Введение к работе
Актуальность темы. Развитие систем радиолокации, навигации и связи требует разработки и создания элементной базы интегральных схем СВЧ для аналоговой обработки сигналов непосредственно в СВЧ диапазоне. С технической точки зрения весьма перспективными в этом плане являются устройства на магнитостатических волнах (МСВ), обладающие рядом привлекательных свойств: широким диапазоном рабочих частот (до 60 ГГц), возможностью электронной перестройки обрабатываемых частот и согласования с существующими твердотельными генераторами и усилителями, относительно низкими потерями в некоторых ферритовых материалах. Наибольшее распространение из таких материалов получили пленки железоиттриевого граната (ЖИГ), эпитакси-ально выращенные на подложках из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ).
Помимо технических приложений МСВ весьма интересны и с физической точки зрения, так как обладают рядом характерных особенностей, заметно отличающих их от других типов волн:
нелинейная дисперсия МСВ и незамкнутость изочастотных кривых,
вызванный полем подмагничивания сильно анизотропный характер распространения МСВ и, как следствие этого, неколлинеарность фазовых и групповых скоростей МСВ,
свойство невзаимности (изменение распределения и характеристик волны при изменении направления внешнего поля)
возможность управления дисперсионными характеристиками с помощью внешнего поля и геометрии структуры,
Эти и другие свойства МСВ предоставляют возможность создавать пла-нарные СВЧ устройства, перестраиваемые в широком диапазоне частот и позволяющие обрабатывать СВЧ сигналы в реальном масштабе времени. Кроме того, дальнейшее развитие технологии тонких магнитных пленок, по-видимому, позволит располагать на общей подложке полупроводниковые и спин-волновые элементы устройств вместе с миниатюрными пленочными магнитными структурами, что обеспечит стабильность параметров приборов и зна-
чительно снизит их габариты. Техническая реализация указанных возможностей МСВ требует всестороннего исследования характеристик и свойств МСВ, распространяющихся в неоднородных полях, создаваемых миниатюрными магнитами, а также магнитных материалов, в которых эти волны распространяются.
В последние годы большой интерес вызывает проблема создания искусственных сред со свойствами в чём-то похожими, а в чём-то отличающимися от свойств обычных веществ. Например, создание так называемых фотонных кристаллов предполагает получение оптических эффектов недостижимых в реальных средах.
Намагничивание ферритовой плёнки неоднородным, например, пространственно-периодическим полем в этом смысле является процессом создания новой магнитной среды - магнонного кристалла со свойствами, сочетающими в себе, как указанные выше признаки ферритовой плёнки, так и качества, присущие кристаллической структуре. Распространение МСВ в таком кристалле, дифракционные и интерференционные эффекты (с учётом свойств анизотропии и невзаимности МСВ) использование магнонных кристаллов для фильтрации СВЧ сигналов, а также как дифракционный инструмент для решения задач МСВ спектроскопии - всё это проблемы которые требуют теоретических и экспериментальных исследований.
Неоднородное поле миниатюрных магнитов позволяет создавать в ферритовой плёнке канал или систему каналов, в которых могут распространяться МСВ. Это также своего рода искусственная среда, свойствами которой можно управлять, меняя профиль магнитного поля. Исследование МСВ, распространяющихся в каналах неоднородного поля подмагничивания также требует решения ряда экспериментальных и теоретических задач.
Заметим также, что сами МСВ являются некоторой периодической в пространстве и времени магнитной системой, которая может быть возбуждена СВЧ магнитными полями или СВЧ токовыми структурами. В связи с этим важно понимать не только процессы распространения, но и возбуждения МСВ, которое
происходит также с привлечением неоднородного и переменного магнитного
ПОЛЯ.
Свойства образуемых неоднородными полями МСВ структур порождают большое количество явлений, которые интересны как с физической точки зрения, так и в плане создания новых применений МСВ в электронике СВЧ.
Решение перечисленных выше актуальных задач и являлось предметом исследований и настоящей работы.
Целью диссертационной работы яелялется создание искусственных магнитных сред посредством намагничивания ферритовых плёнок пространственно-периодическими и двумерно-неоднородными магнитными полями. Теоретическое и экспериментальное исследование в указанных структурах распределений статических полей и полей МСВ мод, дисперсионных характеристик МСВ, взаимодействия МСВ мод между собой и с неоднородностями искусственных сред, дифракционных явлений, а также возможностей практического использования наблюдаемых явлений.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
-
Предложено создать искусственный магнонный кристалл посредством под-магничивания ферромагнитной плёнки стационарным пространственно-периодическим полем.
-
Методом вторичного квантования развита теория магнитостатических волн в слабоконтрастном одномерном магнонном кристалле. Для этого описание магнитостатических волн в касательно намагниченной ферромагнитной пластине представлено в терминах квантовых операторов рождения и уничтожения.
-
Проведены теоретические и экспериментальные исследования волновых и дифракционных явлений в слабоконтрастном магнонном кристалле, созданном одномерным пространственно-периодическим магнитным полем.
-
Предложен и испытан способ измерения параметров магнитных пленок, использующий слабоконтрастный магнонный кристалл в качестве дифракционного измерительного инструмента.
-
Экспериментально и теоретически исследованы МСВ моды, распространяющиеся в каналах слабоконтрастного одномерного магнонного кристалла, показана возможность распространения объемных МСВ мод в каналах перпендикулярно магнитному полю, отсутствующая в однородном поле.
-
Экспериментально исследованы МСВ моды, распространяющиеся в одиночных и связанных параллельных магнитных каналах, образованных неоднородным полем подмагничивания.
-
Методами компьютерного моделирования проведено исследование МСВ мод, распространяющихся в системах каналов, образованных неоднородными полями подмагничивания различной конфигурации. Рассчитаны распределения волновых функций МСВ мод в каналах.
-
Исследованы особенности распределения объемных МСВ по толщине в касательно намагниченной ферритовой пластине.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Описание поверхностных и объёмных магнитостатических волн, распространяющихся в однородно касательно намагниченной ферромагнитной пластине, представлено через квантовые операторы рождения и уничтожения этих волн, что позволило рассчитать дисперсионные свойства МСВ, а также дифракционные явления в слабоконтрастных магнонных кристаллах.
-
Ферромагнитная плёнка, которая помещена в стационарное магнитное поле, представляющее собой сумму однородного поля и малого пространственно-периодического поля, приобретает свойства слабоконтрастного магнонного кристалла с характерными зонами пропускания и непропускания МСВ, причем дисперсионные зависимости волн, распространяющихся в противоположных направлениях, различны.
-
В слабоконтрастном магнонном кристалле возникает дифракция МСВ в режимах Брэгга, Рамана-Ната и в переходном режиме, причём, когда кристалл бесконечен вдоль вектора обратной решетки и ограничен в перпендикулярном направлении, дифракционный луч в режиме Брэгга может как проходить через кристалл, так и отражаться от него, что не наблюдалось при исследова-
нии дифракции в других средах.
-
При падении поверхностной МСВ на границу слабоконтрастного магнонного кристалла параллельную вектору обратной решётки кристалл ведёт себя как совокупность магнитных каналов, так что коротковолновая часть спектра МСВ проходит через кристалл, а длинноволновая часть - отражается от него, как от прямолинейной границы.
-
Слабоконтрастные магнонные кристаллы могут использоваться в качестве дифракционного измерительного инструмента для исследования дисперсионных зависимостей МСВ и неразрушающего измерения параметров магнитных пленок.
6. В магнитном канале, созданном в ферритовой плёнке неоднородным полем
подмагничивания, ширина локализации объёмных и поверхностных МСВ
мод немонотонно зависит от частоты, причём на частоте, при которой сум
марный волновой вектор ориентирован в известном направлении отсечки по
верхностных МСВ, происходит максимальное проникновение полей объём
ных МСВ мод как за границы канала, так и за пределы ферритовой плёнки.
-
Два близко расположенных магнитных канала представляют собой волновод сложной формы, для которого характерно возникновение связанных собственных мод, локализованных не только в каналах, но и в области, лежащей между ними, причем с увеличением волнового числа и с увеличением расстояния между каналами взаимное влияние каналов постепенно уменьшается и в итоге исчезает.
-
Выбор конфигурации подмагничивающего поля, создающего магнитный волновод, позволяет управлять формой дисперсионных кривых волноводных МСВ мод и обеспечивать возможность распространения поверхностно-объёмных гибридных МСВ мод.
-
В касательно намагниченной однородным полем ферромагнитной пластине распределение обратных объемных магнитостатических мод по толщине скачкообразно меняется при совпадении направления волнового вектора с направлением угла отсечки для поверхностных МСВ.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработана методика экспериментального измерения дисперсионных характеристик, которая позволяет оперативно снимать изочастотные кривые МСВ, распространяющихся в ферритовых плёнках.
-
Предложен новый способ измерения таких характеристик ферритовых пленок, как намагниченность насыщения, толщина, параметры ростовой и кристаллографической анизотропии.
-
Создан пакет программ, позволяющий рассчитывать магнитное поле, создаваемое в ферритовых плёнках двумерными магнитными системами различной формы.
-
Создан пакет программ, позволяющий моделировать распространение МСВ волн в магнитных каналах, образованных двумерно неоднородным полем подмагничивания различной конфигурации.
-
Показано, что результаты исследования магнонных кристаллов и магнитных каналов открывают возможности создания устройств обработки сигналов СВЧ диапазона. Например, выбирая соответствующим образом конфигурацию поля подмагничивания, создающего МСВ-волновод, можно в определённых диапазонах частот добиваться прямолинейности дисперсионных кривых МСВ мод. Предложен и реализован макет СВЧ-фильтра с электрически перестраиваемой полосой пропускания.
Достоверность результатов подтверждается использованием общепринятых теоретических методов и методик экспериментальных измерений, применением известной измерительной аппаратуры, согласием результатов теоретических расчётов и результатов эксперимента, соответствием результатов исследований работам других авторов.
Апробация результатов работы. Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались на следующих Всесоюзных, Российских и международных конференциях:
- Международная конференция по гиромагнитной электронике и электродинамике, Варна, София, 1982 г.;
VIII Всесоюзная школа-семинар "Новые магнитные материалы для микроэлектроники", Донецк, 1982 г.;
Семинар по спиновым волнам, Ленинград, 1984 г.;
II Всесоюзная школа-семинар "Спинволновая электроника СВЧ", Ашхабад, 1985 г.;
Международный симпозиум "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах", Новосибирск, 1986 г.;
XI Всесоюзная научная конференция -СВЧ электроника, Орджоникидзе, 1986 г.;
II семинар по функциональной магнитоэлектронике, Красноярск, 1986 г.
Конференция "Спиновые явления электроники СВЧ", Краснодар, 1987 г.;
IV Всесоюзная школа-семинар "Спин-волновая электроника СВЧ", Львов, 1989 г.;
IV Семинар по функциональной электронике. Красноярск, 1990 г.;
V Всесоюзная школа-семинар "Спинволновая электроника СВЧ". Звенигород, 8-13.10.1991.
VI Всесоюзная школа-семинар "Спинволновая электроника СВЧ". Саратов, 4-8.09.1993.
- XII International Conference on Microwave Ferrites (Giromagnetic Electron
ics & Electrodinamics). Bulgaria, Gyulechitsa, 19-23.09.1994.
Первая объединенная конференция по магнитоэлектронике, Москва, 19-21.09.1995.
XIII International Conference on Microwave Ferrites (Giromagnetic Electronics & Electrodinamics). Romania, Busteni, 23-26.09.1996.
XVI Международная школа-семинар «Новые Магнитные Материалы Микроэлектроники». Москва, МГУ, 23-26.06.1998.
XIV International Conference on Microwave Ferrites (Giromagnetic Electronics & Electrodinamics). Hungary , Eger, 11-15.10.1998.
VIII Международная конференция по спиновой электронике. Москва (Фирсановка). 12-14.11.1999.
XVII Международная школа-семинар «Новые Магнитные Материалы Микроэлектроники». Москва, МГУ, 20-23.06.2000.
XII Международная конференция по спиновой электронике и гировек-торной электродинамике. Москва (Фирсановка), 19-21.11.2003.
VI ежегодная конференция ИТПЭ ОИВТ РАН, Москва март 2005
Международная конференция «Новые магнитные материалы микроэлектроники» NMMM 2006
International conference "Functional Materials". Ukraine, Crimea, Partenit. ICFM-2007,
XXI Международная конференция HMMM 28 июня-4 июля 2009 г., Москва
International symposium "Spin Waves 2009", St.Petersburg, June 7-12, 2009 r.
XVII Международная конференция «Магнетизм, дальнее и ближнее спин-спиновое взаимодействие», Москва-Фирсановка, 20-22 ноября 2009 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы 50 научных работах, из которых 17 статей в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 авторских свидетельства и 31 работа в трудах международных, всесоюзных и всероссийских конференциий.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список которых приведен в конце диссертации.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве.
Разработка теории вторичного квантования МСВ в ферромагнитных плёнках проведена совместно с В.Д.Харитоновым по инициативе автора, остальные теоретические расчёты 1 главы, а также расчёты для 3 и 4 глав проведены автором лично. Экспериментальные и практические результаты, представленные в главах 2 и 4, получены совместно с А.В. Вороненко под руководством автора. Совместно с А.Ю. Анненковым и под руководством автора получены экспериментальные результаты, представленные в главе 3, а также результаты физических исследований, представленные в главах 5-8.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, приложения и списка цитированной литературы из 120 наименований. Она содержит 317 страниц текста, включая 85 рисунков и 4 таблицы.
