КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ЧАМОР ТАМІЛА ГРИГОРІВНА

УДК 537.8.029.6; 538.97-405; 548:537.611.44; 621.382.029.6; 537.86.029.65/.79

ЕЛЕКТРОМАГНІТНО – СПІНОВІ ХВИЛІ І КОЛИВАННЯ МІЛІМЕТРОВОГО

ДІАПАЗОНУ В БАГАТОШАРОВИХ СТРУКТУРАХ

01.04.03 – радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі квантової радіофізики

радіофізичного факультету Київського національного

університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Зависляк Ігор Володимирович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

професор кафедри квантової радіофізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Товстолиткін Олександр Іванович

провідний науковий співробітник відділу фізики тонких плівок

Інституту магнетизму НАН України та МОН України.

кандидат фізико-математичних наук, доцент

Коблянський Юрій Володимирович

старший науковий співробітник кафедри кріогенної і мікроелектроніки

Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Провідна установа: Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут” м. Київ

Захист відбудеться 25 вересня 2006 року о 15 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д26.001.31 Київського національного

університету імені Тараса Шевченка за адресою:

03022, м. Київ, проспект Глушкова 2, корпус 5, радіофізичний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного

університету імені Тараса Шевченка за адресою:

01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий 18 травня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кельник О.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Однією з важливих задач сучасної радіофізики є вивчення характеру поведінки магнітних параметрів епітаксіальних плівок гексаферитів, які використовуються для створення функціональних пристроїв надвисокочастотної (НВЧ) електроніки інтегрально-планарного виконання в діапазоні частот 14100 ГГц. Тому створення та освоєння нових технологій вирощування плівок барієвих гексаферитів, в тому числі, і шляхом рідкофазної епітаксії, різко підвищило інтерес до вивчення їх НВЧ властивостей.

Темою роботи є експериментальне вивчення особливостей спектрів електромагнітно-спінових збуджень в епітаксіальних плівках одновісних гексаферитів в стані з циліндричною доменною структурою (ЦДС) і плоскопаралельною доменною структурою (ППДС), а також в насиченому стані в діапазоні міліметрових довжин хвиль. Аналіз особливостей феромагнітного резонансу (ФМР) та магнітостатичних коливань (МСК) в епітаксіальних плівках чистого та заміщеного гексафериту барію з доменною структурою (ДС) та в насиченому стані в широкому діапазоні частот і встановлення характеру поведінки магнітних параметрів дозволять виробити рекомендації для оптимізації технологічних процесів при вирощуванні цих матеріалів, а також запропонувати конкретні пристрої на їх основі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дослідження проведені на кафедрі квантової радіофізики радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка в ході виконання госпдоговірних робіт, а також згідно з планом робіт проблемної лабораторії НВЧ і лазерних пристроїв по темі: “Надвисокочастотні та лазерні інформаційні технології” № 01БФ052-09.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є отримання нових знань з НВЧ спектроскопії планарних ферит–діелектричних структур на основі високоанізотропних чистих і заміщених барієвих гексаферитів і створення на цій основі практичних рекомендацій щодо реалізації елементної бази приладів НВЧ діапазону.

Об’єктом дослідження в даній роботі є процес взаємодії електромагнітного поля з магнітовпорядкованою речовиною з різними матеріальними параметрами в хвилевідних трактах.

Предметом дослідження є спектри поглинання в епітаксіальних плівках та об’ємних монокристалах гексаферитів, а також частотно-селективні елементи на основі таких структур. Для досягнення поставленої мети були визначені і сформульовані такі основні завдання:

Створення комплексу вимірювальних стендів для дослідження НВЧ спектрів епітаксіальних плівок гексафериту барію у широкому діапазоні частот і полів.

Виявлення та аналіз особливостей поглинальних спектрів в епітаксіальних плівках гексафериту барію в доменній області та насиченому стані.

Дослідження впливу підкладки на параметри взаємодії плівок гексафериту барію з НВЧ полем, аналіз закономірностей цього впливу на магнітні параметри одновісних гексаферитів.

Визначення впливу параметру заміщення х на магнітну кристалографічну анізотропію в алюмозаміщених епітаксіальних плівках гексафериту барію BaFe12-xAlxO19.

Практичне застосування досліджуваного матеріалу в елементній базі приладів спін-хвильової електроніки міліметрового діапазону.

Методи дослідження. Аналіз характеристик МСК і магнітостатичних хвиль (МСХ) в одновісних гексаферитах в стані з ДС та в насиченому стані, що базується на послідовному розв’язку неоднорідної магнітостатичної задачі, використовуючи рішення рівнянь Уокера з врахуванням відповідних граничних умов. Застосування теорії гібридизації електромагнітних і магнітостатичних коливань Олда. Використання хвилевідної методики для вимірювання параметрів НВЧ трактів та амплітудно–частотних характеристик електромагнітних полів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Експериментально встановлено, що величина поля одновісної анізотропії в епітаксіальних плівках барієвих гексаферитів менша ніж в об’ємних монокристалічних зразках.

Оцінено кількісний вплив заміщення іонів заліза іонами алюмінію на величину анізотропії в епітаксіальних плівках.

Досліджено вплив підкладки на взаємодію плівок з НВЧ полем при ФМР, а також на резонансні поля та ширини ліній ФМР (2Н).

Вперше виявлено гістерезис частотно–польової залежності у епітаксіальних плівках та монокристалічних пластинках гексафериту барію.

Вперше отримані спектри ФМР в епітаксіальних плівках барієвого гексафериту в стані з регуляризованими ППДС та ЦДС.

Вперше встановлено, що в структурі гексаферитова плівка-підкладка при зближенні частот ФМР та діелектричного резонансу збуджуються зв’язані ферит-діелектричні коливання.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті виконаних досліджень розроблені методи створення в епітаксіальних плівках регуляризованих доменних структур, вироблені рекомендації по оптимізації технологічних процесів при вирощуванні плівок методом рідкофазної епітаксії. На основі проведених досліджень особливостей ФМР в епітаксіальних плівках гексафериту барію запропоновано та створено одночастотний НВЧ–резонатор, а також двочастотний перестроюваний резонатор, які можуть бути застосовані при розробці невзаємних пристроїв.

Особистий внесок дисертанта. Автором самостійно отримано основну частину експериментальних результатів і виконана їх обробка. Разом з науковим керівником брала участь у постановці фізичних задач і фізичному тлумаченні одержаних результатів, а також у проведенні теоретичних розрахунків для їх порівняння з експериментом. Автором самостійно теоретично проаналізовано МСК та МСХ у багатошарових структурах на основі гексафериту барію.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались і обговорювалися на семінарах кафедри квантової радіофізики радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка і на наступних міжнародних наукових конференціях:

ХІ Міжнародна конференція ”СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии”, 2001, Севастополь (Україна);

ХІІ Міжнародна конференція по спіновій електроніці та гіровекторній електродинаміці, 2003, Москва (Росія);

IV International young scientists’ conference on applied physics, 2004, Kyiv (Ukraine);

ХІV Міжнародна конференція „СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии”, 2004, Севастополь (Україна);

II International Conference on Physics of Electronic Materials (PHYEM’05), 2005, Kaluga, (Russia);

Moscow International Symposium on Magnetism M.V. Lomonosov Moscow State University, (MisM), 2005, Moscow (Russia),

XV Міжнародна кримська мікрохвильова конференція „СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии”, 2005, Севастополь (Україна);

І Міжнародна конференція „Електроніка та прикладна фізика”, 2005, Київ (Україна);

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 11 наукових працях, в тому числі, в 4 статтях у фахових наукових журналах та у 7 тезах доповідей. На другій міжнародній конференції з фізики електронних матеріалів (Калуга), нагороджена Дипломом лауреата за кращу доповідь з наукового напрямку “Нові матеріали і технології”.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків до роботи та списку використаних літературних джерел, що містить 130 посилань. Робота має повний обсяг 162 сторінки, містить 92 рисунки і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовано її мету та задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність результатів, відображено особистий внесок автора, апробацію результатів і кількість публікацій за темою дисертації.

Перший розділ є оглядовим і присвячений аналізу опублікованих теоретичних та експериментальних досліджень по ФМР та МСК у епітаксіальних плівках та монокристалічних пластинках гексафериту барію. Розглянуто основні магнітні параметри одновісних гексаферитів, зроблено їх порівняння. Проаналізовано методи теоретичного дослідження поглинальних спектрів в одновісних гексаферитах в стані з ДС. Висвітлені основні проблеми при розв’язку задачі ФМР і МСК у тонкій пластинці з граткою циліндричних магнітних доменів (ЦМД) та плоскопаралельних доменів у випадку нормального намагнічування. Розглянуто магнітостатичну задачу, електромагнітну задачу з врахуванням ефектів запізнювання, теоретичну модель з новими електродинамічними умовами, запропонованими в теорії Сігала для плоскопаралельних і циліндричних доменів. Показано перспективність використання гексафериту барію (монокристалічних пластинок та епітаксіальних плівок) у функціональних НВЧ приладах міліметрового діапазону довжин хвиль. Розглянуто основні методи вирощування об’ємних монокристалів та епітаксіальних плівок, показані їх недоліки та переваги. Показано, що шляхом заміщення іонів заліза іонами титану, цинку, алюмінію, стронцію, кобальту в епітаксіальних плівках гексафериту барію можна змінювати поле кристалографічної анізотропії На і, таким чином, розширювати робочий діапазон НВЧ приладів від 14 до 100 ГГц. Зроблений вибір напрямків досліджень.

Другий розділ має методичний характер. У ньому описано методику вимірювання магнітних параметрів епітаксіальних плівок гексаферитів. Представлені пристрої для створення в зразках відтворюваної ДС певного типу та установка для намагнічування зразків. Проведено порівняльний аналіз магнітних спектрів з прямими оптичними спостереженнями ДС, встановлена їх кореляція. Визначено, що в області кутів між зовнішнім насичуючим полем та площиною плівки, де збуджується ЦДС або ППДС оптимальними є кути та , відповідно, для яких ці структури є найбільш регулярними, а поглинальні піки найбільш інтенсивні та вузькі. Для об’ємних монокристалічних пластинок при створенні регуляризованих ДС найбільш оптимальними є кути для ЦДС та для ППДС.

Розроблені методики по регуляризації ДС, створена відповідна приладова база. На базі вимірювальних ліній та панорамних вимірювачів коефіцієнтів стоячих хвиль за напругою (КСХН) реалізовані стенди, що дозволяють проводити вимірювання в широкому діапазоні частот та зовнішніх магнітних полів з подальшою обробкою спектрограм на персональному комп’ютері. Наведені формули обрахунків основних похибок.

У третьому розділі наводяться експериментальні результати. В експерименті виявлено різке збільшення інтенсивності поглинання НВЧ потужності, зміщення резонансного поля та збільшення ширини лінії (2Н) в епітаксіальних плівках у порівнянні з монокристалічними пластинками. З’ясовано, що в епітаксіальних плівках існує декілька факторів, які можуть впливати на інтенсивність поглинання та зміщення резонансного поля, оцінено вклад кожного з них:

наявність діелектричної підкладки з гексагалату стронцію (ГГС), яка є діелектричним концентратором НВЧ поля (10) і тому збільшує поглинання у феритовій плівці;

пружні напруги на межі підкладка–плівка викликані різницею сталих кристалографічних граток феритової плівки та підкладки, що через механізм магнітострикції призводить до виникнення додаткової одновісної анізотропії і, можливо, уширення лінії ФМР.

наявність перехідних шарів на межі плівка-підкладка та плівка-повітря товщиною 0,3 мкм.

резонансна взаємодія феромагнітного та діелектричного резонансів в структурі епітаксіальна плівка-підкладка.

Проведені експериментальні дослідження на плівках алюмозаміщених гексаферитів BaFe12-xAlxO19 вирощених НДІ міст Калуги та Ленінграду, показали, що при зміні параметру заміщення х від 0 до 1,8 поле одновісної анізотропії На змінюється в межах від 17 до 27 кЕ, відповідно. Теоретичний аналіз вкладу в константу кристалографічної анізотропії К1, при заміщенні іонів заліза Fe3+ іонами алюмінію Al3+ показав, що іони Al3+ розміщуються по всім підграткам рівномірно до величин х=2, а тому не відбувається її різкої зміни.

На рис. 1. представлено залежність величини На від х для епітаксіальних плівок алюмозаміщених барієвих гексаферитів. Заміщення іонами алюмінію іонів заліза зменшує намагніченість насичення 4М та, в меншій мірі, константу кристалографічної анізотропії, а тому поле зростає зі збільшенням концентрації алюмінію. Величина На визначалася із залежності резонансної частоти від зовнішнього магнітного поля Но при нормальному намагнічуванні:

(1)

Рис. 1. Залежність величини поля одновісної анізотропії На від параметру заміщення х для епітаксіальних плівок BaFe12xAlxO12.

Експериментально та теоретично досліджувалися дисперсійні залежності в структурі метал-ферит-діелектрик. Задача розглядалася в магнітостатичному наближенні та з врахуванням ефектів запізнювання. Представлені дисперсійні залежності для різних товщин пластинок гексафериту барію достатньо добре узгоджуються з експериментальними даними.

На рис. 2.-4. показані графіки залежностей інтенсивності, резонансного поля та ширини лінії ФМР від товщини підкладки для трьох зразків. Як видно з ходу залежностей, вони лінійно змінюються при товщинах підкладки менше 350-400 мкм для наведених в експерименті лінійних розмірах зразків. При збільшенні товщини підкладки в епітаксіальній плівці виникають зв’язані ферит–діелектричні коливання, внаслідок чого характер цих залежностей стає аномальним. В області гібридизації ферит – діелектричних коливань різко збільшується інтенсивність взаємодії НВЧ поля з епітаксіальною плівкою.

Рис. 2. Залежності КБХ в максимумі лінії поглинання від товщини підкладки d на

частоті 48,55 ГГц для трьох епітаксіальних плівок: 1- зразок № Г-3-5 товщина плівки t=12 мкм, геометричні розміри -2,1Ч0,7 мм2; 2-зразок № Г-5-11, t=12 мкм, геометричні розміри 2,5Ч0,8 мм2; 3- зразок № 24-1, t=8 мкм, геометричні розміри - 1,45Ч0,75 мм2.

Рис. 3. Залежності резонансних полів від товщини підкладки d для трьох досліджуваних зразків. 1,2,3 – аналогічно рис. 2.

Рис. 4. Залежності ширини лінії ФМР від товщини підкладки d для трьох досліджуваних зразків. 1,2,3 – аналогічно рис. 2.

В роботі вперше було виявлено і експериментально досліджено явище гістерезису частотно–польової залежності ФМР в епітаксіальних плівках та монокристалічних пластинках гексафериту барію. На рис. 5. приведена залежність резонансної частоти низькочастотної гілки від зовнішнього магнітного поля Но при нормальному намагнічуванні плівки (t=1,5 мкм), вирощеної на підкладці товщиною 500 мкм.

(2)

В цьому випадку низькочастотна гілка при збільшенні поля Но неперервно переходить у гілку насиченого зразка:

(3)

і спостерігаються дві області частот (або полів), в яких ця залежність має суттєво різний хід. При зменшенні Но до поля, яке ми називаємо полем зриву Нзр, однодоменний стан зразка зберігається і нижче поля насичення Ннас. Поле зриву Нзр, при якому в плівці виникає ДС суттєво залежить від якості матеріалу, тобто наявності дефектів

Рис. 5. Гістерезис частотно–польової залежності в епітаксіальній плівці гексафериту барію (t=1,5 мкм, d=500 мкм), На=16,8 кЕ, 2Н=100 Е, 1 – залежність при зростанні поля Но, 2 – при зменшенні поля: -низькочастотна гілка ФМР в доменній області, - гілка ФМР насиченого зразка.

Аналіз дослідженого явища гістерезису вказує на те, що епітаксіальні плівки є магнітожорстким матеріалом, що, очевидно, пов’язано з великою кількістю дефектів як в плівці, так і в підкладці.

Однією із причин гістерезису є також і магнітопружний вплив підкладки та наявність перехідних шарів на межі підкладка – плівка та плівка – повітря.

З огляду на досить суттєві відмінності в структурах об’ємних монокристалів та епітаксіальних плівок для порівняльного аналізу нами були проведені експериментальні дослідження гістерезису частотно–польової залежності ФМР в монокристалічних пластинках розмірами 2,5Ч2 мм2 з товщинами 62, 48 мкм та диску товщиною 17 мкм, діаметром 2,3 мм. У монокристалічних пластинках попередньо створювалася регулярна ДС (ЦДС або ППДС).

На рис. 6.-7. показано експериментальні залежності гістерезису частотно–польової залежності для монокристалічної пластинки товщиною 48 мкм з різними ДС. Розрахунок проведений за формулами (2) для доменної області та (3) і (4) при насиченні:

(4)

де

Рис. 6. Гістерезис частотно-польової залежності для пластинки товщиною 48 мкм з ППДС при нормальному намагнічуванні: - низькочастотна гілка поглинального спектру в доменній області, - резонансні гілки насиченого зразка. Суцільні лінії –частотно-польові спектри в доменній та насиченій областях, обчислені за формулами (3,4).

Як видно (рис. 6.-7.), при зменшенні величини Но<Hнас у пластинках також спостерігається гістерезис. Суттєвою відмінністю гістерезису в монокристалічних пластинках є різкий перехід (стрибком) з однодоменного в багатодоменний стан, на відміну від плівок, де цей процес відбувається плавно.

Рис. 7. Гістерезис частотно-польової залежності для пластинки товщиною 48 мкм з ЦДС при нормальному намагнічуванні: - низькочастотна та високочастотна гілки поглинального спектру в доменній області, - резонансні гілки насиченого зразка. Суцільні лінії – частотно-польові спектри в доменній та насиченій областях обчислені за формулами (3,4) і .

Рис. 8. Залежність поля зриву Нзр від товщини феритового шару для BaFe12O19:

- експериментальні дані для епітаксіальних плівок,

- експериментальні дані для пластинок об’ємних монокристалів

На рис. 8. приведений зведений графік залежності Нзр для досліджуваних епітаксіальних плівок та зразків об’ємних монокристалів.

Аналіз явища гістерезису в епітаксіальних плівках та об’ємних монокристалах вказує на те, що величина Нзр та характер зворотнього ходу можуть слугувати критерієм оцінки якості досліджуваних зразків.

При дослідженні частотно–польових залежностей ФМР у епітаксіальних плівках барієвого гексафериту були виявлені зв’язані ферит–діелектричні коливання. Експериментально вивчалися зв’язані феритові та діелектричні резонанси (ДР) в області гібридизації, частотно–польові залежності гібридних мод та вплив гібридизації на релаксаційні характеристики резонансів в частотному діапазоні 4254 ГГц. При певних розмірах зразків область частот гілки ДР наближається до області частот ФМР. Частота ДР не залежить від Но поза областю гібридизації. При зближенні частот ФМР та ДР спостерігалися зв’язані коливання цих резонансів, тобто виникала гібридизація коливань:

(5)

де - - гілка ФМР для насиченого зразка частоти (), - гілка ДР, частота якого взята з експерименту, - коефіцієнт зв’язку, що не залежить від величини Но і для нашого випадку .

Рис. 9. Частотно–польова залежність для двох гібридних мод зразка № Г-3-5, Ha=16,2 кЕ, t=12, d=511 мкм, пунктирна лінія-теорія ФМР, штрихова–діелектричний резонанс, суцільна лінія–розрахунок за теорією Олда (5),

- експеримент.

Експериментальні залежності виявлених зв’язаних ферит–діелектричних коливань добре узгоджуються з розрахунками за теорією Олда (рис. 9). Ефекти гібридизації досліджувалися і в доменній області. На рис. 10. представлена польова залежність резонансних частот зразка № Г-3-5 з структурою ЦМД.

Рис. 10. Теоретичні і експериментальні польові залежності резонансних частот зразка № Г-3-5, d=470 мкм, t=12 мкм для вихідної структури ЦМД. Суцільні лінії – розрахунок за формулами для , , що приведені вище, точки експеримент. - низькочастотна та високочастотна гілки поглинального спектру в доменній області, - резонансна гілка насиченого зразка, - гілка діелектричного резонансу.

З цього рисунка видно, що в доменній області високочастотна гілка не взаємодіє з гілкою ДР, а гібридизація відбувається тільки для гілки насиченого зразка , тобто, в доменній області відсутні зв’язані коливання. Це свідчить про те, що ефекти гібридизації мають місце тільки при однорідній намагніченості всього зразка.

Четвертий розділ присвячений практичному застосуванню отриманих результатів. НВЧ резонатори на монокристалах гексаферитів являють собою новий клас твердотільних резонаторів, резонансна частота яких в області насичення визначається напруженістю зовнішнього поля підмагнічування, що дозволяє оперативно змінювати характеристики НВЧ пристроїв. Використання в якості резонуючого елементу епітаксіальної плівки чи пластинки гексафериту барію зі створеною в ній регуляризованою ДС дає можливість працювати без зовнішнього поля підмагнічування або в області малих зовнішніх полів. Застосування епітаксіальних плівок до того ж дозволяє розробляти невзаємні пристрої в інтегрально–планарному виконанні. В результаті проведених експериментальних досліджень були сконструйовані та виготовлені два магнітостатичних резонатори з ППДС та ЦДС.

В монокристалічній пластинці або епітаксіальній плівці барієвого гексафериту з створеною у ній регуляризованою ППДС спостерігається інтенсивний резонанс на частоті 1. Використання цього поглинального піку спектра ФМР дає можливість створити НВЧ резонатор міліметрового діапазону. Для резонатора з структурою ЦМД спостерігається два інтенсивних резонанси на частотах та . Частота високочастотної гілки залежить від зовнішнього поля Но, що дозволяє змінювати частоту запропонованого пристрою. На рис. 11. зображена блок-схема НВЧ резонатора, в якому в якості резонуючого елемента використано епітаксіальну плівку барієвого гексафериту з створеною в ній структурою циліндричних або плоскопаралельних доменів. Стрілками на рисунку показано напрямок намагніченості в доменах. Границі доменних стінок паралельні площині XOZ.

Рис. 11. Блок-схема НВЧ резонаторів з ППДС або ЦДС. 1–відрізок прямокутного хвилеводу з поперечним перерізом 5,2Ч2,6 мм2, 2 – вузька стінка хвилеводу розміром b, 3–широка стінка розміром а, 4–епітаксіальна плівка гексафериту розмірами 2,25,0Ч0,008 мм3, 5–немагнітна підкладка з гексагалату стронцію (ГГС) товщиною 400 мкм, 6 – пристрій для переміщення епітаксіальної плівки, 7–діелектричний тримач.

Штриховою лінією показано магнітну силову лінію поля НВЧ хвилі типу Н10. Навантажена добротність таких резонаторів 300.

висновки

У висновках до роботи викладені найбільш важливі наукові та практичні результати досліджень особливостей електромагнітно-спінових коливань і хвиль у епітаксіальних плівках гексафериту барію.

Експериментально встановлено, що сумарне На в епітаксіальних плівках на 0,5 – 1,0 кЕ менше ніж в об’ємних монокристалічних зразках гексафериту барію. Це пов’язано з впливом магнітострикційного механізму на величину константи кристалографічної анізотропії К1 та перехідних шарів на межах підкладка-ферит та ферит – повітря в яких напрямок На не співпадає з віссю легкого намагнічування. Проведена оцінка вкладу магнітопружної енергії сталих граток, зумовленої невідповідністю сталих граток епітаксіальної плівки та підкладки, до енергії магнітної кристалографічної анізотропії. З’ясовано, що в окремих зразках епітаксіальних плівок 2Н ФМР наближається до 2Н ФМР об’ємних монокристалічних пластинок. Наявність у епітаксіальних плівках діелектричної підкладки суттєво впливає на параметри поглинальних спектрів. Високоякісні плівки з шириною лінії ФМР, наближеної до параметрів об’ємних монокристалів (20-30 Е), можна буде отримати, удосконалюючи технологію вирощування монокристалів ГГС з меншою кількістю структурних дефектів та домішок, а також підвищенням якості поверхні, на яку нарощується плівка. Це підтверджується нашими експериментальними дослідженнями, де існує достатньо широкий розкид значень 2Н ФМР плівок, вирощених із тієї ж шихти при варіації температури чи часу осадження, при цьому величина На, практично не залежить від вищевказаних параметрів і залишається постійною в межах конкретної серії.

Створення на основі гексафериту барію НВЧ пристроїв і розширення їх робочого діапазону частот від 14 до 100 ГГц, пов’язане з можливістю зміни полів одновісної анізотропії від 5 до 30 кЕ. Для цього використовують заміщені гексаферити барію. Експериментально показано, що в епітаксіальних плівках алюмозаміщених гексаферитів BaFe12xAlxO12 параметр заміщення х суттєво впливає на величину На, що пов’язано з різним характером ходу залежностей величин К1 та намагніченості М. При збільшенні х від 0 до 1,8 значення На змінюється в межах від 17 кЕ до 27 кЕ, відповідно. Проведений аналіз підграткового вкладу при заміщенні іонів Fe3+ іонами Al3+ добре узгоджується з результатами експерименту. Таким чином, збільшуючи х можна одержати алюмозаміщені барієві гексаферити із значно збільшеним полем кристалографічної анізотропії та меншою намагніченістю насичення. Збільшення величини На поряд з можливістю її плавної зміни дозволяє виростити матеріали заміщеного барієвого гексафериту з наперед визначеними характеристиками, тому це досить перспективний матеріал для просування в область більш високих частот. Разом з тим, необхідно відзначити, що із збільшенням х 2Н ФМР зростає і при х2 перевищує 500 Е. Це не пов’язано з невідповідністю сталих граток плівки та підкладки, тому що при х2 параметри граток BaFe12xAlxO12 та SrGa12O19 (ГГС) практично співпадають.

Експериментально виявлено різке збільшення величини поглинання НВЧ потужності в епітаксіальних плівках у порівнянні з монокристалічними зразками і встановлено, що це поглинання пов’язане з наявністю діелектричної підкладки, яка суттєво збільшує зв’язок феритової плівки з НВЧ полем. Показано, що поглинання лінійно збільшується при збільшенні товщини підкладки d>350-400 мкм, а при подальшому збільшенні спостерігається аномальний ріст інтенсивності поглинання. Аналогічні залежності від товщини підкладки спостерігаються також для резонансного поля та ширини лінії ФМР. Встановлено, що причиною аномального росту параметрів взаємодії є збудження зв’язаних ферит – діелектричних коливань при певних лінійних розмірах та товщинах підкладки (d>350-400мкм).

Проведено дослідження частотно–польових залежностей в епітаксіальних плівках гексафериту барію при нормальному підмагнічуванні в широкій області зовнішніх магнітних полів Но, які охоплюють всю доменну область та область насичення. Вивчення частотно-польових спектрів виконано для регуляризованих доменних структур в стані з ЦДС і ППДС. Визначено, що ширина лінії ФМР в доменній області не відрізняється від ширини лінії в області насичення. Вперше виявлено гістерезис частотно–польових залежностей при переході із однодоменного в багатодоменний стан. Показано, що в епітаксіальних плівках цей перехід відбувається плавно через її блочну структуру та велику кількість дефектів як у феритовій плівці, так і в підкладці. Для порівняння проведені експериментальні дослідження явища гістерезису і в монокристалічних пластинках, де на відміну від плівок, перехід в багатодоменну область відбувається стрибком. Характер переходу із однодоменного в багатодоменний стан може слугувати критерієм якості епітаксіальних плівок.

Виявлено, що при товщинах підкладки більше 350-400 мкм у епітаксіальних плівках відбувається гібридизація зв’язаних ферит–діелектричних коливань. Показано, що зв’язані ферит–діелектричні коливання супроводжуються виникненням забороненої зони та затягуванням частот, тобто, епітаксіальна структура є звичайним зв’язаним ферит–діелектричним резонатором міліметрового діапазону довжин хвиль. Експериментальні дослідження ширини лінії ФМР при зближенні резонансів показали різке її збільшення при скануванні полем (в декілька разів). Проведені порівняння одержаних експериментальних результатів з розрахованими по теорії зв’язаних коливань показали, що всі виявлені аномалії в поведінці ФМР добре пояснюються цією теорією. Цікаво відмітити, що ефекти гібридизації присутні тільки в областях однорідної намагніченості всього зразка тільки для гілки . В доменній області високочастотна гілка не взаємодіє з діелектричною резонансною гілкою .

На основі проведених експериментальних досліджень ФМР у епітаксіальних плівках і резонаторах на цих плівках встановлено, що на їх основі можна створити резонатори з ППДС та ЦДС, які працюють без прикладання зовнішніх магнітних полів та запропоновані технічні рішення „НВЧ резонатор” і „Двочастотний НВЧ-резонатор”.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ зА темОЮ дисертації

Чамор Т.Г. Сучасний стан розвитку технологій створення високоанізотропних феритових матеріалів та методів дослідження їх магнітних властивостей // Вісник Київського університету. Серія: Фізико-математичні науки. – 2003. - № 1. - С. 299-306.

Зависляк И.В., Костенко В.И., Чамор Т.Г., Чевнюк Л.В. Ферромагнитный резонанс в эпитаксиальных пленках одноосных бариевых гексаферритов // Журнал технической физики – 2005. – Т.75, № 4. - С. 128-130.

Костенко В.І., Чамор Т.Г., Чевнюк Л.В. Феромагнітний резонанс в алюмозаміщених плівках гексафериту барію // Український фізичний журнал – 2005. – Т. 50, № 3. – С. 264-266.

Пат. 8549 Україна, МКИ 7Н01Р1/218: Двочастотний НВЧ-резонатор Пат. 8549 Україна, МКИ Н01Р1/218 В.І. Костенко, Т.Г. Чамор, Л.В. Чевнюк; Київський національний університет імені Тараса Шевченка. № 20041210968; // Бюлетень № 8; Заявл. 30.12.04; Опубл. 15.08.2005. - 4 с.

Chamor T.G., Zavislyak I.V., Kostenko V.I., Chevnyuk L.V. Prospects of uniaxial barium hexaferrite films application for millimeter band microwave techniques // Materials 2nd International Conference on Physics of Electronic Materials (PHYEM’05). - Kaluga (Russia), 2005. - Vol. I. – P. 169-171.

Chamor T.G Zavislyak I.V., Kostenko V.I., Chevnyuk L.V. Ferromagnetic resonance features in the epitaxial films of barium hexaferrites // Proc. of the IV International young scientists’ conference on applied physics. 2004. - Kyiv. – P. 78-79.

Chamor T.G Zavislyak I.V., Kostenko V.I., Chevnyuk L.V. Crystallographic anisotropy in epitaxial films of uniaxial barium ferrites // Proc. of the IV International young scientists’ conference on applied physics. – Kyiv (Ukraine), -2004. – P. 80-81.

Зависляк И.В., Загородний В.В., Костенко В.И., Чамор Т.Г., Чевнюк Л.В. Резонаторы мм – диапазона на основе бариевого феррита с доменной структурой // Материалы 14 Международной конференции „СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо’04).– Севастополь (Украина), – 2004. - С. 418-419.

Zavislyak I.V., Kostenko V.I., Chamor T.G., Chevnyuk L.V. Coupled ferrite-dielectric resonances in epitaxial barium ferrite films // Materials Moscow International Symposium on Magnetism M.V. Lomonosov Moscow State University, (MisM). - Moscow (Russia), - 2005. – P. 604-605.

Чамор Т.Г., Костенко В.И., Чевнюк Л.В. СВЧ измерения магнитного гистерезиса методом ферромагнитного резонанса в миллиметровом диапазоне длин волн // Материалы 15 Международной Крымской Микроволновой Конференции „СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМиКо’05). Севастополь (Украина), 2005. - С. 799.

Chamor T.G., Gorpynyuk A.Yu., Zavislyak I.V., Kostenko V.I., Chevnyuk L.V. Composite solid-state resonators based on single axis barium ferrite epitaxial films // Proc. of the I international conference „Electronics and applied physics”. – Kyiv (Ukraine), - 2005. P. 40-41.

Анотація

Чамор Т.Г. Електромагнітно–спінові хвилі і коливання міліметрового діапазону в багатошарових структурах – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню електромагнітно–спінових хвиль і коливань в багатошарових структурах.

Експериментально вивчено особливості спектрів елементарних магнітних збуджень в епітаксіальних плівках одновісних гексаферитів в стані з циліндричною доменною структурою (ЦДС) і плоскопаралельною доменною структурою (ППДС) та в області насичення при нормальному намагнічуванні. Отримані експериментальні результати добре узгоджуються з розрахунковими.

В роботі досліджено вплив підкладки на параметри взаємодії плівок гексафериту барію з НВЧ полем, проведено порівняльний аналіз для плівок різних товщин.

Вперше виявлено гістерезис частотно–польової залежності феромагнітного резонансу (ФМР) в епітаксіальних плівках та монокристалічних пластинках барієвих гексаферитів. Показано, що в епітаксіальних плівках перехід з однодоменного в багатодоменний стан відбувається плавно, а в монокристалічних об’ємних зразках – стрибком. Це пов’язано з тим, що епітаксіальна плівка не є однозв’язною магнітною областю, а складається з окремих блоків, де зародження доменної структури (ДС) відбувається при різних значеннях зовнішнього магнітного поля. Тому характер частотно–польової залежності може слугувати параметром якості епітаксіальних плівок.

Вперше отримані спектри зв’язаних коливань в структурі епітаксіальна плівка гексафериту барію–підкладка з гексагалату стронцію, що добре узгоджуються з теорією гібридизації електромагнітних та магнітостатичних коливань Олда. Експериментально досліджено зміну ширини лінії ФМР в області гібридизації.

Створено і досліджено одно та двочастотні НВЧ резонатори, де в якості резонуючого елементу використано епітаксіальну плівку з ППДС та ЦДС. Запропоновані технічні рішення, які можуть бути застосовані при розробці невзаємних пристроїв, що працюють в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Ключові слова: епітаксіальна плівка, феромагнітний резонанс, магнітостатичні коливання, гексаферит барію, плоскопаралельна доменна структура, циліндрична доменна структура, НВЧ резонатор.

Аннотация

Чамор Т.Г. Электромагнитно – спиновые волны и колебания миллиметрового диапазона в многослойных структурах – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 – радиофизика. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2006.

В работе изложены результаты экспериментальных исследований электромагнитно–спиновых колебаний и волн в эпитаксиальных пленках чистых и замещенных гексаферритов бария. Основное внимание уделено изучению влияния подложки на параметры взаимодействия эпитаксиальных пленок с СВЧ полем, проведен анализ этого влияния на магнитные параметры одноосных гексаферритов. Проведены сравнительные эксперименты на составных структурах феррит–диэлектрик для изучения влияния переходного слоя на границе раздела двух сред.

Показано, что диэлектрическая подложка является концентратором СВЧ поля и усиливает связь пленки с полем в области размерных параметров подложки, при которых отсутствуют связанные феррит – диэлектрические колебания (до толщин 350-400 мкм). Интенсивность взаимодействия резко возрастает при толщинах подложки больше 350-400 мкм, когда возникает гибридизация диэлектрической и магнитостатической мод.

Впервые обнаружен гистерезис частотно–полевой зависимости ферромагнитного резонанса (ФМР) в эпитаксиальных пленках и монокристаллических пластинках бариевого гексаферрита. Показано, что в эпитаксиальных пленках переход с однодоменного в многодоменное состояние происходит плавно, а в монокристаллических пластинках – скачком. Это обусловлено тем, что эпитаксиальная пленка не является односвязной магнитной областью, а состоит из отдельных блоков, где зарождение доменной структуры (ДС) происходит при различных значениях внешнего магнитного поля. Поэтому характер частотно–полевой зависимости и величина поля срыва при может служить характеристикой степени однородности пленки. Предложен анализ характеристик магнитостатических колебаний (МСК) и магнитостатических волн в одноосных гексаферритах в состоянии с ДС и при насыщении, который базируется на решении уравнений Уокера. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с теоретическими дисперсионными кривыми, рассчитанными в магнитостатическом приближении, а также с учетом эффектов запаздывания.

Впервые получены спектры связанных колебаний в структуре пленка – подложка, что хорошо согласуется с теорией гибридизации электромагнитных и магнитостатических колебаний Олда. Экспериментально обнаружено, что эпитаксиальная пленка бариевого гексаферрита, выращенная на подложке из гексагаллата стронция, является перестраиваемым феррит – диэлектрическим резонатором. При сближении резонансной диэлектрической моды подложки и магнитостатической моды ферритовой пленки происходит их гибридизация, наблюдаемая только в области насыщения ферритовой пленки. При этом ширина линии ФМР - 2Н в области гибридизации (47 ГГц) увеличивается почти в 3 раза в сравнении с 2Н вне области гибридизации (45 ГГц). Расчет и сравнение с экспериментом сделан для бариевого гексаферрита. В области существования ДС связанные феррит – диэлектрические колебания отсутствуют.

В результате проведенных экспериментальных исследований разработаны и изучены одно - и двухчастотные резонаторы, где в качестве резонансного элемента применялась эпитаксиальная пленка гексаферрита бария с ППДС и ЦДС. Предложены технические решения, которые могут применяться при разработке невзаимных устройств, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн.

Ключевые слова: эпитаксиальная пленка, ферромагнитный резонанс, магнитостатические колебания, гексаферрит бария, плоскопараллельная доменная структура, цилиндрическая доменная структура, доменная структура, СВЧ резонатор.

SUMMARY

Chamor T.G. Electromagnetic spin waves and oscillations of millimeter range in the multi-layer structures – Manuscript.

Thesis for achieving the scientific degree of the candidate of the physics and mathematical sciences according to the speciality 01.04.03 – radiophysics. The Kyiv National Taras Shevchenko university, Kyiv, 2006.

The thesis are devoted to the investigation of the electromagnetic and spin oscillations and waves in the multi-layer structures.

The main attention is paid to the experimental research of the spectrums peculiarities of elementary magnetic disturbances in epitaxial films of single-axis hexaferrites in the condition with the cylindrical domain structure (CDS) and parallel-plate domain structure (PPDS) and in the saturation area under normal magnetizing.

In the paper the influence is being investigated of the substrate layer onto the parameters of the interaction of barium hexaferrite films with the ultrahigh frequency field, as well as the comparative analysis is conducted for the films with different thickness.

For the first time the hysteresis of frequency and field dependence ferromagnetic resonance (FMR) is discovered in the epitaxial films and monocrystal plates of barium hexaferrites. It is shown that in the epitaxial films the transition from one-domain to multi-domain condition takes place smoothly, and in the monocrystal structures it occurs in a way of a discontinuous jump. It is connected with the fact that the epitaxial film is not a one-connected magnetic area, but consists of separate blocks where the creation of the DS occurs under different values of the external magnetic field. That is why the character of the frequency and field dependence can serve as a parameter of the epitaxial films quality.

For the first time the spectrums of connected oscillations in the film-substrate structure are received that coincide well with the Old hybridization theory for electromagnetic and monostatic oscillations. The calculations and comparison with the experiment are conducted for the barium hexaferrite.

The one-frequency and two-frequency ultrahigh frequency resonators are created and investigated where as a resonator element the epitaxial film with PPDS and CDS is used. The technical decisions are proposed that can be applied in the process of development of non-reciprocal devices working in the millimeter range of wavelength.

Keywords: epitaxial film, ferromagnetic resonance, magnetic and static oscillations, barium hexaferrite, parallel-plate domain structure, cylindrical domain structure, domain structure.