Ферромагнитный резонанс в композиционных магнитных наноструктурах Горобинский, Александр Викторович

Введение к работе

з

Актуальность темы. Заметный рост интереса к изучению композиционных магнитных структур начался около 25 лет назад и связан с существенным прогрессом в технологии их синтеза. В таких структурах были обнаружены крайне интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения явления: гигантское магнитосопротивление, антипараллельного упорядочения ферромагнитных слоев и др. Открытые эффекты сулили большие возможности для практических приложений, поэтому, в течение полутора десятков лет количество публикаций на эту тему было весьма значительно. Особый интерес у специалистов, занимающихся синтезом и исследованием новых материалов, вызывают физические свойства магнитных наноструктур. Интерес к наноструктурам мотивирован, прежде всего, тем, что их свойства обладают большим разнообразием и значительно отличаются от свойств массивного материала. Они зависят от многих факторов: химического состава, методов синтеза, размера и формы магнитных включений, взаимодействия частиц с соседними частицами и окружающей их матрицей. Известно, что в зависимости от содержания магнитной компоненты наноструктура может находиться в суперпарамагнитном, суперферромагнитном или ферромагнитном состояниях, определяющих возможности их использования.

Основное внимание исследователей в настоящее время уделяется изучению композиционных магнитных наносистем трех простейших видов: 1) гранулированные нанокомпозиты с магнитными наногранулами, внедренными в немагнитную матрицу; 2) многослойные системы, состоящие из наноразмерных чередующихся магнитных слоев и немагнитных прослоек; 3) комбинированные системы -многослойные системы, в которых магнитные слои выполнены из гранулированных нанокомпозитов.

Композиционные магнитные наноструктуры используются при создании высокочувствительных датчиков магнитного поля, СВЧ устройств, элементов магнитной записи. Широкие возможности для применения таких наноструктур открываются в связи с развитием спинтроники. Изучение особенностей физики микроволновых явлений в наноструктурированных материалах позволит не только получить ценную информацию о природе физических взаимодействий, но и определить перспективы практического применения новых материалов.

Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое изучение микроволновых свойств новых композиционных магнитных наноструктур (гранулированных нанокомпозитов, многослойных систем, комбинированных систем) методом ферромагнитного резонанса (ФМР).

Основные задачи, решаемые в ходе выполнения работы, состояли в еле-

дующем:

разработать математическую модель ФМР в гранулированных нанокомпозитах;

предложить способ оценки концентрации и средней формы ферромагнитных гранул в гранулированных нанокомпозитах;

исследовать влияние концентрации гранул на параметры спектров ФМР (напряженность резонансного поля, ширину и интенсивность линий поглощения) гранулированных нанокомпозитов и комбинированных системах;

исследовать влияние толщин магнитных и немагнитных слоев на параметры спектров ФМР многослойных и комбинированных систем;

изучить влияние температуры на параметры спектров ФМР гранулированных нанокомпозитов.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

впервые предложена математическая модель, описывающая явление ФМР в гранулированных нанокомпозитах в приближении эллипсоидальных гранул, две полуоси которых лежат в плоскости пленки;

получено соотношение, позволяющее по экспериментальным данным из спектров ФМР оценить соотношение между полуосями эллипсоидальных гранул;

впервые предложен способ, с помощью которого по экспериментальным данным из спектров ФМР можно провести оценку концентрации магнитных гранул в нанокомпозите, если известна концентрация магнитных гранул двух эталонных образцов с тем же химических составом и параметрами синтеза как в исследуемом образце;

проведено исследование явления ФМР в гранулированных нанокомпозитах

состава (Со45рЄ452гю)_га(А1₂Оз)іоо-_га, (FePt)_ra(Si0₂)ioo-_ra, (Co₈₄Nbi4Ta₂)_ra(Si0₂)ioo-_ra с различной концентрацией магнитных гранул т (24 <т< 100 ат. %);

проведено исследование явления ФМР в многослойных системах состава {[Co45Fe45Zrio]_x+[a-Si]_>,}_z с различными значениями толщин магнитных х и немагнитных^ слоев, и различным числом бислоев z (1,2 <х< 11,6 нм; 0,2 <у< 14,2 нм; 6 54);

проведено исследование явления ФМР в комбинированных системах состава {[(Co45Fe45Zrio)_ra+(Al₂03)ioo-ra]x+[oi-Si]_>,}_z с различной концентрацией магнитных гранул, различными значениями толщин магнитных х и немагнитных слоев у, различным числом бислоев z (31 <т< 64 ат. %; 0,8 <х< 7,5 нм; 0,5 <у< 1,Ъ нм; 35 69);

впервые проведено исследование явления ФМР в гранулированных нанокомпозитах состава (Со45ре4₅2гіо)_га(А1₂Оз)іоо-_га, (FePt)_ra(SiO₂)i₀₀-_ra, (Co84Nbi4Ta₂)_ra(Si0₂)ioo-_ra в диапазоне температур от 140 до 470 К.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что ее выводы и положения вносят существенный вклад в развитие физических представлений о взаимодействии электромагнитного излучения с новыми композитными материалами. Предложенная математическая модель явления ФМР в гранулированных нанокомпозитах, построенная в приближении эллипсоидальных гранул, может быть использована для оценки средней формы магнитных гранул. Преимущества предложенного метода по сравнению с известными методами состоят в следующем: оценка формы гранул производится в трех направлениях -как в плоскости образца, так и перпендикулярно к его поверхности; отсутствует необходимость в специальной подготовке образца, требуется относительно небольшое время на проведение исследования, относительно невысокая стоимость исследования.

Метод оценки концентрации магнитной фазы в нанокомпозите, предложенный в работе, может быть использован на практике, например, при диагностике синтезированных наноматериалов.

Установленные в работе микроволновые свойства новых композиционных магнитных материалов с различным типом структурного упорядочения могут быть использованы при создании СВЧ устройств, высокочувствительных датчиков магнитного поля, элементов магнитной записи.

Задачи, поставленные в ходе диссертационного исследования, решались в рамках фундаментальных и поисковых НИР, проводимых в Кубанском государственном университете. Работа выполнялась при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (г/к 02.552.11.7013/65) и Российского фонда фундаментальных исследований - гранты:

1. «Магнитный и магнитооптический резонансы в тонкопленочных наноструктурах» (№ 05-02-17064 рюга);

2. «Магнитные волны в композитных наноструктурах» (№ 06-02-96607 рюга);

3) «Композиционные магнитные материалы на основе наночастиц
d-металлов для микро- и наноэлектроники» (№ 08-03-99042 рофи).

Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью использованных методик исследования, применением современных приборов и оборудования, а также корреляцией эмпирических результатов с результатами, полученных на различных образцах и в работах других авторов, использующих другие методы исследования. Достоверность, предложенных теоретических моделей, обусловлена строгостью используемых математических методов и хорошим

согласованием с экспериментально полученными данными. Положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель, позволяющая в приближении эффективной среды рассчитать резонансные поля ФМР с учетом эллипсоидальной формы магнитных гранул, при условии, что две полуоси эллипсоида лежат в плоскости пленки.

2. Способ оценки среднего соотношения полуосей гранул в приближении их эллипсоидальной формы по экспериментальным значениям резонансных полей ФМР в нанокомпозитах.

3. Способ оценки концентрации магнитной фазы в нанокомпозитах на основе сопоставления интенсивностей сигналов ФМР оцениваемого образца и двух эталонных образцов с тем же химическим составом и параметрами синтеза, что и у исследуемого образца.

4. Эмпирические зависимости значений резонансных полей и ширин линий поглощения сигнала однородного ФМР в композиционных наноструктурах:

- ДЛЯ ГрануЛИрОВаННЫХ НаНОКОМПОЗИТОВ (СО45рЄ452Гю)_га(А1₂Оз)і00-»г,

(FePt)_ra(Si02)ioo-ra, (Co84Nbi4Ta2)_ra(Si02)ioo-ra от концентрации магнитных гранул и температуры;

- для многослойных систем {[Co45Fe45Zrio]_x+[a-Si]_>,}_z от толщин магнитного и
немагнитного слоя при различном числе бислоев z: от 6 до 54;

- для комбинированных систем {[(Co45Fe45Zri₀)_ra+(Al₂03)ioo-ra]x+[oi-Si]_>,}_z, от
концентрации магнитных гранул и толщин магнитных и немагнитных слоев при
различном числе бислоев z: от 35 до 69.

5. Исследованные гранулированные нанокомпозиты, многослойные и комбинированные системы обладают анизотропией в плоскости пленки, что проявляется в зависимости значений резонансных полей ФМР от ориентации поля подмаг-ничивания в плоскости пленки.

6. В магнитных нанокомпозитах увеличение объемной концентрации магнитной фазы приводит к росту интенсивности первой производной сигнала поглощения ферромагнитного резонанса, который в первом приближении может быть описан экспоненциальным законом.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и семинарах:

II, III Международный форум по нанотехнологиям (Москва, 2009, 2010);

X, XI, XII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, 2008, 2009, 2010);

III Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и ра-

диосвязь» (Москва, 2009);

Международная научная конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Геленджик, 2009);

Всероссийская конференция «Нанотехнологии производству» (Фрязино, 2006, 2007, 2008);

VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные Микро- и Нанотехнологии» (Кисловодск, 2008);

Российско-немецкая конференция «Физика твердого тела» (Астрахань, 2009);

5-я Зимняя молодежная школа-конференция «Магнитный резонанс и его приложения» (Санкт-Петербург, 2008);

7-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы Нано-, Микро-, Оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2008);

IV, V Всероссийская научная конференция молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Анапа, 2007, 2008);

IV Всероссийская конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2007);

5-я Курчатовская молодежная научная школа (Москва, 2007);

Международная научная конференция «Реальная структура и свойства перспективных магнитных материалов» (Астрахань, 2007);

IX Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нано-технологии и наносистемы» (Ульяновск, 2007);

18th International Conference of Electromagnetic Fields and Materials (Budapest, Hungary, 2007);

XIII Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых учёных (Таганрог, 2007).

Личный вклад соискателя.

Постановка задачи проведена научным руководителем. Автором лично проведены все экспериментальные исследования, осуществлена обработка результатов измерений, проведены теоретические вычисления и численное моделирование, выполнено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов. Обсуждение полученных результатов, их анализ и формулировка выводов проводились совместно с научным руководителем.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 42 научных работах, в том числе 6 статей, в журналах рекомендованных ВАК для защиты

докторских диссертаций. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат экспериментальные данные о ФМР, их обработка и анализ. Сопоставление данных о ФМР с данными, полученными другими методами исследования, формулировка выводов проводилось авторами совместно.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и четырех приложений. Материал диссертации содержит 157 страниц, 55 рисунков, 3 таблицы, 109 библиографических ссылок.