Диссертация (Магнитоэлектрические свойства доменных границ в пленках ферритов гранатов), страница 3

Однако электрической поляризацией могутобладать структуры разной размерности и симметрии.(б) Граница Нееля; ‖ (а) Граница Блоха; = 0Рисунок 1.2: Два типа доменных границ и их электрическая поляризацияВ мультиферроиках неоднородный магнитоэлектрический эффект проявляется в образовании неколлинеарных и несоразмерных с периодом кристаллической решетки спиновых структур, трансформации которых влияют на сегнетоэлектрические свойства вещества. Примерами таких структур являютсяспиновые геликоиды (концы спинов магнитных ионов описывают окружностьв плоскости, перпендикулярной волновому вектору структуры (k на рис.

1.3а))и циклоиды (концы спинов описывают траекторию точки на ободе катящегосяколеса, рис. 1.3б).Так, в MnWO4 спиновые циклоиды обуславливают наличие сегнетоэлектрической доменной структуры, их подавление внешним магнитным полемприводит к исчезновению поляризации (см. рис. 1.4; [30]). Подобные следствия неоднородного МЭ эффекта наблюдаются и в других веществах: вTbMnO3 внешнее магнитное поле не подавляет спиновые структуры, а поворачивает плоскость вращения намагниченности в них, что приводит к соответствующему повороту вектора поляризации [31]; обратное влияние также воз15(а)(б)Рисунок 1.3: Спиновая геликоида (1.3а) и циклоида (1.3б)можно – в работе [32] авторы демонстрируют изменение направления вращения спиновой спирали внешним электрическим полем (рис.

1.5). Эти явленияможно объяснить, основываясь на т. н. спиральном механизме, заложенном ввыражение (1.2) для электрической поляризации. Указанное выражение мож⃗ ⃗], где ⃗ – волновой вектор, а Ω⃗ = [⃗ × ⃗ ]но преобразовать к виду: ⃗ ∼ [Ω×– направление, задающее плоскость разворота намагниченности.(а)(б)(в)Рисунок 1.4: Оптическое изображение поверхности MnWO4 на второй гармонике (2.75 эВ)при низкой температуре (12 К) [30]. (а) – исходная сегнетоэлектрическая доменнаяструктура, (б) – доменная структура в магнитном поле с напряженностью 4.3 Тл,подавляющем спиновые циклоиды, (в) – доменная структура после отключениямагнитного поляВ рамках спирального механизма спиновая геликоида не может обладать⃗ ‖ ⃗, и векторное произведение этих вектополяризацией, поскольку в ней Ωров равно нулю.

Но в работах [33, 34] показано, что существуют соединения,16(а)(б)(в)Рисунок 1.5: Изменение направления вращения спиновой спираливо внешнем электрическом поле (а,б) и “ферроаксиальная”кристаллическая структура в CaMn7 O12 (в) [33]где электрическая поляризация порождается именно геликоидальной структурой. Так, в CaMn7 O12 благодаря скосу кислородных октаэдров отсутствуютоси второго порядка в плоскости, перпендикулярной направлению модуляции геликоиды. Такой скос можно описать при помощи аксиального вектора,параллельного ⃗ и задающего направление вращение пропеллера“ из окта”эдров (см.

рис. 1.5в). Одного аксиального вектора недостаточно для возникновения поляризации, поскольку он инвариантен относительно инверсионнойсимметрии, а полярный вектор электрической поляризации – нет. Однако две17структуры – спиновая геликоидальная и кристаллическая ферроаксиальная –совместно порождают электрическую поляризацию.Существует несколько микроскопических механизмов, которые объясняют наличие в веществе неоднородного МЭ эффекта. Общая причина взаимодействия электрической и магнитной подсистем – дополнительные смещения ионов в кристаллической решетке [35] или перераспределение электронной плотности (на электронный вклад указывает генерация второй гармоникив [30]), но возникающие вследствие данного взаимодействия структуры могутобладать различной симметрией.В ряде веществ, где возможны либо параллельные, либо антипараллельные направления магнитных моментов соседних ионов, может реализоватьсятак называемый обменно-стрикционный механизм: ионы, обладающие разным электрическим зарядом, притягиваются благодаря обменному взаимодействию, что создает в веществе поляризацию.

Примеры атомных конфигураций (структура типа вверх-вверх-вниз-вниз“ и двумерная решетка магнитных”ионов в YNiO3 ), в которых поляризация наводится таким образом, показанына рис. 1.6.В других соединения неоднородный МЭ эффект обусловлен антисимметричным обменным взаимодействием Дзялошинского-Мория [36]: =⃗ · ([⃗1 × ⃗2 ]), где ⃗ – спины ионов. Величина ,⃗ согласно [37], пропорциональна векторному произведению вектора, соединяющего положения ионов,⃗ ∼ ⃗12 × ⃗; см.

рис. 1.7а). Таким образом,и вектора смещения лиганда (направления спинов магнитных ионов оказываются связанными с положением немагнитных ионов, и возможно образование магнитных структур, несоразмерных с периодом кристаллической решетки вещества. Этот механизмсущественно слабее, поскольку обмен Дзялошинского-Мория является релятивистской поправкой к спин-орбитальному взаимодействию.18(а)(б)Рисунок 1.6: Иллюстрация обменно-стрикционного механизма образования поляризации напримере одномерной (а) и двумерной (б) решетки ионов [35].

Желтые стрелки показываютнаправление спинов, синие и красные круги – ионы, имеющие разноименные электрическиезаряды(а)(б)Рисунок 1.7: Иллюстрация взаимодействия Дзялошинского-Мория (а) и возникновениеполяризации у пространственной спиновой структуры (б) в результате этоговзаимодействия [36]Образование электрической поляризации на неоднородностях возможно нетолько в магнетиках, например, известен флексоэлектрический эффект в жидких кристаллах – возникновение поляризации в результате деформации [38].Этот эффект описывается выражением, аналогичным (1.1), где как параметрпорядка вместо намагниченности фигурирует среднее по объему направлениеоси молекулы нематического жидкого кристалла.191.3Эпитаксиальные пленки ферритов гранатовФерриты гранаты (ФГ) – это вещества, имеющие химическую формулуR3 Fe5 O12 , где R – трехвалентный ион редкоземельного элемента (Y3+ , Gd3+ идругие).

Они имеют кубическую кристаллическую решетку и являются ферримагнетиками с температурой Кюри ∼ 560 К. Ферримагнитное упорядочениев ФГ обусловлено тем, что часть катионов железа Fe3+ находится в тетраэдрическом окружении из ионов кислорода, а другая часть – в октаэдрическом, обменное взаимодействие между этими подрешетками отрицательно и намногосильнее, чем взаимодействие внутри них, поэтому намагниченности подрешеток антипараллельны. Подрешетка ионов редкоземельного элемента наиболеесильно взаимодействует с тетраэдрической подрешеткой железа, их обменнаясвязь так же отрицательна; все три подрешетки не компенсируют друг другаполностью, поэтому ферриты гранаты обладают небольшой остаточной намагниченностью (5-10 Гс). Магнитные свойства этих соединений можно менятьв широких пределах, варьируя химический состав и условия синтеза [29].Ферриты гранаты представляли большой интерес для исследователей вовторой половине XX века. Во-первых, все вещества этого класса имеют оченьузкая линию ферромагнитного резонанса, что позволяет эффективно использовать их в технике сверхвысоких частот [39].

Во-вторых, эпитаксиальныепленки соединений данного класса оптически прозрачны, более того, при нормальных условиях в них наблюдается полосовая доменная структура с достаточно большим периодом (единицы и десятки микрон), поэтому пленки ФГявляются классическими объектами для исследования магнитооптическимиметодами [40–42]; наблюдения в темнопольном режиме дают возможность наблюдать даже одномерные магнитные неоднородности – вертикальные линииБлоха внутри доменных границ [43]. Также в пленках с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной поверхности пленки, возможно зарождение цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) микронных и субмикронных20размеров [44] – существовали устройства памяти, в которых ЦМД использовались в качестве битов информации, однако они не получили большого распространения.

Несмотря на большую популярность ФГ в прошлом веке, онии сейчас привлекают внимание специалистов: например, в работах [45, 46]показана возможность создания быстрых оптических модуляторов, представляющих собой пленку ФГ с нанесенной на ее поверхность металлическойрешеткой. Другой ряд публикаций связан с задачами спинтроники – в этихисследованиях ферриты гранаты используются в качестве среды для передачи спиновой волны, которая выполняет роль переносчика информации: малаяконстанта затухания в ФГ позволяет волне распространяться на расстоянияпорядка нескольких сантиметров [47, 48].Именно в эпитаксильных пленках ферритов гранатов был обнаружен электромагнитооптический (ЭМО) эффект – эффект поворота плоскости поляризации света, проходящего через пленку, при приложении к ней переменного электрического поля – сначала квадратичный по полю, а затем и линейный [49, 50].

Наличие линейного ЭМО эффекта говорит о том, что в пленках,в отличие от объемных образцов, отсутствует центр инверсии. В последующих экспериментах по изучению ЭМО эффекта наибольший отклик получался при фокусировке луча лазера на доменные границы, а в намагниченной дооднодоменного состояния пленке эффект полностью пропадал [51].Объяснение наличия в образцах линейного ЭМО эффекта, предложенноев работе [52], заключается в том, что при выращивании пленок методом жидкофазной эпитаксии на подложке из Gd3 Ga5 O12 , параметры кристаллическойрешетки феррита граната отличаются от параметров решетки подложки. Такое нарушение кристаллической структуры приводит к потере центра инверсии и возникновению выделенного направления, совпадающего с нормальюк поверхности пленки. Рассогласование шага решетки также приводит к возникновению дополнительной ромбической анизотропии в пленках с кристал21лографической ориентацией (210) и (110) [53].

Исследуемый в данной работеэффект смещения ДГ в таких пленках под действием электрического поля [54]может быть объяснен тем, что дополнительная анизотропия приводит к отличию структуры границ от блоховской. Последнее означает, что доменныеграницы в таких пленках могут обладать электрической поляризацией. Косвенным подтверждением этой гипотезы являются паразитные эффекты приизмерении эффекта Штарка в сверхпроводниках [55]. В изложенных экспериментах дополнительный визуализирующий слой из феррита граната YIG: Biприводил к изменению резонансных частот, которое авторы исходно связывали с доменной структурой магнетика. Однако после её подавления внешниммагнитным полем эффект не пропал. Данное обстоятельство можно объяснить следующим образом: магнитное поле сверхпроводника порождает неоднородность в распределении намагниченности феррита граната; в результатемагнитоэлектрического эффекта на неоднородности наводятся электрическиезаряды, которые и приводят к паразитному эффекту.Таким образом, в литературе имеются многочисленные свидетельства того,что МЭ свойства пленок ФГ связаны именно с доменными границами.