Влияние сегнетоэлектрического слоя на электродинамические характеристики ферритового волновода конечной ширины
,
Саратовский государственный университет имени
*****@***ru
Развитие технологий изготовления магнитных микро - и наноразмерных структур приводит к необходимости использования численных методик расчета характеристик распространения спиновых и магнитостатических волн. Миниатюризация волноведущих структур, выполненных на основе пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ) представляется интересной ввиду относительно небольшого затухания по сравнению, например, с пермаллоем. В настоящее время особый интерес представляет исследование слоистых волноведущих структур из ферритового и сегнетоэлектрического слоев [1], т. н. мультиферроики. Применение мультиферроика в качестве основы для создания волновода позволяет управлять его электродинамическими характеристиками внешним магнитным и электрическим полями, что может найти применение для создания СВЧ фазовращателей, фильтров, линий задержки и резонаторов.
Цель настоящей работы состояла в адаптации методики расчета электродинамических характеристик ферромагнитных структур [2] для исследования собственных мод и дисперсионных характеристик поверхностных магнитостатических волн в ограниченном в поперечном направлении волноводе на основе мультиферроика. В различных работах (например[3]) было проведено детальное исследование распространения поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в волноводе конечной ширины, в работе [4] исследовалось влияние сегнетоэлектрика на ПМСВ в безграничной структуре. В настоящей работе методом конечных элементов изучается влияние сегнетоэлектрического слоя на спектр ПМСВ в ограниченной по ширине структуре. На рис. 1, а показано продольное сечение волновода, являющееся расчётной структурой. Верхняя и нижняя границы расчетной области представляют собой идеальный металлический проводник, на левой и правой границе устанавливались граничные условия в виде магнитных стенок. Внешнее магнитное поле направлено вдоль оси x, его величина варьировалась при решении, плёнка ЖИГ намагничивалась до насыщения 4πM0=1750 Гс. Конечно - элементная сетка состояла из элементов треугольной формы характерного размера 70 µm, в области вокруг ферритовой пленки выполнялось измельчение до размера 15 µm, т. к. локализация полей вблизи и внутри ЖИГ требует повышенной разрешающей способности численного анализа.
|
|
a | б |
Рис. 1. а) Схема расчетной области и её геометрические размеры. ГГГ – подложка из галий-гадолиниевого граната.; б) Дисперсионные характеристики слоистой структуры с сегнетоэлектрическим слоем (сплошные кривые) при значении H0=3000 Э. Штрих-пунктирными линиями отмечены дисперсионные характеристики первой моды диэлектрического волновода с | |
(кривая 1) и дисперсионные характеристики первой моды слоистой структуры в случае, когда 
(кривая 2). На вставках показано распределение 
в центре расчетной области в точках, отмеченных на кривых, для значений волновых чисел 
см-1 и 
см-1.Рассматривается распространение поверхностной магнитостатической волны в волноведущей структуре в направлении оси z. Результат влияния сегнетоэлектрического слоя на дисперсию ПМСВ представлен на Рис. 1 б. Штрихпунктирные линии – дисперсия ПМСВ (1) и дисперсия диэлектрического волновода (2) в случае, когда у сегнетоэлектрика ε=1, штриховые линии – граничные частоты ПМСВ. Сплошные линии – результат гибридизации быстрой волны в сегнетоэлектрическом слое и медленной в ферритовом. Результатом является значительная трансформация ПМСВ как по крутизне, так и по полосе пропускания.
Для явления гибридизации необходимо близкое расположение ветвей быстрой и медленной волн, что достигается управлением внешним магнитным полем H0 (изменяется полоса распространения ПМСВ), внешним электрическим полем (изменяется значение ε сегнетоэлектрического слоя), а также конфигурацией волноведущей структуры. При анализе структуры с шириной ЖИГ и ГГГ 200µм не выявлено влияние ε на характеристики ПМСВ, т. к. дисперсионные характеристики собственных мод смещаются в область больших волновых чисел и эффективность гибридизации падает. При больших ε увеличивается наклон дисперсионных характеристик быстрых волн, что увеличивает область гибридизации и трансформацию дисперсионной кривой ПМСВ до больших значений k. При уменьшении H0 область существования ПМСВ смещается в нижние частоты и не попадает в область существования быстрой волны, распространяющейся в сегнетоэлектрическом слое, что уменьшает область гибридизации.
Таким образом, с помощью модификации метода конечных элементов было изучено явление гибридизации быстрой и медленной волн в мультиферроике и изучено влияние размеров волноведущих структур, диэллектрической проницаемости ε сегнетоэлектрического слоя и величины внешнего магнитного поля H0 на результат этого явления. Требуется дальнейшее изучение модового состава и его трансформация при наблюдении гибридизации.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (13-07-12409, 14-02-00976, 14-07-00273, 14-07-92603).
Библиографический список
1. U. Ozgur, Y. Alivov, H. Morkoc Microwave ferrites, part 2: passive components and electrical tuning // J. Mater. Sei.: Mater. Electron. -2009. V. 20. - №10. - P. 911-952.g
2. , // Известия ВУЗ. ПНД. 2012. Т. 20, №. 1. C. 143.
3. Vasil`ev I. V., Kovalev S. I. Electrodynamic theory of finite magnetostatic waveguides // IEEE Trans. On MTT. 1994. Vol. 42. №7. P.1238-1245
4. , Спектр дипольно-обменных спиновых волн в касательно намагниченных слоистых структурах металл - сегнетоэлектрик-ферромагнетик - сегнетоэлектрик - металл // ПЖТФ, 2000, том 26, выпуск 7.
Сведения об авторах
– магистрант кафедры Электроники, колебаний и волн факультета нелинейных процессов СГУ им. . *****@***ru
– к. ф.-м. н., младший научный сотрудник лаборатории «Метаматериалы» СГУ. *****@***com
Вид доклада: стендовый
