i xxдлясферических частицуравнениеВдлявсредесрамках этогоэффективнойпроницаемости  xx ,МГ имеет вид: xx ,МГ   xx ,2  f xx ,1 xx ,2  0, xx,МГ  2 xx ,2 xx,1  2 xx ,2(3.9)где f  a 3 b 3 — объёмная концентрация магнитной компоненты, a и b —радиусы, соответственно, внутренней сферы (частицы металла) и внешнейсферы (частицы диэлектрика), см. рис.