Введение к работе
Актуальность работы. Традиционные магнитные материалы спин-троники и магнитоэлектроники лишены возможности прямого управления их спиновым состоянием с помощью электрического поля в отличие от традиционного магнитного управления. Это обусловливает наличие тепловых потерь, связанных с необходимостью протекания электрических токов высокой плотности, и затрудняет дальнейшую миниатюризацию информационных и аналоговых устройств в спин-тронике, магнонике и магнитофотонике. В настоящее время ведутся интенсивные исследования новых композиционных и гомогенных материалов, которые наряду с магнитным порядком имеют сегнето-электрическое упорядочение, называемые мультиферроиками. Возможность магнитного и электрического контроля их магнитного и сегнетоэлектрического состояния, а значит и их физических свойств, обусловлена существованием магнитоэлектрических (МЭ) явлений в таких материалах, что существенно расширяет их функциональные возможности. Простейшим проявлением МЭ взаимодействий является линейный МЭ эффект, который выражается в возникновении электрической поляризации, если кристалл помещён в магнитное поле, и в возникновении намагниченности, если кристалл помещён в электрическое поле.
К наиболее изученным мультиферроикам следует отнести феррит висмута BiFeO3 (BFO), который обладает ромбоэдрической симметрией искажённой кубической решётки типа перовскита (пространственная группа ДЗс). При комнатной температуре монокристалл BFO представляет собой сегнетоэлектрик с антиферромагнитной структурой G-типа, причём в основном состоянии в нём имеется пространственная модуляция спинов в виде циклоиды с длиной пространственного периода Л ?а 620 A. Феррит висмута является привлекательным материалом как в качестве модельного объекта для исследований МЭ свойств при комнатной температуре, так и для прикладных применений. Привлекательным его делают высокие температуры электрического (Тс ~ 1100 К) и магнитного (T/v ~ 640 К) фазового переходов, а также высокая величина спонтанной электрической поляризации. Наличие несоразмерной пространственно-модулированной спиновой структуры (ПМСС) создаёт трудности в практическом использовании BFO, поскольку сильно занижает МЭ
эффект и взаимодействие спинов с другими магнитными слоями в гетероструктурах. В этой связи необходимо исследовать условия исчезновения ПМСС при воздействии магнитным либо электрическим полем, а также путём создания дополнительной магнитной анизотропии, например, благодаря возникновению упругих напряжений в тонких плёнках при рассогласовании параметров решётки с подложкой. Величины магнитных полей, при которых происходит подавление ПМСС, являются чрезвычайно высокими (Нс « 200 кЭ), что ограничивает возможность практического применения феррита висмута. Поэтому актуальным является вопрос о выявлении условий, при которых критические величины магнитных полей являются более приемлемыми — вплоть до полного подавления ПМСС без приложения магнитного поля. В этом случае речь может идти о соотношении величин и направлений магнитного поля, электрического поля и наведённой упругими напряжениями магнитной анизотропии.
Предшествующие работы по описанию трансформации ПМСС в присутствии наведённой анизотропии и магнитного поля создали базовую модель основного состояния мультиферроика, которая позволила объяснить анизотропию магнитоэлектрического взаимодействия, полевую зависимость магнитных параметров и резонансных частот в объёмных монокристаллах. При этом при описании ПМСС циклоидного типа рассматривался только плоскостной характер модуляции, учитывающий гармонический, либо ангармонический характер зависимости угла поворота антиферромагнитного вектора. Строгая теория ПМСС с учётом более сложной структуры, особенно в плёнках с наведенной анизотропией, отсутствовала. Кроме того, несмотря на наличие первопринципных расчётов магнитоэлектрических эффектов в монокристаллах BFO, для объяснения перестройки магнитной структуры в сильном электрическом поле при наличии ПМСС необходим эффективный термодинамический анализ, который не достигается в рамках первопринципных расчётов.
Основной целью диссертационной работы является теоретическое описание магнитных фазовых состояний, переходов между ними и сопутствующих особенностей изменения основных характеристик в монокристаллах и тонких плёнках антиферромагнитного мультиферроика типа BFO при вариации упругих напряжений, магнитного и электрического полей.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
исследовать магнитные состояния и их фазовые превращения в плёнках мультиферроика BFO с ориентацией подложки (111) и (001) с учётом магнитного поля и наведенной магнитной анизотропии, обусловленной рассогласованием параметров решётки в плёнке и в подложке, построить фазовые диаграммы магнитных состояний;
-
изучить особенности перестройки параметров сегнетоэлектри-ческого упорядочения кристалла во внешнем электрическом поле, то есть поляризации и антидисторсионного вращения кислородных октаэдров, а также сопутствующих изменений в магнитной подсистеме за счёт магнитоэлектрического взаимодействия параметров электрического и магнитного упорядочения;
-
проанализировать изменения в спектрах спиновых волн для различных равновесных состояний намагниченности в присутствии магнитного и электрического полей, выявить особенности спектральных зависимостей вблизи точек магнитных фазовых переходов;
-
исследовать возможность магнитоэлектрического возбуждения спиновых осцилляций в плёнках BFO за счёт переменного электрического поля.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Детально исследованы спиновые состояния в плёнках BFO во внешнем магнитном поле с учётом упругих напряжений и построены диаграммы устойчивости антиферромагнитных состояний; найдены новые фазовые состояния ПМСС с конусообразным пространственным распределением антиферромагнитного вектора, а также условия взаимной трансформации ПМСС разного типа и направлений модуляции; показано, что в плёнках BFO с ориентацией (001) возможно выделение ПМСС определённого направления модуляции в зависимости от типа напряжения (сжатие или растяжение).
-
Проведён теоретический анализ экспериментальных зависимостей намагниченности монокристаллов BFO в сильном магнитном поле, который показал хорошее согласие с имеющимися экспериментальными данными. Показано, что наблюдаемые зависимости могут быть обусловлены чередой фазовых переходов: циклоидная ПМСС – конусообразная ПМСС – однородное намагничение.
-
Разработана феноменологическая модель фазовых переходов Гинзбурга-Ландау для магнитных и сегнетоэлектрических параметров порядка BFO во внешнем электрическом поле в области сильных и слабых магнитных полей; показано, в частности, что в слабых магнитных полях изменения в сегнетоэлектриче-ской подсистеме могут приводить к повороту плоскости циклоидной ПМСС, а также к скачкообразному её изменению при превышении критических значений электрического поля.
-
Рассмотрены спектральные зависимости собственных мод спиновых возбуждений для различных равновесных состояний намагниченности мультиферроика BFO в магнитном и электрическом полях. Показано, что распространение спиновых волн поперёк циклоидной ПМСС не создаёт изгибной неустойчивости такой спиновой структуры.
Практическая значимость работы.
-
Полученные результаты представляют практический интерес для улучшения магнитных свойств плёнок мультиферроиков типа BFO. При их практическом применении необходимо обеспечить подавление пространственно-модулированной спиновой структуры, что возможно за счёт применения упруго напряжённых плёнок BFO. Расчёты показывают, что такие плёнки, нанесённые на подложки с рассогласованием параметров кристаллической решётки, обеспечивают подавление ПМСС за счёт появления наведённой магнитной анизотропии, что может быть использовано при инженерии структур и приборов на основе BFO.
-
Показано, что монокристаллические плёнки мультиферроика BFO перспективны для применения в переключателях и пере-
страиваемых электрическим полем линиях задержки в диапазоне частот выше 100 ГГц с потерями на преобразование до 12 дБ. Для улучшения характеристик линий задержки необходимо увеличивать добротность магнитного резонанса материала.
3. Полученные оценки времени переключения и энергоэффективности структуры «мультиферроик-ферромагнетик» указывают на возможность применения мультиферроиков типа BFO в составе магниторезистивных ячеек памяти с управлением намагниченностью при помощи электрического поля, для чего, однако, требуется значительное увеличение подвижности сегне-тоэлектрических доменных границ в слое мультиферроика.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
В плёнках мультиферроика BFO с ориентацией подложки (111) и (001) возможны два сценария перехода из несоразмерной магнитной фазы в однородную: либо через бесконечный рост периода циклоидной ПМСС с зарождением доменов однородного намагничения, либо через образование конусообразной структуры из циклоидной, путём выделения поперечной к плоскости циклоиды компоненты антиферромагнитного вектора с последующим схлопыванием конусообразной структуры в однородную фазу по параметру антиферромагнитного упорядочения.
-
Поворот векторов поляризации и антидисторсионного вращения кислородных октаэдров в электрическом поле ведёт к сопутствующим изменениям в магнитной подсистеме: в однородной фазе — к повороту вектора антиферромагнетизма; в несоразмерной фазе — к наклону плоскости распространения циклоидной ПМСС. При достижении критических значений электрического поля, антиферромагнитная структура, как и сегне-тоэлектрические параметры порядка, испытывает скачкообразное изменение.
-
Спектры спиновых волн, распространяющихся в перпендикулярном к плоскости циклоидной ПМСС направлении, указывают на отсутствие изгибной неустойчивости такого магнитного
состояния, что исключает возможность перестройки циклоидальной антиферромагнитной структуры со сменой направления её пространственной модуляции.
Достоверность полученных результатов основана на применении в диссертационной работе апробированных теоретических подходов при проведении теоретического анализа, на отсутствии противоречий с результатами независимых исследований других авторов и совпадении расчётов с имеющимися экспериментальными результатами. Результаты исследований прошли апробацию в процессе дискуссий во время докладов на международных конференциях и при опубликовании результатов в реферируемых журналах.
Личный вклад автора состоит в проведении анализа и численных расчётов магнитных состояний и спин-волновых возбуждений в исследуемом кристалле.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:
4th International Conference on Superconductivity and Magnetism. 24th April - 2nd May 2014. Antalya, Turkey.
The European Conference PHYSICS OF MAGNETISM 2014 (PM’14). June 23-27, 2014. Poznan, Poland.
Moscow International Symposium on Magnetism, 29 June - 3 July 2014. Moscow, Russia.
VII Байкальская Международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии». Пос. Листвянка, Иркутская область, Росия, 22-26 августа 2016 г.
Moscow International Symposium on Magnetism, July 1-5, 2017. Moscow, Russia.
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 9 работ: 6 статей в рецензируемых журналах и 3 статьи в сборниках трудов конференций. Автор также обладает свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016619726 «MCthermo».