ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Убізський Сергій Борисович
УДК 548:537.611.46; 621.317.4;
681.586; 681.335.2
епітаксійні ферогранатові структури
для сенсорів магнітного поля
01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України та Львівському науково-дослідному інституті матеріалів Науково-виробничого підприємства “Карат” Міністерства промислової політики України.
Науковий консультант доктор фізико-математичних наук,
професор Матковський Андрій Орестович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри напівпровідникової електроніки.
Офіційні опоненти:
член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Погорілий Анатолій Миколайович, Інститут магнетизму МОН та НАНУ, заступник директора;
доктор фізико-математичних наук, професор Бержанський Володимир Наумович, Таврійський національний університет імені В.І. Вернадського, проректор по науковій роботі – завідувач кафедри експериментальної фізики;
доктор технічних наук, доцент Ющук Степан Іванович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри фізики.
Провідна установа Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра квантової радіофізики, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться “ 19 жовтня 2001 р. о 1430 на засіданні спеціалізованої вче-ної ради Д 35.052.12 при Наці-ональному університеті “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. Ст. Бан-де-ри 12, ауд. 124 головного корпусу).
З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Наці-онального університету “Львів-ська політехніка” (Львів, вул. Про-фе-сорська, 1).
Автореферат розісланий “ 12 вересня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Заячук Д.М.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. В останньому десятиріччі значно зросла активність розробників перетворювачів магнітного поля на нових принципах. Як відзначалося на “круглому столі”, присвяченому магнітним сенсорам, на Міжнародній конференції по магнітом’яких матеріалах (SMM’14, Балатонфюред, Угорщина, 1999), ця активність стимулюється економічними реаліями індустріального суспільства 21-го століття, а саме необхідністю у підвищенні продуктивності, якості та надійності технологій виробництва. Задачі вимірювання магнітного поля відзначаються великою різноманітністю і виникають у геофізиці, сейсмології та геологічній розвідці, моніторингу магнітосфери, морській та космічній навігації, виявленні та спостереженні об’єктів на морі та в космосі, медичній діагностиці кровообігу та активності м’язів, а також при зчитуванні інформації з магнітних носіїв, неруйнівному дефектоскопічному контролі матеріалів магнітних носіїв, постійних магнітів, надпровідних матеріалів та багатьох інших галузях науки та господарської діяльності. Така потреба виникає також при розробці первинних перетворювачів інших фізичних величин – електричного струму та електромагнітного поля при безконтактному вимірюванні струму і втрат в електротехнічних та електронних виробах, лініях електропередачі та зв’язку, неруйнівному контролі електропровідних матеріалів, вимірюванні теплових та механічних величин, тощо. Розвиток магнітних сенсорів, необхідність у розширенні діапазону вимірюваних полів, чутливості, частотного діапазону і т.п. потребує створення перетворювачів на нових фізичних принципах або удосконалення відомих, у тому числі, за рахунок оптимізації властивостей активних середовищ та створення нових матеріалів. Продемонстровані у 90-х роках можливості монокристалічних ферогранатових шарів для реалізації первинного перетворення сигналів магнітного поля в оптичні чи електричні, а також унікальні можливості по керуванню властивостями ферогранатів у широких межах шляхом вибору хімічного складу та модифікації режимів кристалізації при рідинно-фазній епітаксії (РФЕ) визначили направленість дисертаційної роботи.
Епітаксійні плівки ферогранатів (ЕПФГ) складають широкий спектр магнітних середовищ, які інтенсивно розроблялись та досліджувалися для найрізноманітніших застосувань у пристроях запису й обробки інформації та прикладної магнітооптики у 70-80-х роках. Значний внесок у ці дослідження був зроблений, зокрема, українськими науковими школами – НТК “Інститут монокристалів” НАНУ, Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Донецького фізико-технічного інституту НАНУ, Донецького державного університету, СКБ “Домен” при Таврійському національному університеті, Львівського НДІ матеріалів НВП “Карат”. Незважаючи на широке дослідження властивостей та методів одержання цього класу матеріалів, специфічні вимоги сенсорних пристроїв потребують як розвитку уявлень про процеси перемагнічування і пов’язані фізичні явища, що складають фізичні основи функціонування перетворювачів магнітного поля, так і створення нового класу ЕПФГ, що відрізняються від широко відомих ферогранатів властивостями магнітної анізотропії, зокрема, володіють напрямком спонтанної намагніченості, близьким до площини плівки. У свою чергу, розробка матеріалу активного середовища потребує визначення необхідної для нього сукупності властивостей, встановлення оптимального хімічного складу та шляхів одержання матеріалу заданого складу, а також способів керування його властивостями у технологічному процесі. Для з’ясування, який же матеріал найкращим чином задовільнить потреби реалізації сенсорного пристрою, необхідним є встановлення взаємозв’язку між властивостями активного середовища та експлуатаційними характеристиками сенсора, тобто побудова математичних моделей пристроїв. Оптимізація властивостей активного середовища сенсорного пристрою полягає у пошуку компромісу між часто суперечливими вимогами і обмежуючими факторами. У цілому ця задача є достатньо складною і неоднозначною, причому формалізованих методів її вирішення в загальному випадку не існує.
Таким чином, актуальність роботи визначається практичною потребою сенсорної техніки у нових активних середовищах та принципах реалізації магнітних сенсорів на їх основі. З іншого боку, розвиток наукових уявлень про фізичні процеси, що визначають функціонування магнітних сенсорів, вимагає розвитку та узагальнення знань про процеси перемагнічування в їх активних середовищах. Науковий напрямок, розвитку якого присвячена дисертаційна робота – розробка фізичних принципів використання епітаксійних ферогранатових структур в якості активних середовищ первинних перетворювачів магнітного поля та способів отримання ЕПФГ з напрямком спонтанної намагніченості, близьким до площини плівки.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні та експериментальні дослідження, результати яких представлено у дисертаційній роботі, були проведені автором за час його роботи у відділі перспективних магнітних матеріалів Львівського науково-дослідного інституту матеріалів Науково-виробничого підприємства “Карат” з 1987 по 1997 р. та на кафедрі напівпровідникової електроніки Національного університету “Львівська політехніка” з 1997 р. при виконанні науково-дослідних, дослідно-технологічних та пошукових робіт згідно комплексно-цільових програм Міністерства радіопромисловості СРСР, державних науково-технічних програм Держкомітету України з питань науки та технології, галузевих науково-технічних програм Мінпромполітики України та Національного космічного агентства України, проектів Державного фонду фундаментальних досліджень, а також проектів міжнародного науково-технічного співробітництва Міністерства освіти та науки України, а саме: ОТР-8735 “Разработка монокристаллических плёнок с низкой намагниченностью насыщения и технологических процессов травления и ионной имплантации монокристаллических ферритовых плёнок” (№ Ф33724); НИР-8776 “Разработка методик и состава КИА для неразрушающего контроля намагниченности насыщения ЖИГ-структур” (№ Е67215) – відповідальний виконавець; НИР-8984 “Разработка методик контроля качества плёночных материалов магнитоэлектроники толщиной 0.5–100 мкм для обеспечения их разработок и промышленного производства” (№ У64567); НИР-9007 “Поиск и исследование материалов с повышенной намагниченностью насыщения для устройств на МСВ в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн” (№ У67288); НДР-9284 “Дослідження та розробка технології одержання радіаційностійких матеріалів магніто-, опто- і акустоелектроніки” (проект “Омек” № 7.1.3.26 ДНТП “Нові матеріали функціональної електроніки”, № 0193V016177) – відповідальний виконавець; НИР-9285 “Дослідження та розробка підкладкових матеріалів для оптики ІЧ діапазону” (Проект 5.44.08/045-92 “Альтернатива” ДНТП “Прогресивні технології складних плівкових матеріалів та оптичних структур”, № 0193V016180) – керівник; НДР-92144 “Пошук, дослідження та розробка методів одержання шаруватих структур типу ферит-напівпровідник” (КЦП-53 Міністерства машинобудування, військово-промислового комплексу та конверсії України, № 033U01381); ДКР-9476 “Дослідження і розробка радіаційно-стійких монокристалічних та плівкових матеріалів для потреб квантової та магнітоелектроніки ракетно-космічного призначення” (проект “Карат-23” Державної програми дослідження та використання космічного простору, № 0194V022194) – відповідальний виконавець; Проект міжнародної науково-технічної співпраці з Німеччиною № 13N7201/2 “Ферогранатові шари для магнітооптичної візуалізації” програми Transform Міністерства освіти і науки Німеччини (BMBF) – відповідальний виконавець; НДР-2М/1857-97 “Особливості природи та механізмів утворення дефектів в кристалах складних оксидів” українсько-польської міжурядової програми науково-технічного співробітництва (№ 0197U017252) – відповідальний виконавець; НДР-2М/177-99 “Виготовлення та дослідження епітаксійних гранатових плівок для сенсорних застосувань” українсько-угорської міжурядової програми науково-технічного співробітництва (№ 0100U000491) – керівник.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка фізичних основ функціонування перетворювачів магнітного поля на основі епітаксійних ферогранатових структур з напрямком спонтанної намагніченості, близьким до площини плівки, та способів одержання таких структур.
Для досягнення мети виконувались такі завдання:
–
розвиток феноменологічної теорії рівноважних орієнтаційних станів намагніченості тонкої плівки багатовісного магнетика у магнітному полі та моделювання процесів перемагнічування ЕПФГ;
–
експериментальне дослідження процесів перемагнічування та особливостей доменної структури в ЕПФГ з комбінованою кубічною та одновісною магнітною анізотропією;
–
розробка математичних моделей сенсорних пристроїв – магнітооптичної системи візуалізації просторово-неоднорідних магнітних полів, магнітооптичного та індукційного феромодуляційного перетворювачів магнітного поля;
–
обґрунтування вимог до активних середовищ сенсорів магнітного поля на основі математичних моделей їх функціонування, оптимізація складу та властивостей ЕПФГ;
–
пошук і розробка способів вирощування ЕПФГ заданого складу з необхідними властивостями методом РФЕ;
–
комплексне дослідження структурних, магнітних, магнітоанізотропних, магнітооптичних та оптичних властивостей експериментально отриманих ЕПФГ;
–
дослідження радіаційної стійкості та радіаційно-індукованих ефектів у ферогранатах.
Об’єктом дослідження є фізичні процеси та явища, пов’язані із зміною стану монокристалічних шарів ферогранатів у зовнішньому магнітному полі, властивості матеріалу, що визначають ці процеси і явища, а також способи керування властивостями матеріалу для використання його в якості первинного перетворювача магнітного поля.
Предметом дослідження дисертаційної роботи є явище магнітної анізотропії, доменна структура та процеси перемагнічування в епітаксійних плівках ферогранатів з напрямком спонтанної намагніченості, близьким до площини плівки, способи керування магнітними, магнітоанізотропними та магнітооптичними властивостями ЕПФГ та математичні моделі сенсорних пристроїв на їх основі.
Методи дослідження, застосовані в роботі, включають: феноменологічне, імітаційне та чисельне моделювання; загальноприйняті експериментальні методи вимірювання магнітних характеристик (індукційний, магнітооптичний, феромагнітний резонанс), магнітооптичних властивостей (ефект Фарадея), оптичних властивостей (спектрофотометрія), поляриметричні методи спостереження та аналізу доменної структури; розроблені при виконанні роботи методи оцінки параметрів магнітної анізотропії ЕПФГ; стандартні методи аналізу – рентгенівська дифракція для визначення параметру ґратки ЕПФГ та електронно-зондовий мікроаналіз для визначення складу ЕПФГ. Для синтезу ЕПФГ використаний метод рідинно-фазної епітаксії. Для модифікації їх властивостей застосовано термохімічну обробку в окисній та відновлювальній атмосфері, а для дослідження радіаційно-індукованих ефектів – опромінення прискореними електронами та нейтронами ядерного реактора.
Наукова новизна одержаних результатів.
1.
Розвинута феноменологічна теорія рівноважних орієнтаційних станів намагніченості ЕПФГ з кристалографічною орієнтацією (111) і змішаною одновісною індукованою та кубічною магнітокристалічною анізотропією з врахуванням першої та другої констант кубічної анізотропії. Розроблена модель описує поведінку намагніченості та компонент тензора магнітної сприйнятливості монодоменної ЕПФГ у довільній орієнтації поля. Встановлені границі орієнтаційних фаз намагніченості та типи фазових переходів між ними. Методами моделювання досліджені процеси перемагнічування ЕПФГ у конфігураціях магнітного поля, що використовуються у сенсорних пристроях.
2.
Проведений аналіз оптичної ефективності та оптичного контрасту схеми магнітооптичної візуалізації з використанням ЕПФГ з напрямком спонтанної намагніченості у площині плівки в якості активного шару. Встановлено взаємозв’язок між цими параметрами та властивостями активного середовища і характеристиками оптичної схеми візуалізації.
3.
Запропонований та обґрунтований новий принцип функціонування перетворювача магнітного поля, який використовує перемагнічування когерентним поворотом вектора намагніченості ЕПФГ та ефект Фарадея для реєстрації сигналу.
4.
Проведений аналіз частотного спектру індукційного відгуку феромодуляційного магнітометричного перетворювача на основі ЕПФГ при збудженні магнітним полем, що обертається у площині плівки, та встановлено взаємозв’язок між чутливістю перетворювача до трьох ортогональних компонент зовнішнього магнітного поля та параметрами матеріалу і величиною поля збудження. Показані переваги використання режиму поперечного збудження у схемі, що аналізується.
5.
Досліджено процес кристалізації при вирощуванні методом рідинно-фазної епітаксії плівок систем (LuBiPr)3(FeAl)5O12 та (LuBi)3(FeAlSc)5O12 та комплекс їх магнітних, магніто-анізотропних, магнітооптичних властивостей з точки зору можливості їх застосування у магнітооптичній візуалізації при температурі рідкого азоту. Встановлена роль іонів празеодиму та скандію у формуванні магнітної анізотропії, близької до анізотропії типу “легка площина”.
6.
Показано, що індукована одновісна магнітна анізотропія з ефективним полем порядку –100…–200 Е, незалежно від механізму її формування, призводить до значних змін доменної структури, характеру перемагнічування і суттєвого зниження (у 6–10 разів) поля насичення та коерцитивної сили ЕПФГ на основі Y3Fe5O12 та Lu3Fe5O12 при намагнічуванні у площині плівки, що дозволяє підвищити чутливість сенсорів магнітного поля.
7.
Виявлено, що легування ЕПФГ на основі Y3Fe5O12 іонами Ir спричиняє значну ростову одновісну магнітну анізотропію з додатним знаком константи анізотропії, яка не дозволяє здійснити концентраційний фазовий перехід від типу анізотропії з осями легкого намагнічування у площинах {
} до типу анізотропії з “легкими осями” у напрямках <
>.
8.
Показано, що зміна концентрації фототропних центрів в Y3Al5O12, легованому Mg та Cr, при термообробці в окисній та відновлювальній атмосфері визначається двома процесами – електронним обміном при перезарядці іонів хрому і кисневих вакансій та процесом міграційного перерозподілу хрому між октаедричною та тетраедричною підґратками, які відбуваються у різних температурних інтервалах.
9.
Удосконалений метод моделювання процесу формування радіаційних дефектів зміщення атомів з вузлів кристалічної ґратки або їх заміщення вторинними атомами, який базується на імітаційному моделюванні каскадів атом-атомних зіткнень в монокристалах складних оксидів під дією високоенергетичного електронного та нейтронного опромінення.
10.
Експериментально виявлено зменшення фарадеївського обертання в ЕПФГ (YLa)3(FeGa)5O12 в результаті утворення радіаційних дефектів по ударному механізму під дією опромінення електронами з енергією 3.5 МеВ при флюєнсах ~ 1018 см–2.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони можуть бути використані для створення перетворювачів магнітного поля з покращеними характеристиками:
1.
На основі розроблених математичних моделей магнітооптичного візуалізатора, магнітооптичного та індукційного перетворювачів магнітного поля запропоновані оптимізовані схеми реалізації магнітометричних пристроїв та обґрунтовані вимоги до активних середовищ на основі ЕПФГ, які оптимізують характеристики перетворювачів.
2.
Розроблені математичні моделі перетворювачів магнітного поля можуть бути використані при розробці сенсорних пристроїв для аналізу їх характеристик – чутливості та лінійності перетворення, температурної стабільності, динамічного діапазону, шумових та частотних характеристик.
3.
Розроблена феноменологічна модель перемагнічування ЕПФГ може бути використана як теоретична основа для аналізу функціонування будь-яких пристроїв, що використовують явище когерентного перемагнічування ЕПФГ.
4.
Запропоновані в роботі способи вирощування ЕПФГ, зокрема способи формування магнітної анізотропії типу “легка площина”, можуть лягти в основу технологічних процесів дрібносерійного та серійного виробництва активних середовищ для магнітометричних перетворювачів.
5.
Розроблено методи визначення параметрів магнітної анізотропії ЕПФГ з орієнтацією (111) та напрямком спонтанної намагніченості, близьким до площини плівки.
6.
Запропоновано вирощувати ЕПФГ з ненульовим розходженням параметрів ґратки плівки і підкладки для уникнення надкритичних механічних напружень в індикаторних структурах великого розміру для магнітооптичної візуалізації при низьких температурах.
7.
Запропоновано формувати край плівки активних елементів у вигляді клину для пониження поля насичення та, відповідно, підвищення чутливості магнітометричних пристроїв на основі ЕПФГ.
8.
Результати дослідження процесів зарядової компенсації при окисно-відновлювальній термообробці монокристалів Y3Al5O12:Mg,Cr можуть бути використані для керування властивостями насичуваного поглинача пасивного модулятора добротності лазерів.
9.
Результати та методи дослідження радіаційно-стимульованих процесів у ЕПФГ та інших кристалах складних оксидів можуть бути використані для прогнозування та оцінки радіаційної стійкості активних середовищ електронної техніки.
Використання прикладних результатів, одержаних в роботі, в наукових розробках підтверджено актами впровадження.
Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі викладені результати досліджень, які проведених автором особисто, а також у співавторстві. Роботи [12,15,17,20,21,24,32,33] виконані автором самостійно. У більшості робіт, опублікованих у співавторстві [5,9-11,13,16,18,19,22,23,25-31,34-37], дисертанту належить провідна роль в постановці задачі, організації та проведеннні або плануванні досліджень, розробка моделей, обробка експериментальних даних, аналіз та інтерпретація результатів, підготовка публікацій. Дисертанту належить провідна роль у постановці і виконанні досліджень та написанні глав 3-5,8 у монографії [1], результати експериментального дослідження та моделювання радіаційних дефектів зміщення та інтерпретація дозових залежностей у главі 7 монографії [1] та в роботах [2,6–8,14]. У роботах [3,4] дисертанту належить постановка задачі, результати феноменологічного моделювання [3], математичної обробки спектрів [4], та, частково, інтерпретація результатів і написання статей. У роботах [16,38] дисертанту належать результати дослідження та інтерпретації процесів зарядової компенсації, а також підготовка публікації. Автор особисто доповідав свої роботи на більшості конференцій, де вони представлялися.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися і обговорювалися на міжнародних і регіональних наукових зібраннях, зокрема на: European Magnetic Materials and Applications Conference (EMMA) – Dres-den, Germany (1991), Wien, Austria (1995), Zaragoza, Spain (1998), Київ, Україна (2000); Soft Magnetic Materials Conference (SMM) – Venezia, Italy (1993), Balato-nfьred, Hungary (1999); Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity – ?ьвів, Україна (1995), Gabelbach, Germany (1996), Нижній Новгород, Росія (1997), Gottingen, Germany (1998); International Conference on Defects in Insulating Materials (ICDIM) – Nordkirchen, Germany (1992), Johanesburg, South Africa (2000); International Conference on Radiation Effects in Insulators (REI) – Nagoya, Japan (1993), Jena, Germany (1999); Europhy-sical Conference on Defects in Insulating Materials (EuroDIM) – Lion, France (1994), Keele, UK (1998); International Symposium on Non-Linear Electromagnetic Systems – Cardiff, UK (1995); 10-th International Conference on Thin Films – Sala-manca, Spain (1996); 1st European Magnetic Sensors and Actuators Conference (EMSA’96) – Iasi, Romania (1996); International Conference on Solid State Crystals – Materials Science and Applications (ICSSC’98) – Zakopane, Poland (1998, 2000); Vth International Conference “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” – Київ, Україна (2000); CLEO/Europe’00 Conference – Nice, Fran-ce (2000); Joint European Magnetic Symposia (JEMS’01) – Grenoble, France (2001).
Публікації. Основні результати та висновки дисертації відображені у 38 публікаціях, з яких одна монографія, 23 статті, одне авторське свідоцтво на винахід. Матеріали дисертації відображені також у звітах по науково-дослідних роботах, в яких приймав участь автор.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 392 найменувань та додатків. Вона містить 312 сторінок основного тексту, 101 рисунок, 23 таблиці. Загальний обсяг дисертації – 366 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі наведено загальну характеристику роботи – обґрунтування актуальності вибраної проблеми та доцільності проведення досліджень з наукової та практичної точок зору, сформульована мета і задачі досліджень, охарактеризовано об’єкт і предмет досліджень та застосовані методи, відображена новизна та практичне значення отриманих результатів, наведені основні відомості про зв’язок роботи з науково-технічними програмами, її апробацію на наукових зібраннях, відзначений особистий внесок здобувача.
У першому розділі представлено огляд опублікованих у науковій літературі відомостей про основні фізичні властивості, методи синтезу та прикладні застосування епітаксійних ферогранатових структур, а також про перспективні застосування їх у сенсорних пристроях. Стан проблеми дослідження ферогранатів аналізується в підрозділі 1.1 з точки зору можливості модельного опису взаємозв’язку між їх хімічним складом та основними структурними, магнітними та магнітооптичними властивостями. Технологічні способи одержання ЕПФГ методам РФЕ розглянуті в підрозділі 1.2 під кутом зору можливості керування складом та властивостями ЕПФГ під час синтезу. У підрозділі 1.3 представлено огляд основних (традиційних) застосувань ЕПФГ та вимог, які вони висувають до активних середовищ, а також перспективні застосування ЕПФГ у сенсорних пристроях. Основна увага приділяється відмінностям між властивостями ЕПФГ, що вже знайшли свої застосування, і тими, на основі яких можна створити високоефективні сенсорні пристрої різного типу.
Синтетичні монокристали рідкісноземельних ферогранатів і, в першу чергу, ферогранату ітрію (Y3Fe5O12 – YIG) знайшли своє застосування в НВЧ пристроях електронної техніки ще в 60-х роках, що й зумовило інтерес до дослідження їх основних кристалоструктурних та магнітних властивостей. Завдяки наявності в кубічній структурі гранату трьох катіонних підґраток з аніонними поліедрами різного розміру (додекаедр, октаедр та тетраедр) структурний тип гранату володіє унікальною здатністю до ізоморфного заміщення катіонів основного складу. Це викликає значний науковий і прикладний інтерес, оскільки керування магнітними властивостями ферогранатів можливо здійснити у надзвичайно широких межах, причому найбільшу різноманітність властивостей можуть дати складні типи заміщень.
У вигляді епітаксійних плівок ферогранати почали досліджуватися в 70-х роках у зв’язку з трьома основними застосуваннями – у запам’ятовуючих пристроях на циліндричних магнітних доменах (ЦМД), магнітооптичних пристроях керування світловим променем та НВЧ пристроях, заснованих на розповсюдженні магнітостатичних хвиль. Саме у контексті цих застосувань розвивалося дослідження феримагнітних, магнітооптичних та НВЧ властивостей ЕПФГ, способів їх отримання з необхідними параметрами та розробка фізичних принципів та технічних рішень для створення відповідних пристроїв. При цьому основна увага приділялася методам керування величиною намагніченості насичення, фарадеївського обертання та оптичного поглинання, створенню значної одновісної магнітної анізотропії, динамічним властивостям ЦМД та смугових доменів у одновісних плівках, а також зменшенню ширини лінії феромагнітного резонансу. В результаті широкомасштабних досліджень накопичено чималий обсяг відомостей, що дозволяє на рівні феноменологічної теорії або емпіричних залежностей описати взаємозв’язок основних властивостей ЕПФГ з їх хімічним складом. Дослідження в області технології ЕПФГ дозволили побудувати моделі та нагромадити експериментальні дані, що описують особливості кристалізації ферогранатів у процесі ізотермічної рідинно-фазної епітаксії і дозволяють керувати основним та домішковим складом епітаксійних шарів, отриманих з розчину гранатоутворюючих оксидів у розплаві легкоплавких оксидів. Крім керування властивостями ЕПФГ у процесі синтезу, розроблені способи післяростової обробки шарів (термічний відпал, термохімічна обробка, іонна імплантація та лазерний відпал), що використовуються для модифікації властивостей активних середовищ пристроїв.
Окрім основних застосувань, у ході досить багатої історії досліджень ЕПФГ виникали й інші, які відносяться, зокрема, до сенсорної техніки. Серед них магнітооптична візуалізація просторово-неоднорідних магнітних полів та вимірювання магнітного поля за допомогою ефекту Фарадея стали найбільш широко відомими і перспективними для чисельних застосувань в електро- та електронній техніці, неруйнівному дефектоскопічному контролі виробів та у наукових дослідженнях. У зв’язку з потребою контролю структурної досконалості матеріалів високотемпературних надпровідників (ВТНП) та неруйнівного дефектоскопічного контролю металевих виробів у 90-х роках стали очевидними недоліки ЕПФГ з одновісною магнітною анізотропією при їх використанні у новій якості. Розробка магнітооптичних датчиків магнітного поля теж активізувалася у 90-х роках і, навіть, була доведена до промислового випуску. Однак і тут матеріали, що використовувались у розробках (монокристалічні ферогранати та одновісні ЕПФГ), виявились недосконалими. Для забезпечення розробки і впровадження нових сенсорних пристроїв на основі ЕПФГ стала необхідною розробка спеціальних активних середовищ з оптимізованими властивостями для кожного класу і виду застосувань, причому з принципово відмінним типом магнітної анізотропії, для якого напрямок спонтанної намагніченості є близький до площини плівки. Розробка таких ЕПФГ вимагала додаткових фундаментальних досліджень як способів її створення, так і магнітних властивостей плівок з таким типом магнітної анізотропії, зокрема процесів перемагнічування і доменної структури в них. Вимоги до активних середовищ сенсорних пристроїв з використанням ЕПФГ з планарною намагніченістю теж залишалися надто загальними і далекими від практичної оптимізації, оскільки вимоги останньої є багато в чому суперечливими.
На основі аналізу сучасного стану проблеми реалізації сенсорних пристроїв з використанням ЕПФГ в якості активних середовищ вибрані напрямки досліджень дисертаційної роботи.
Другий розділ присвячений опису загальної методології, що використана в дисертаційній роботі, а також базового методу одержання ЕПФГ та основних методів їх дослідження, які застосовані у наступних розділах. Загальна методологія розробки активних середовищ базується на принципі зворотного зв’язку. Під цим розуміється те, що досягнення мети – розробка матеріалу із заданими властивостями (такими, що забезпечать оптимальне функціонування сенсорних пристроїв на основі ЕПФГ) – відбувалося шляхом ітераційного уточнення постановки часткових задач за результатами експериментального та теоретичного дослідження одержаних матеріалів і їх апробації. Принциповим для характеризації методології є те, що вибір хімічних складів ферогранатових шарів здійснювався на основі моделювання їх властивостей. Причому вибір основного складу та заміщень плівки починався не від властивостей матеріалу, а від параметрів сенсорного пристрою, математична модель якого теж була предметом розробки і дослідження. На основі математичної моделі первинного перетворювача та оптимізації його характеристик формулювалися вимоги до активного середовища, тобто необхідні фізичні властивості матеріалу. Далі, на основі моделей взаємозв’язку властивостей матеріалу з його хімічним складом, вирішувалася задача вибору та оптимізації складу матеріалу. Наступною вирішувалася технологічна задача одержання матеріалу із заданим хімічним складом, яка включала як розрахунок шихти, так і сам процес вирощування епітаксійних плівок методом РФЕ. Одержані експериментальні зразки досліджувалися експериментально і на основі результатів уточнювалися як моделі взаємозв’язку складу з властивостями, так і методи одержання матеріалу.
Методи прогнозування властивостей ЕПФГ включали: розрахунок параметрів ґратки складно-заміщених ферогранатів за емпіричною моделлю, розробленою Е.Л. Духовською зі співавторами, та на основі літературних даних, у тому числі по функціях розподілу заміщуючих катіонів по підґратках гранату; розрахунок намагніченості насичення та її температурної залежності – за теорією молекулярного поля Неєля (L. Neel), розвинутою Діоне (G.F. Dione), та літературними даними по коефіцієнтах молекулярного поля; розрахунок констант магнітокристалічної та одновісної анізотропії та питомого фарадеївського обертання – за емпіричними залежностями з літературних джерел. На основі моделей взаємозв’язку основних параметрів гранату та хімічним складом, з однієї сторони, та вимогами до властивостей активного середовища, з другої сторони, проводилася оптимізація хімічного складу ЕПФГ. Розрахунок складу шихти для вирощування ЕПФГ заданого складу методом РФЕ здійснювався на основі концепції Бланка-Нільсена (S.L. Blank, J.W. Nielsen) та її пізніших модифікацій про фазові рівноваги у псевдопотрійній системі Re2O3Me2O3–розчинник (де Re – рідкісноземельні елементи та Y, Me – це Fe, Al, In, Sc або Ga, а розчинником служить суміш PbO-B2O3 або PbO-Bi2O3-B2O3), які описуються мольними коефіцієнтами (R-коефіцієнтами), а також на основі літературних даних по коефіцієнтам сегрегації катіонів.
Вирощування епітаксійних шарів ферогранатів здійснювалося методом ізотермічної РФЕ на (111)-орієнтовані підкладки гадоліній-галієвого гранату (Gd3Ga5O12 – GGG) з реверсивним обертанням (~60 об./хв.) у горизонтальному положенні, використовуючи спеціалізовану п’ятизонну піч Garnet-3 (LPAI, Франція). В експериментах були використані високочисті оксиди. Після розплавлення суміш оксидів гомогенізувалася на протязі 4…8 год. при температурі на 100…150С вищій від температури насичення розчину. Після гомогенізації розчин-розплав повільно охолоджувався до температури росту з ступенем переохолодження 10…90С. Температура та швидкість росту в залежності від складу ЕПФГ були в межах відповідно 740…1070С та 0.1…2.5 мкм/хв.
Методи контролю вирощених структур включали прецизійне визначення параметру ґратки ЕПФГ (a) та різниці параметрів ґратки підкладки та плівки (?a) методом рентгенівської дифракції, визначення товщини плівки (методом зважування, використовуючи розраховані значення густини, та спектрофотометричним методом), визначення хімічного складу (методом електронно-зондового мікроаналізу (Camebax, Франція та Akashi, Японія). Дослідження магнітних властивостей відбувалося методами вібромагнітометра (VSM M-155, PARC, США), індукційним методом (НВП “Карат”), магнітооптичним гістеріографом з використанням ефекту Фарадея (НВП “Карат”), методом ФМР (спектрометр ФМР, LPAI, Франція). Спостереження доменної структури проводилося в геометрії ефекту Фарадея на поляризаційному мікроскопі (Nachet, Франція), а визначення параметрів доменної структури (локальної нормальної складової намагніченості в доменах) здійснювалося, використовуючи поляриметричні методи обробки зображень та розроблений метод Фур’є-аналізу зображень смугової доменної структури. Питоме фарадеївське обертання та його спектральні залежності вимірювалися компенсаційним методом на обладнанні Карлового Університету (Прага, Чеська республіка). Оптичне поглинання визначалося по спектрам пропускання, виміряних за допомогою спектрофотометра (Specord M-40, Karl Zeiss Jena, Німеччина). Радіаційна обробка експериментальних зразків проходила на прискорювачі електронів ЭЛУ-4 (Інститут фізики НАНУ, Київ) та дослідницькому ядерному реакторі ИРТ–5000 (Інститут фізики Латвійської АН, Саласпілс).
Третій розділ присвячений дослідженню ролі магнітної анізотропії у формуванні системи орієнтаційних станів намагніченості, осей легкого намагнічування (ОЛН) та процесах перемагнічування у монодоменному стані в ЕПФГ з комбінованою кубічною та одновісною магнітною анізотропією, а також експериментальному дослідженню особливостей доменної структури та її поведінки при перемагнічуванні. Орієнтаційні стани намагніченості розглядаються як рівноважні і визначаються мінімумом анізотропної частини вільної енергії магнетика, що складається з енергії магнітокристалічної (кубічної) анізотропії, індукованої одновісної анізотропії, магнітостатичної енергії розмагнічуючих полів та зеєманівської енергії ЕПФГ у зовнішньому магнітному полі. У феноменологічному представленні енергія магнітної анізотропії описується рядом, члени якого є інваріантними по відношенню до перетворень відповідної групи симетрії. У полярній системі координат, пов’язаній з ЕПФГ орієнтації (111) та кристалографічними осями гранату (рис. 1), перші два члени ряду мають вигляд:
Рис. 1.
Система координат, пов’язана з ЕПФГ орієнтації (111).
де K1, K2 – константи кубічної анізотропії четвертого і шостого порядку відповідно або перша та друга константи кубічної анізотропії, а одновісна анізотропія – рядом , де KU – перша константа одновісної анізотропії. Мінімізація сумарної енергії дає можливі орієнтаційні стани намагніченості (табл. 1).
Таблиця 1.
Орієнтаційні стани намагніченості у ферогранатовій плівці у відсутності магнітного поля
Орієнтаційна фаза | Тип анізотропії,
умова стійкості | Полярний кут | Азимут
(n – ціле) | Кількість ОЛН
A | “легка вісь”
| 0 | 1
B (K1 < 0) | “легкий конус” | 0 < < /2– | /6 + n2/3 | 3
/2 < < /6 + n2/3
C (K1 > 0) | 0 < < /2 | /6 + n2/3
/2 < < – /6 + n2/3
D | “легка площина”
/2 | n/3 | 6
При врахуванні лише першої константи кубічної анізотропії (K1) у відсутності магнітного поля стійке рівноважне положення можливе для орієнтаційних фаз з анізотропією типу “легка вісь” (фаза A – ОЛН || [111]) та “легкий конус” (фаза B(C) – ОЛН {}), а орієнтація намагніченості строго у площині плівки є нестійкою. Врахування другої константи кубічної анізотропії (K2) призводить до існування фази з анізотропією типу “легка площина” (фаза D – ОЛН || <> (111)), що стає стійкою при деякому значенні K2 (див. табл. 1). На основі літературних даних можна очікувати реалізації такого типу магнітної анізотропії при легуванні залізо-ітрієвого гранату Y3Fe5O12 (YIG) іонами Ir4+. Показано, що знайдені орієнтаційні стани походять від систем ОЛН кубічного магнетика і є результатом зміни симетрії системи внаслідок наявності змішаної (кубічної та одновісної) магнітної анізотропії.
Визначені напрямки ОЛН пояснюють особливості доменної структури (ДС), що спостерігається в (111)-орієнтованих ЕПФГ на основі YIG, для якого магнітний стан у доменах при відсутності поля відповідає кутовій орієнтаційній фазі B. Основний об’єм ЕПФГ складають смугові домени, які утворюють макрообласті зі смуг однієї азимутальної орієнтації, причому існує три напрямки переважаючої орієнтації смуг (рис.2а). Аналіз конфігурації смугової ДС ЕПФГ показує, що домени розділені 180-ними границями, а напрямки смуг повинні мати азимутальну орієнтацію вздовж осей <> (рис. 2б), що й підтверджується визначенням напрямку рентгенодифракційним методом. Окрім 180-них доменних границь, існують такі, які розділяють домени, напрямки намагніченості у яких відрізняються на кути, близькі до 60 та 120 (рис. 2в). Ці доменні границі походять від 109-них та 71-них границь об’ємного кубічного гранату, а кут повороту вектора намагніченості в них, який реалізується в конкретній ДС, залежить від намагніченості насичення (4?Ms) та констант магнітної анізотропії ЕПФГ.
(б) |
(в)
Рис. 2.
Типове зображення доменної структури ЕПФГ на основі YIG (а), отримане за допомогою ефекту Фарадея в полі зору розміром 220220 мкм2. Схеми утворення 180-них, 120-них та 60-них доменних границь у кутовій фазі B(C) (б і в). Cтрілки, позначені суцільними лініями на рисунку (в), вказують напрямки намагніченості, що відхиляються від площини (111) вгору (субфази з < /2), а стрілки, виконані пунктиром, вказують відхилення вектора намагніченості вниз (субфази з > /2).
Шляхом моделювання досліджені особливості процесів перемагнічування (111)-орієнтованих епітаксійних плівок зі змішаною магнітною анізотропією у двох конфігураціях магнітного поля – при намагнічуванні вздовж нормалі (що відповідає конфігурації поля при магнітооптичній візуалізації) та при обертанні магнітного поля у площині плівки навколо нормалі (випадок феромодуляційного перетворювача з циркулярним збудженням). У цих випадках плівка може вважатися монодоменною. При намагнічуванні ЕПФГ вздовж нормалі, форма кривої намагнічування (КН) визначається в основному анізотропією форми, ефективне поле якої може бути представлене, як 4?Ms – 2KU/Ms, однак наявність кубічної анізотропії спотворює криву намагнічування. Наявність таких спотворень була експериментально підтверджена в ЕПФГ складу (LuPrBi)3(FeAl)5O12 при температурі 80 К і пов’язана із значною кубічною магнітною анізотропією, індукованою введенням Pr. Визначення параметрів кубічної анізотропії з апроксимації експериментальних КН добре узгоджується з даними, отриманими іншими авторами з використанням інших методів визначення параметрів анізотропії. Побудовані фазові діаграми індукованих полем орієнтаційних станів намагніченості, визначені границі рівноваги фаз та лінії фазових переходів. Особливості перемагнічування ферогранатової плівки з анізотропією типу “легка площина“ (фаза D) полягають у тому, що індуковані магнітним полем фазові переходи B(C) D B(C) відбуваються когерентно, як фазові переходи другого роду. Крім того, результати моделювання свідчать, що когерентне перемагнічування такої ЕПФГ може відбуватися при значно менших керуючих полях. Це обіцяє ряд переваг при використанні таких плівок у первинних перетворювачах магнітного поля. На основі дослідження процесів перемагнічування ЕПФГ зі змішаною магнітною анізотропією при намагнічуванні вздовж нормалі до плівки та при обертальному перемагнічуванні у площині плівки запропоновано методи визначення параметрів кубічної анізотропії ЕПФГ шляхом апроксимації КН.
Із застосуванням магнітооптичного ефекту Фарадея та цифрової обробки зображень проведене експериментальне дослідження доменної структури модельних об’єктів – епітаксійних плівок чистого YIG і YIG:La, та поведінки їх ДС у магнітному полі при квазістатичному перемагнічуванні. Окрім інтересу до фундаментальних аспектів дослідження ДС у плівках багатовісного магнетика, важливим з точки зору використання ЕПФГ у сенсорних пристроях є з’ясування, як залежить ДС від товщини ЕПФГ (оскільки у більшості випадків чутливість перетворювача магнітного поля зростає з товщиною шару), та встановленні ролі краю плівки в перемагнічуванні активного елементу перетворювача.
Наявність додаткових вкладів в енергію системи (енергії доменних стінок та магнітостатичної енергії ДС) призводить до появи додаткових ступенів свободи в системі, що розглядається. Перемагнічування смугової доменної структури ЕПФГ у площині плівки у напрямку смуг доменів відбувається як складна послідовність фазових переходів з реалізацією різноманітних рівноважних станів ДС. Параметрами смугової ДС, що змінюються під впливом поля, окрім періоду, є азимутальна орієнтація смуг ДС та локальна орієнтація намагніченості у доменах (зокрема нормальної до плівки складової), а також тип (і, відповідно, енергія) доменних границь. Це, зокрема, проявляється у незвичайній поведінці смугової ДС – у деякому інтервалі полів відбувається “злам” смугових доменів і перетворення ДС у зигзагоподібну структуру (рис.3а-в), поява якої свідчить про те, що одномірні та двохмірні моделі руху вектора намагніченості в доменах не спроможні описати всієї складності перетворення ДС ЕПФГ зі змішаним типом магнітної анізотропії. Виявлено, що при перемагнічуванні плівок з помірною одновісною анізотропією в площині плівки у магнітних полях, близьких до поля насичення, можуть утворюватися стійкі одиночні домени та періодичні структури з них (рис. 3г).
Рис. 3.
Еволюція доменної структури плівки YIG при прикладанні магнітного поля вздовж смуг доменів у площині плівки (а–в) та утворення ґратки одиночних ізольованих доменів (г). Розмір зображень становить 220220 мкм2 (а–в) і 120120 мкм2 (г).
Показано, що ДС плівок із зростанням товщини епітаксійного шару понад 30 мкм зазнає змін, що проявляються у розщепленні доменних границь поблизу поверхні. При ще більшому зростанні товщини шару виникають замикаючі домени як в об’ємному кристалі (рис. 4). З цієї точки зору епітаксійні шари, товщиною до ~ 30 мкм можна вважати тонкими плівками.
Рис. 4.
Зображення ДС плівки YIG:La товщиною 36 мкм на ділянці розміром 120120 мкм2 у відсутності магнітного поля (а) та зображення поверхні тієї ж плівки, отримане за допомогою магнітного силового мікроскопу на ділянці 3030 мкм2 (б). Зображення ДС плівок YIG:La товщиною 52 мкм (в) та 64 мкм (г) на ділянці 220220 мкм2.
Дослідження ролі краю плівки у формуванні та перемагнічуванні доменної структури показали, що крайові домени, які виникають біля сходинкоподібного краю і простягаються на ~ 40 мкм від нього, є більш жорсткими при перемагнічуванні, ніж ДС основного об’єму плівки (підвищуючи тим самим поле насичення) і, завдяки цьому, відіграють роль збурення та зародків доменів альтернативної орієнтації при перемагнічуванні плівки (рис. 5). При формуванні клиноподібного краю ситуація зворотна – перемагнічування основного об’єму плівки полегшується, що може бути використане для зниження поля монодоменізації ЕПФГ. |
Рис. 5. Поведінка доменної структури плівки YIG біля сходинкоподібного краю при прикладенні зовнішнього магнітного поля у площині плівки (вздовж горизонталі). Розмір зображень становить 220220 мкм2.
Четвертий розділ присвячений розробці та дослідженню активних середовищ для магнітооптичної візуалізації (МОВ) магнітних неоднорідностей в ВТНП матеріалах з метою дефектоскопічного контролю при низьких температурах. Діапазон полів, у яких спостерігається проникнення магнітного поля у ВТНП, може бути досить широким і досягати кількох сотень мТл.
У підрозділі 4.1 на основі аналізу перемагнічування ЕПФГ з анізотропією “легка площина” при реалізації схеми МОВ сформульовані вимоги до магнітних і магнітоанізотропних властивостей активного середовища. Оскільки розширення діапазону візуалізованих
