На правах рукописи

Гареева Зухра Владимировна

Статические и динамические свойства пленок

феррита висмута и ферритов-гранатов с магнитными и

кристаллографическими неоднородностями

Специальность 01.04.07– физика конденсированного

состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Уфа 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Дорошенко Рюрик Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Тагиров Ленар Рафгатович доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Ильгамов Марат Аксанович доктор физико-математических наук, профессор Екомасов Евгений Григорьевич

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита состоится 17 февраля 2012 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета ДМ 002.099.01 в Институте физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра РАН по адресу 450075, г. Уфа, пр. Октября, 71; телефон (347) 2921417, факс (347) 2359522.

Отзывы направлять по адресу: 450075, г. Уфа, пр. Октября, 151, ИФМК УНЦ РАН, диссертационный совет Д 002.099.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИФМК

УНЦ РАН

Автореферат разослан «_»_

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 002.099.01 Ломакин Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время как теоретически, так и экспериментально активно исследуются тонкие пленки и многослойные структуры, в которых реализуются новые физические эффекты, важные как для фундаментальных исследований, так и для широкого круга практических приложений. Получение новых функциональных материалов связано с созданием в кристаллических средах статических и динамических неоднородностей, которые формируются в результате технологических процессов, а также при воздействии различных физических полей. Активные диэлектрики тонкие пленки, многослойные структуры, материалы, в которых одновременно сосуществует несколько типов упорядочения, играют важную роль в развитии нанотехнологий, создании современных устройств спинтроники, сенсорных устройств, энергонезависимой памяти и др.

Непрерывное расширение области исследований физических свойств магнитоупорядоченных кристаллов приводит к необходимости изучения широкого спектра магнитных явлений, в том числе магнитоэлектрических, магнитоупругих, оптических.

Наиболее ярко данные свойства проявляются при наличии кристаллических неоднородностей, в роли которых могут выступать активные центры кристаллической решетки, поверхности, границы раздела многослойных структур, неоднородные распределения зарядовой и спиновой плотности.

В последние годы новые и нетривиальные эффекты обнаружены в мультиферроиках – материалах, в которых одновременно реализуется магнитное и сегнетоэлектрическое упорядочение. Сообщения о рекордно - высоких значениях намагниченности и поляризации, наблюдаемых в пленках феррита висмута, проводимости сегнетоэлектрических доменных границ имеют определяющее значение не только для фундаментальных исследований, они открывают широкие возможности для различных технологических приложений [1]. Для объяснения данных эффектов и прогнозирования новых, необходимо правильное понимание механизмов магнитоэлектрических взаимодействий. В настоящее время однозначного подхода к этому вопросу не существует. Наряду с классическим магнитоэлектрическим механизмом, обусловленным непосредственно взаимодействием сегнетоэлектрического и магнитного параметров порядка [2 – 4], активно обсуждается механизм неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия [5 Исследования последних лет показали, что учет данного механизма, существенного при наличии магнитной неоднородности, приводит к новым физическим эффектам: появлению несобственной поляризации в мультиферроиках, возможности электрического управления магнитными доменными границами в пленках ферритов – гранатов, поверхностному флексомагнитоэлектрическому эффекту и др. [5]. Интересными, но неисследованными ранее объектами для реализации неоднородного магнитоэлектрического эффекта, являются двухслойные ферромагнитные пленки, представляющие собой композицию обменно – связанных магнитомягких и магнитожестких слоев. Магнитоэлектрический эффект в таких структурах реализуется на магнитной неоднородности, имеющей место в окрестности границы раздела слоев.

Важную роль в формировании статических и динамических свойств магнитоупорядоченных кристаллов играет магнитоупругое взаимодействие. Связь магнитной и упругой подсистем наиболее ярко проявляется при исследовании динамики поверхностных и объемных магнитоупругих волн, распространяющихся в многослойных магнитных структурах. В результате взаимодействия между упругой и спиновой подсистемами в магнетике возникают новые эффекты: дополнительные щели в спектрах связанных магнитоупругих волн, размерные резонансы, обусловленные конечностью размеров образца и др. [10 - 12]. Частоты размерных резонансов, эффективность их возбуждения зависят от множества факторов: эффектов спонтанного нарушения симметрии, взаимодействия поверхностных и объемных магнитоупругих волн, взаимодействия магнитостатических волн с акустическими модами, характера закрепления спинов на свободных поверхностях и др. [11 – 14]. Экспериментальные исследования показывают, что наличие немагнитной подложки приводит к особенностям магнитоупругих колебаний, толщинных мод в ограниченных структурах. Развитие теории магнитоупругих явлений в ограниченных структурах с магнитными и немагнитными слоями представляет научный и практический интерес.

Легирование кристаллов, с которым связано возникновение точечных неоднородностей, изменяет кристаллическую и магнитную структуру вещества, приводя к новым физическим эффектам наличие анизотропных ионов оказывает воздействие на упругие, магнитные, электрические, транспортные и оптические свойства кристаллов. Локальное изменение симметрии лигандного окружения ионов, приводящее к расщеплению энергетических уровней основного состояния, приводит к изменениям спектров оптического поглощения [15 - 18]. Результаты экспериментальных исследований говорят о разнообразии спектров оптического поглощения.

железистых гранатах (ИЖГ) качественно объясняется перераспределением зарядовых центров, находящихся вблизи или вдали от легирующих примесей (вакансий). Теоретическая модель, объясняющая особенности оптического поглощения за счет учета нетригональных искажений кристаллического поля ранее не предлагалась.

В работе в качестве модельных объектов исследования выбраны магнитоупорядоченные кристаллы с антиферромагнитным и ферримагнитным упорядочением – мультиферроики феррит висмута и ферриты - гранаты. Активный научный интерес к данным материалам проявляется с 1960 – х годов, в феррите висмута и ферритах – гранатах реализуется широкий спектр различных физических свойств. Кристаллическая, магнитная структура, магнитные, оптические, упругие свойства монокристаллов BiFeO3, Y3Fe5O12 хорошо изучены. Исследования последних лет показывают, что легирование, создание тонких пленок, многослойных структур и композитов на основе феррита висмута и иттрий железистых гранатов приводит к усилению целого ряда эффектов, а также обнаружению принципиально новых явлений в данных материалах. В диссертационной работе рассмотрен круг задач, связанный с особенностями магнитоэлектрических, магнитоупругих и оптических свойств данных соединений, предложено теоретическое объяснение ряда эффектов, наблюдавшихся экспериментально, спрогнозированы новые физические эффекты, которые могут быть реализованы в перспективе. Наличие экспериментального материала позволило в ряде случаев апробировать теоретические модели и сопоставить проделанные теоретические расчеты с имеющимися экспериментальными данными.

Цель работы. Развитие теории магнитоэлектрического эффекта в тонких пленках мультиферроиков и обменно – связанных ферромагнитных структурах; построение теоретической модели размерных резонансов магнитоупругих и упругих волн в слоистых структурах вида магнетик – немагнитный диэлектрик, расчет спектров оптического поглощения при учете изменения локальной симметрии нетрехвалентных ионов железа в иттрий – железистых гранатах.

В связи с этим были поставлены и решены следующие основные задачи:

-выяснение роли механизмов магнитоэлектрических взаимодействий, существенных для реализации магнитоэлектрического эффекта в пленках мультферроиков и ферромагнетиков -определение структуры основного состояния и структуры антиферромагнитных доменных границ в тонких пленках мультиферроиков -исследование зависимостей энергии антиферромагнитных доменных границ мультиферроиков от положения магнитной доменной границы относительно сегнетоэлектрической доменной границы -исследование магнитоэлектрического эффекта и особенностей электрической поляризации, возникающей на магнитной неоднородности в области границы раздела в двухслойных обменно – связанных ферромагнитных пленках -расчет частот и эффективности возбуждения размерных резонансов в многослойных структурах вида магнетик – немагнитный диэлектрик, исследование особенностей данных характеристик, обусловленных наличием границы раздела -расчет спектров оптического поглощения нетрехвалентных ионов железа в октаэдрических положениях иттриевых гранатов при изменении параметров тригонального и нетригонального кристаллического поля.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые выполнены теоретические исследования:

-эффекта магнитоэлектрического пиннинга в тонких пленках мультиферроиков: на примере использования ряда теоретических моделей показана стабилизация магнитных доменных границ сегнетоэлектрическими доменными границами -влияния неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия на структуру антиферромагнитных доменных границ в пленках мультиферроиков -магнитоэлектрического эффекта, реализующегося на магнитной неоднородности в двухслойной ферромагнитной структуре -особенностей поляризации в магнитном поле в двухслойных обменно – связанных ферромагнитных пленках -размерных резонансов магнитоупругих и упругих волн в структурах вида магнетик – немагнитный диэлектрик - магнетик -спектров оптического поглощения октаэдрических ионов Fe2+, Fe4+ в монокристаллических пленках иттрий железистых гранатов -фотоиндуцированного эффекта на оптическом поглощении в монокристаллических пленках иттрий – железистых гранатов определяется тем, что полученные результаты представляют интерес для физики конденсированного состояния, теории магнетизма, теории магнитоэлектрических явлений, а также для использования их в устройствах твердотельной электроники, физической акустики, спинтроники, информационных системах, интегральной СВЧ – технике.

Основные положения, выносимые на защиту Пространственная модуляция вектора антиферромагнетизма в основном состоянии мультиферроиков вида феррита висмута при наличии сегнетоэлектрической доменной структуры за счет механизма неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия.

Результаты исследования антиферромагнитной доменной структуры мультиферроиков. Выход спинов из плоскости разворота неелевских доменных границ в окрестности сегнетоэлектрических доменных границ.

Коэрцитивность антиферромагнитных доменных границ мультиферроиков. Энергетическое преимущество положения антиферромагнитной доменной границы на сегнетоэлектрической доменной границе.

Особенности неоднородного магнитоэлектрического эффекта в двухслойных обменно – связанных ферромагнитных пленках с ферромагнитным и антиферромагнитным межслойным обменным взаимодействием.

двухслойных обменно - связанных ферромагнитных пленках в магнитном поле при различных константах магнитной анизотропии слоев.

Немонотонные зависимости частот размерных резонансов в слоистых структурах вида магнетик – немагнитный диэлектрик при изменении соотношений толщин магнитных и немагнитных слоев.

Неэквидистантное расположение гармоник частот размерных резонансов в слоистых структурах вида магнетик – немагнитный диэлектрик, обнаруженное и экспериментально в эпитаксиальных двусторонних пленках иттрий – железистого граната.

Спектры оптического поглощения октаэдрических ионов Fe2+, ферритов – гранатов иттрия в ближних относительно легирующих примесей положениях (в тригональном и нетригональном кристаллическом поле) и в дальних положениях (в тригональном кристаллическом поле).

Знакопеременный характер изменения оптического поглощения в иттрий – железистых гранатах при изменении соотношения количества ионов Fe2+, Fe4+ в ближних и дальних относительно примесей положениях, экспериментально наблюдаемый при фотоиндуцированном оптическом эффекте в феррите – гранате иттрия.

Достоверность полученных в диссертации результатов обеспечивается использованием апробированных методов теории конденсированных сред, строгой обоснованностью принятых допущений, совпадением предельных переходов с известными ранее результатами, совпадением результатов теоретического исследования с экспериментальными данными.

Апробация результатов. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и научных школах: XIX международной школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (июнь 2002, Москва), XIX международной школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (июнь 2004, Москва), “Физика электронных материалов” (май 2005, Калуга), Moscow International Symposium on magnetism (June 2005, Moscow), 21 – th General Conference on Condensed Matter (March 2006, Dresden (Germany)), 8th International Workshop on Non-Crystalline Solids (June 2006, Gijon (Spain)), XX международной школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (июнь 2006, Москва), Moscow International Symposium on Magnetism (June 2008, Moscow), 11-th International Symposium on Physics of Materials (August 2008, Prague (Chekh Republic)), XXI Международной конференции “Новые магнитные материалы микроэлектроники” (июнь 2009, Москва), 3-rd European School on Multiferroics (September 2009, Groningen (The Netherlands)), 10th International Workshop on Non-Crystalline Solids (April 2010, Barcelona (Spain)), IV Euro-Asian Symposium “Trends in MAGnetism” Nanospintronics. EASTMAG 2010 (June 2010, Ekaterinburg), Moscow International Symposium on Magnetism, (August 2011, Москва), а также на научных семинарах стипендиатов программ немецкого общества академических обменов «Михаил Ломоносов II» 2007/ (апрель 2008, Москва), «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант II» 2009/2010 года, (апрель 2010, Москва).

Публикации По материалам диссертации имеется публикации; список основных работ под номерами A1 – A приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Работа изложена на 243 страницах, включая 57 рисунков, 4 таблицы, список цитированной литературы содержит 228 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор современного состояния исследований по выбранной тематике, определены цели и задачи диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложена научная новизна полученных результатов. Рассмотрена структура и содержание каждой главы.

В первой главе исследован магнитоэлектрический эффект в пленках мультиферроиков. Рассмотрены особенности магнитных структур, классифицированы основные магнитоэлектрические механизмы, ответственные за взаимодействие магнитного и электрического параметров порядка. В рамках теории микромагнетизма получены основные уравнения, описывающие распределение антиферромагнитного вектора мультиферроика, построены графики, иллюстрирующие изменение ориентации антиферромагнитного вектора, а также энергии антиферромагнитных доменных границ в зависимости от координат.

В качестве модельного объекта исследования рассмотрены пленки мультиферроика феррита висмута BiFeO3. Выбор модели обусловлен тем, что в данном веществе магнитное и сегнетоэлектрическое упорядочение существуют при высоких температурах (ТС = 8200 С, TN = 3700 С), в пленках BiFeO достигаются высокие значения электрической поляризации.

Экспериментальные исследования показывают широкое разнообразие сегнетоэлектрических доменных структур, реализующихся в пленках BiFeO3. Тип доменной структуры зависит от ряда факторов: скорости роста эпитаксиальных пленок, кристаллографической ориентации пленок и др.

Исследован случай полосовой сегнетоэлектрической доменной структуры, в которой вектор поляризации в доменах ориентирован вдоль одной из главных осей кристалла и изменяет свое направление скачком при переходе от одного сегнетоэлектрического домена к другому. В угловых переменных, плотность свободной энергии системы представлена в виде где А – константа неоднородного обменного взаимодействия, К1, К2 – константы орторомбической магнитной анизотропии, D1 – константа магнитоэлектричекого взаимодействия Дзялошинского – Мория, – магнитная восприимчивость, D2 – константа неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия, Pz – z - компонента вектора поляризации P=(0,0,Pz), направленного вдоль главной оси кристалла, и – полярный и азимутальный углы вектора антиферромагнетизма. Изменение поляризации вдоль пленки определено законом где d – ширина сегнетоэлектрического домена, P0 – величина поляризации в сегнетоэлектрическом домене.

В отсутствии магнитоэлектрических взаимодействий реализуются следующие виды решений, удовлетворяющие условию =(x); 2) =/2, =(x), которые соответствуют двум возможным вращениям спинов: вокруг нормали к пленке и в плоскости пленки.

Исследовано влияние магнитоэлектрических взаимодействий на распределение спинов в обеих ситуациях.

Проведенные расчеты показывают, что неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие, проявляясь в скачке производной на границе между сегнетоэлектрическими доменами, изменяет структуру основного магнитного состояния, усложняет распределение спиновой плотности в антиферромагнитной доменной границе, стабилизирует положение антиферромагнитных доменных границ в окрестности сегнетоэлектрических. На рис.1 показаны графики зависимости угла от координаты x, полученные для первого случая (основного состояния).

На графиках видно, что неоднородное магнитоэлектрическое взаимодействие приводит к отклонениям угла от равновесного положения =/2 в окрестности сегнетоэлектрических доменных границ. Это говорит о том, что сегнетоэлектрическая доменная структура оказывает влияние на магнитную структуру пленок мультиферроиков, магнитный и электрический параметры порядка взаимодействуют в окрестности сегнетоэлектрических доменных границ.

Рис.1. Графики зависимости угла от координаты x (K исследованы две геометрии задачи: магнитное поле приложено перпендикулярно и параллельно поверхности. Плотность свободной энергия системы, включающая в себя энергии магнитных, электрических, магнитоэлектрических взаимодействий имеет вид где A1, A2 - константы неоднородного обменного взаимодействия для 1 – ого и 2 – ого слоев, К1, К2 – константы магнитной анизотропии 1 – ого и 2 – ого слоев, J – константа межслойного обменного взаимодействия, P – вектор поляризации, M – вектор намагниченности, E – электрическое поле, H – магнитное поле, D – константа неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия, e –диэлектрическая восприимчивость.

Равновесное распределение намагниченности и компоненты вектора поляризации определены из условия минимума функционала электрическом поле и в отсутствии электрического поля, построены графики распределения локальной поляризации по толщине двухслойной структуры, графики зависимостей полной поляризации системы от постоянного магнитного поля и констант магнитной анизотропии. Показано, что изменение величины и направления приложенного магнитного поля влияет на магнитную конфигурацию, величину и направление электрической поляризации рассматриваемой системы. В зависимости от соотношений констант магнитной анизотропии слоев графики зависимости локальной поляризации от координаты и кривые распределения намагниченности могут иметь симметричную и несимметричную форму. На рис.5 показаны графики зависимости интегральной поляризации от величины магнитного поля при разных значениях констант магнитной анизотропии слоев (магнитное поле направлено вдоль поверхности). На графиках видно, что электрическая поляризация наблюдается в определенном диапазоне магнитных полей, ширина интервала зависит от констант магнитной анизотропии ферромагнитных слоев. В структурах с сопоставимыми по порядку величины значениями констант магнитной анизотропии электрическая поляризация наблюдается в отсутствии магнитного поля (кривая 1 рис.5 а, б). В структурах вида магнитожесткая – магнитомягкая магнитная пленка при Kпл>>K, Kпл> K2,