Електромагнітно-спінові хвилі і коливання міліметрового діапазону в багатошарових структурах - Автореферат

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 14?100 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. прилад спін хвильовий електроніка 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. 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. Аналіз характеристик МСК і магнітостатичних хвиль (МСХ) в одновісних гексаферитах в стані з ДС та в насиченому стані, що базується на послідовному розвязку неоднорідної магнітостатичної задачі, використовуючи рішення рівнянь Уокера з врахуванням відповідних граничних умов.Показано перспективність використання гексафериту барію (монокристалічних пластинок та епітаксіальних плівок) у функціональних НВЧ приладах міліметрового діапазону довжин хвиль. 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. В експерименті виявлено різке збільшення інтенсивності поглинання НВЧ потужності, зміщення резонансного поля та збільшення ширини лінії (2DH) в епітаксіальних плівках у порівнянні з монокристалічними пластинками. Зясовано, 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 (e»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.Експериментально встановлено, що сумарне На в епітаксіальних плівках на 0,5 - 1,0 КЕ менше ніж в обємних монокристалічних зразках гексафериту барію. Це повязано 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. Високоякісні плівки з шириною лінії ФМР, наближеної до параметрів обємних 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 2DH 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. Експериментально виявлено різке збільшення величини поглинання НВЧ потужності в епітаксіальних плівках у порівнянні з монокристалічними зразками і встановлено, що це поглинання повязане з наявністю діелектричної підкладки, яка суттєво збільшує звязок феритової плівки з НВЧ полем.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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 обємних монокристалічних зразках гексафериту барію. Це повязано 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. Зясовано, що в окремих зразках епітаксіальних плівок 2DH ФМР наближається до 2DH ФМР обємних монокристалічних пластинок. Наявність у епітаксіальних плівках діелектричної підкладки суттєво впливає на параметри поглинальних спектрів. Високоякісні плівки з шириною лінії ФМР, наближеної до параметрів обємних 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 2DH 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, повязане 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 BAFE12-XALXO12 параметр заміщення х суттєво впливає на величину На, що повязано 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 2DH ФМР зростає і при х»2 перевищує 500 Е. Це не повязано з невідповідністю сталих граток плівки та підкладки, тому що при х»2 параметри граток BAFE12-XALXO12 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 повязане з наявністю діелектричної підкладки, яка суттєво збільшує звязок 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 звязаних 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 звязаних ферит-діелектричних коливань. Показано, що звязані ферит-діелектричні коливання супроводжуються виникненням забороненої зони та затягуванням частот, тобто, епітаксіальна структура є звичайним звязаним 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 звязаних 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”.

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.