Исследование релаксационных характеристик спектров спин-волнового резонанса в многослойных магнитных пленках

“Исследование релаксационных характеристик

спектров спин-волнового резонанса в многослойных магнитных пленках”.

Введение.

Исследования, которые описываются в данной работе, тесно связаны с явлениями ферромагнитного и спин-волнового резонансов. Поэтому следует пояснить сущность этих явлений.

Сущность явления ФМР заключается в избирательном поглощении энергии электромагнитного поля ферромагнетиком при одновременном действии постоянного магнитного поля.

Условие ферромагнитного резонанса в отсутствии диссипации в системе имеет вид:

,

где g- гиромагнитное отношение, которым определяется связь между магнитным и механическим моментами вещества, H – внешнее магнитное поле, – частота электромагнитного поля.

Наличие в ферромагнетике обменного взаимодействия приводит к отклонению спинов соседних атомов при отклонении одного из них от равновесного положения. При определенных граничных условиях в этом случае возбуждаются стоячие спиновые волны. Это явление получило название спин-волнового резонанса (СВР).

Спин-волновой резонанс (СВР) проявляется в многократном поглощении энергии электромагнитного поля ферромагнетиком. СВР представляет собой эффективный метод исследования вещества. С его помощью могут быть получены сведения о структуре вещества, могут быть измерены константы обмена, анизотропии, намагниченность, параметры диссипации слоев и т. д.

Цель настоящей работы состояла в исследовании релаксационных характеристик спектров СВР в двух - и трехслойных пленках. Изучение релаксационных процессов в магнитных спиновых системах представляется одной из интересных и актуальных задач. Особенно это связано с проводимыми в последнее время активными исследованиями и перспективами практического использования многослойных магнитных пленочных структур.

К релаксационным характеристикам относят параметр затухания Гильберта α, глубину проникновения спиновой волны в слой закрепления l, время релаксации τ , ширину линий спин-волновых мод 2ΔH. В данной работе исследуется ширина линий спин-волновых мод.

Методы исследования.

Измерения параметров спектров СВР проводились на двух - и трехслойных монокристаллических пленках феррит-гранатов с различной толщиной , значениями параметра затухания Гильберта и намагниченности в слоях.

Ферриты-гранаты имеют кубическую структуру граната с общей формулой R3Fe5O12, где R3+ – редкоземельные ионы (РЗИ). Элементарная ячейка феррит-гранатов содержит 8 молекул R3Fe5O12. В феррит-гранатах имеется три типа позиций: большая часть ионов Fe3+ занимает тетраэдрические, меньшая часть ионов Fe3+ – октаэдрические, а ионы R3+ – додекаэдрические позиции. Это значит, что большая часть ионов Fe3+ окружены четырьмя ионами кислорода, меньшая часть ионов Fe3+ окружены шестью ионами кислорода и редкоземельные ионы окружены восемью ионами кислорода( см. Приложение 1).

Регистрацию спектров СВР проводили на радиоспектрометре РЭ-1301 ( схема радиоспектрометра показана в приложении 2) при комнатной температуре на частоте СВЧ-поля Гц. Магнитное поле измеряли с помощью холловского измерителя магнитной индукции РШ1-10.Мы регистрировали пики производной от линии поглощения. Затем вычисляли ширину линий СВ-мод 2ΔH и строили графики. Кривые на рисунках построены в виде зависимостей ширины линий СВ-мод от значений волнового числа , которое принималось равным для двухслойной пленки и для трехслойной. Здесь - толщина слоя возбуждения. На основе этих графиков были сделаны соответствующие выводы, о которых речь пойдет далее.

Эксперимент и теоретический расчет.

Проведенные эксперименты позволили обнаружить и установить следующее. В двухслойных пленках с сильно различающимися значениями в слоях (образец №1) происходит ярко выраженное возрастание ширины линий СВ-мод с увеличением волнового числа (приложение 3, кривая 1). Наличие слоев закрепление с обеих сторон слоя возбуждения (трехслойная пленка) приводило к усилению зависимости от (приложение 3, кривая 2). При одинаковых величина уширения линий СВ-мод в трехслойной пленке примерно в два раза превышает величину уширения в двухслойной.

Один из интересных результатов заключался в обнаруженной анизотропии ширины линий СВ-мод. Если в образцах с доминирующим диссипативным механизмом закрепления спинов зависимости при перпендикулярной и параллельной ориентациях внешнего магнитного поля относительно пленки в пределах погрешности измерений ширины линии совпадали между собой, то при уменьшении действия этого механизма они начинали существенно различаться. Это иллюстрирует приложение 4, где показаны зависимости для образца №3.

При исследовании образцов с различными толщинами слоя возбуждения обнаружено, что ширина линий СВ-мод в образце с меньшей толщиной слоя возбуждения больше ширины линий СВ-мод образца с большей толщиной слоя возбуждения (приложение 5).

Для объяснения полученных зависимостей нами был проведен анализ влияния области затухания стоячих спиновых волн в слое закрепления на ширину линий СВ-мод. При любом механизме закрепления спинов стоячую спиновую волну можно рассматривать состоящей из двух обменно связанных компонент: гармонической, локализованной в слое возбуждения, и компоненты, затухающей в слое закрепления. Такое представление позволяет упростить определение параметров линий СВ-мод.

Интересующую нас релаксационную характеристику – ширину линий спин-волновых мод можно выразить как , где – некоторый эффективный параметр затухания, зависящий от значений , и гиромагнитного отношения каждого из слоев, а также конфигурации спин-волновой моды, – эффективное значение гиромагнитного отношения - й СВ-моды[2].

где и – толщины соответствующих слоев.

где и - постоянные, - волновое число,k/2 –действительная, - мнимая части волнового числа в слое закрепления, соответствует свободной границе слоя возбуждения. При доминирующем действии диссипативного механизма закрепления величиной пренебрегали. Набор возможных волновых чисел и соотношение между и можно определить пользуясь граничными условиями:

;

Получим:

,

.

Здесь – параметр, определяющий степень закрепления спинов, который обратно пропорционален глубине проникновения спиновой волны в слой закрепления. При диссипативном механизме закрепления спинов будет в основном определяться значениями и слоя закрепления.

Как следует из приложений 3-5, с увеличением волнового числа (или номера моды, поскольку ) ширина линии возрастает. Это связано с увеличением глубины проникновения , а следовательно, увеличением относительного влияния области затухания на . Как следует из приложения 5 с уменьшением толщины слоя возбуждения происходит усиление относительного влияния области затухания на ширину линий спин-волновых мод.

Учет наличия двух областей затухания в трехслойной пленке, для которой граничные условия являются симметричными, приводит к удвоению величины уширения (приложение 3).

В приложении 4 приведены расчетные и экспериментальные зависимости для образца №3.

Ярко выраженная анизотропия ширины линий спин-волновых мод обусловлена тем, что глубина проникновения в образце №3 сильно зависит от ориентации внешнего магнитного поля относительно пленки. При перпендикулярной ориентации спиновые волны экспоненциально убывают в слое закрепления от границы раздела слоев. При параллельной ориентации спиновые волны являются экспоненциально убывающими, гармоническими. В этом случае существенно больше, чем при перпендикулярной ориентации, что и приводит к большему переменному магнитному моменту области затухания и, как следствие, к большей ширине линий СВ-мод.

Таким образом, в настоящей работе установлено, что область затухания спиновых волн в слое закрепления является одним из каналов диссипации их энергии.

Уширение линий спин-волновых мод, обусловленное областью затухания, возрастает с увеличением номера моды и может во много раз превышать собственную ширину линии слоя возбуждения.

Ширина линий СВ-мод в трёхслойных плёнках примерно в 2 раза превышает ширину линий СВ-мод в двухслойных плёнках, что связано с наличием третьего слоя.

Обнаруженная анизотропия ширины линий спин-волновых мод связана с зависимостью глубины проникновения спиновых волн в слой закрепления от ориентации внешнего магнитного поля относительно пленки.

Таблица. Параметры многослойных пленок.

№ образца	№ слоя	Состав	h	g,107 Oe-1s-1	a	4pM, Gs	Oe
1	1 и 3		1.2	1.66	0.84	450	-78
	2*		0.84	1.76	0.003	1740	-1715
2	1		1.8	1.38	0.2	1330	96
	2*		0.78	1.76	0.003	1740	-1715
3	1		2.0	1.74	0.12	560	980
	2*		0.36	1.76	0.0009	1680	-1620

2* – слой возбуждения гармонических СВ-мод.

ЛИТЕРАТУРА

1.  , , . Письма в ЖТФ 9, 3, 177 (1983)

2.  , , ФТТ, 42, 7,

1279 (2000)

3. . Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагне - тиках. Наука. М. (1973), 592 с.

4. B. Hoekstra, R. P. van Stapele, J. M. Robertson, J. Appl. Phys. 48, 1, 382 (1977).

Приложение 1. Кристаллическая структура магнитных гранатов.

1 – ионы кислорода;

2 – октаэдрические позиции (меньшая часть ионов Fe3+);

3 – тетраэдрические позиции (большая часть ионов Fe3+);

4 – додекаэдрические позиции (ионы R3+).

Приложение 3. Зависимости 2ΔH от k образца №3:

1-перпендикулярная; 2-параллельная ориентации.

Точки – эксперимент, линии – расчет для значений pk1: 1 - ;

2 - см-2.

Приложение 4. Зависимости 2ΔH от k для образца №3:

1 - перпендикулярная; 2 – параллельная ориентации.

Точки – эксперимент

, линии – расчет для значений pk1:1- ;

2- см-2 .

Приложение 5. Зависимость ширины линий 2DH от значений волнового числа k для образца №2 при толщине слоя возбуждения h: 1-1.08мкм;

2-0.4мкм.

Точки – эксперимент, линии – расчет для значения pk1=см-2 .

 

Приложение 2. Блок-схема радиоспектрометра РЭ-1301