Исследование релаксационной и нелинейной динамики магнитных и магнитоупругих колебаний пленок и частиц

На правах рукописиВласов Владимир СергеевичИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОЙ И НЕЛИНЕЙНОЙДИНАМИКИ МАГНИТНЫХ И МАГНИТОУПРУГИХКОЛЕБАНИЙ ПЛЕНОК И ЧАСТИЦ01.04.07 – физика конденсированного состоянияАвторефератдиссертации на соискание учѐной степеникандидата физико-математических наукМосква - 2007Работа выполнена на кафедре радиофизики и электроники Сыктывкарского государственного университетаНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Котов Леонид НафанаиловичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Грановский Александр Борисовичдоктор физико-математических наук,профессор Бучельников Василий ДмитриевичВедущая организация:Институт радиотехники и электроники РАНЗащита состоится «____»2007 года вчасов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, г. Москва, Воробьевы горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория__________С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» ________________ 2007 года.Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наук2И.А.

НиканороваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В последнее время в связи с интенсивнымизучением нелинейных свойств магнитных систем и возможностьюполучения высококачественных тонких плѐнок и других наноразмерных магнитных объектов открываются возможности создания новыхматериалов для компактных ВЧ и СВЧ устройств, работающих в нелинейных режимах.

Корректное описание поведения магнитных системневозможно без учѐта диссипативных процессов в них [1]. Поэтому внастоящее время исследование нелинейной магнитной и магнитоупругой динамики и еѐ релаксационных особенностей в тонких плѐнках ичастицах является перспективным направлением. Актуальность исследования связана также с возможностью разработки акустического усилителя, работающего на электромагнитной накачке, на основе магнитострикционного эффекта. Другим не менее перспективным направлением, является исследование динамических и релаксационных свойствнанокомпозитных магнитных пленок с заданными свойствами.

Уникальность поведения таких плѐнок состоит в сильной зависимости ихсвойств от наноструктуры, которая определяется составом, температурой отжига и т.д. [2-4]. Нанокомпозитные плѐнки являются новымиматериалами, которые, обладая необычными свойствами, могут найтиширокое применение в радиотехнике и микроэлектронике. Очень важным, поэтому, является исследование влияния внешних воздействийна релаксационные и нелинейные свойства нанокомпозитных материалов и ансамблей частиц, составляющих элементы наноструктурыэтих материалов.Современные энергонезависимые магнитные накопители информации характеризуются гигантской плотностью записи и малымвременем доступа, причем с каждым годом эти характеристики улуч3шаются. Однако уменьшение времени доступа рано или поздно должно достигнуть своего предела, поскольку в современных накопителяхиспользуются механические системы: движущиеся головки и вращающиеся диски.

Одним из альтернативных накопителей с очень малым временем доступа может быть накопитель, основанный на радиоимпульсной записи [5]. Улучшение характеристик, необходимых длявнедрения таких носителей информации, невозможно достичь без изучения следующих механизмов: а) взаимодействия ферритовых плѐнок,частиц и ансамблей частиц с импульсными и переменными магнитными полями, б) возникновения сигналов нелинейного радиоимпульсного эха или магнитоакустического эха (МАЭ). Выяснение этих механизмов выдвигает круг задач по исследованию линейных и нелинейных радиочастотных магнитных и магнитоупругих свойств ферритовых частиц и плѐнок.При взаимодействии магнетиков с переменными полями идетпроцесс магнитоупругого или магнитоакустического взаимодействия[1].

Отличие времени релаксации упругой подсистемы от времени релаксации спиновой подсистемы, и наличие нелинейностей приводит квозможности реального наблюдения эха в порошках ферритов. Результаты исследования явления МАЭ дают важную информацию об условиях и степени нелинейности системы и магнитоакустического взаимодействия, магнитоупругих константах, величине и динамике внутренних магнитных полей [6].Цели и задачи настоящего исследованияЦель данной работы – выявление критических явлений и новыхособенностей релаксационных и нелинейных магнитных и магнитоупругих свойств тонких магнитных плѐнок, частиц и ансамблей частиц в4радиочастотных (ВЧ и СВЧ диапазоны) магнитных полях.

Для достижения поставленной цели был решен ряд задач:1. Теоретическое изучение зависимости времени магнитной релаксации в области ферромагнитного резонанса (ФМР) в тонкихмагнитных плѐнках от параметров внешних воздействий в линейном и нелинейном режимах.2. Экспериментальное исследование зависимости частоты магнитной релаксации fr в тонких композитных плѐнках, состоящих изферромагнитной и диэлектрической фаз, от состава и внешнихвоздействий, приводящих к изменению топологии наноструктуры плѐнки.3.

Изучение нелинейной динамики магнитоупругих колебанийтонкой ферритовой плѐнки, частицы с учетом релаксации, вблизи акустического резонанса при возбуждении их радиоимпульсным магнитным полем.4. Развитие теории нелинейного МАЭ с учѐтом членов с большимпорядком нелинейности в выражении для свободной энергиичастиц; изучение влияния релаксации на нелинейные эффектына примере явления МАЭ.Научная новизна работыВ данной работе, определены частоты релаксации намагниченности композитных плѐнок при различной топологии наноструктурных элементов (ферромагнитных и диэлектрических наночастиц, гранул и т.п.). Впервые обнаружен эффект значительного изменения частоты релаксации намагниченности fr в этих плѐнках вблизи порогаперколяции, вызванный изменением топологии наноструктуры эле-5ментов, происходящем при изменении состава, уменьшении температуры или температурного отжига образцов.Выявлено сильное влияние материальных параметров на релаксационные и нелинейные свойства ферритовых плѐнок и частиц в области ФМР и акустического резонанса (АР).

Выявлены две области релаксации магнитоупругих колебаний после действия импульса переменного поля в ферритовой пленке, которые характеризуются сильно отличающимися временами релаксации  r . Определена область значенийпараметра магнитной диссипации , в которой взаимодействие магнитной и упругой подсистем является наибольшим. Предложена методикаопределения времени релаксации магнитоупругих колебаний плѐнок ичастиц в нелинейном режиме по значению времени установления стационарного режима магнитных или упругих колебаний.Показано возникновение магнитоупругих автоколебаний релаксационного типа в ферритовой пленке вблизи АР при превышениипорогового значения амплитуды переменного поля.

Вычислена пороговая амплитуда возбуждения магнитоупругих автоколебаний в зависимости от материальных параметров и внешних воздействий.Получены аналитическое выражение и численное решение, описывающие поведение сигналов МАЭ в зависимости от параметров возбуждающих импульсов и внешних воздействий.Положения, выносимые на защиту1. Результаты исследований магнитной релаксации в композитныхплѐнках составов (Co45Fe45Zr10) x (Al2O3) 1-x при разных концентрациях x (0.32 <x< 0.6) при комнатной температуре и 77 К, атакже после отжига плѐнок.62.

Зависимости амплитуд магнитных и упругих колебаний ферритовых плѐнок и частиц в нелинейном режиме с учѐтом релаксации в области ФМР и акустического резонанса от времени, амплитуды переменного и постоянного магнитных полей, параметра магнитной диссипации, намагниченности насыщения,константы магнитоупругой связи.3. Динамика и механизм зарождения и гашения магнитоупругихавтоколебаний релаксационного типа в тонких ферритовыхплѐнках и частицах.4. Зависимости амплитуды сигналов двухимпульсного магнитоакустического эха для ансамбля ферритовых частиц от амплитудвозбуждающих импульсов, интервала между импульсами.Научная и практическая значимость работыПолученные результаты являются качественно новыми и вносятсущественный вклад в формирование современных представлений орелаксационных и нелинейных магнитных и магнитоупругих свойствах плѐнок и ансамблей частиц.

Они могут быть использованы придальнейших теоретических исследованиях радиоимпульсной динамики магнитной и упругой подсистем твѐрдых тел, включающих в себянаноразмерные структуры. Описание релаксационных и нелинейныхэффектов в магнитных материалах является универсальным и можетбыть распространено на другие объекты. Приведѐнные в работе результаты могут оказаться полезными при решении нелинейных задач вдругих областях физики, изучающих нелинейные явления, например, внелинейной оптике, физике плазмы, а также при изучении нелинейныхдинамических процессов в квантовых системах.7Обнаруженные критические явления в магнитной и магнитоупругой динамике, происходящие при изменении внешних факторов илинаноструктуры материалов, открывают предпосылки для созданияустройств обработки, преобразования упругих колебаний и волн имагнитоакустических преобразователей.

В данной работе приведеныоптимальные характеристики ферритовых материалов, которые могутбыть использованы для создания акустических усилителей с радиоимпульсной магнитной накачкой на основе тонких ферритовых плѐнок ичастиц.Апробация работыОсновные результаты, приведенные в диссертации, докладывалисьна III-IV Всероссийских научных конференциях студентов-радиофизиков(Санкт-Петербург, 1999 и 2000); Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002, 2004, 2006);16 Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002);Международном семинаре: «Выездная секция по проблемам магнетизма вмагнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах» (Астрахань, 2003); Международных зимних школах физиков-теоретиков «Коуровка» (Кыштым, 2004, 2006); на III-ем Московском Международном Симпозиуме по Магнетизму (Москва, 2005); на 14 Международной конференциипо внутреннему трению и механической спектроскопии (Киото, Япония,2005); на III Объединенном Европейском симпозиуме по магнетизму (СанСебастьян, Испания, 2006); Выездной сессии научного совета РАН по магнитоакустике и акустоэлектронике (Сыктывкар, 2004); на 15 Коми республиканской молодѐжной научной конференции (Сыктывкар, 2004); а такжена многочисленных республиканских, внутри вузовских и научных семинарах Сыктывкарского государственного университета.8ПубликацииРезультаты работы опубликованы в 2 статьях в международныхреферируемых и рецензируемых журналах, 1 статье в центральнойпечати, 10 статьях в сборниках трудов международных конференций,из них 7 в трудах Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники (НМММ)», в 2 статьях ВестникаСыктГУ, и 25 тезисах всероссийских и международных конференций.Структура и объѐм работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы и авторского списка.

Работа изложенана 149 страницах. Список литературы содержит 120 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность исследуемой проблемы,сформулирована цель и задачи диссертационной работы, обозначеныполученные в диссертации новые результаты, раскрыты научная ипрактическая значимость работы, описана структура диссертации.Первая глава посвящена литературному обзору по магнитной имагнитоупругой ВЧ и СВЧ динамике ограниченных образцов. Рассмотрены линейные и нелинейные магнитные и магнитоупругие колебания, их релаксация. Описаны способы возбуждения колебаний иусловия резонансов для них в случаях объемных образцов, плѐнок,частиц, пленочных структур и ансамблей частиц. Магнитная динамикаописана на основе уравнения Ландау-Лифшица [1]:M  M  H eff   R ,t9(1)где M - вектор намагниченности,  - гиромагнитное отношение,Heff - эффективное магнитное поле, действующее на намагниченность, R - релаксационный член.В случае магнитоупругой динамики выражение (1) дополняетсяуравнениями для компонент вектора упругого смещения: 2 uiu ik 2  i ,2ttx k(2)где  - плотность среды, ui - компоненты вектора упругого смещения(i=x,y,z),  - частота релаксации упругих колебаний,  ik – тензор упругих напряжений, x k - пространственные координаты.