Магнитооптические свойства нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов (Fe и Co)

Актуальность темы

Устойчивый интерес к наноструктурам, возникший в последнее время, обусловлен возможностью значительной модификации и принципиального изменения качеств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние. Отличительная черта низкоразмерных систем в том, что их свойства определяются не только свойствами элементов, входящих в их состав, но, в большей степени, поверхностью радела и размерами объемов, формирующими подобную структуру. В новых магнитных материалах, созданных благодаря нанотехнологиям, наблюдаются необычные физические явления, представляющие как самостоятельный научный интерес, так и важное практическое значение: гигантский магнитный импеданс (ГМИ), гигантское магнито-сопротивление (ГМС), гигантский аномальный эффект Холла (АЭХ), аномальные оптические эффекты, сильный магнитооптический отклик. В настоящее время такие магнитные материалы повсеместно синтезируются, активно изучаются их физические свойства, решаются задачи установления природы, механизмов проявления, теоретического описания этих физических явлений. Причины повышенного внимания связаны, прежде всего, с возможностями применения наноразмерных магнитных материалов в технике, например, при создании высокочувствительных датчиков магнитного поля и температуры, устройств для записи и считывания (магнитных головок), а также хранения информации (магнитных и магнитооптических дисков). Объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований является вопрос взаимного слияния микроструктуры и магнитных, оптических и электрических свойств в пленочных наногранулированных материалах (кристаллиты, разделенные немагнитной прослойкой) на основе 3d металла.

Остается большое число нерешенных проблем в таких образцах, так как трудно предсказать свойства пленок, в которых значительную роль играют взаимодействия наночастиц между собой, с матрицей и с подложкой, при огромном влиянии размерных и поверхностных эффектов, накладываемых частицами, их границами и поверхностью пленок. Изучение особенностей, связанных как с размером кристаллитов (гранул), так и с характером их пространственного распределения в нанокомпозитных пленочных сплавах нуждается в привлечении более широкого круга методик, чем в случае исследования свойств объемных материалов.

Известно, что исследование магнитооптических характеристик позволяет получить уникальную информацию об электронной и магнитной структуре, механизмах рассеяния носителей тока, характере межзонных переходов. Таким образом, изучение магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов и их пленочных и многослойных аналогов является актуальным и определяется как перспективами практического применения исследуемых структур, так и фундаментальным аспектом этих исследований.

Целью данной работы явилось исследование магнитооптических свойств и их изменений вследствие температурной обработки нескольких видов новых нанокомпозитных материалов на основе 3d металлов:

1. аморфных лент Co66Fe4B14Si15, обладающих асимметричным эффектом ГМИ;

2. гранулированных сплавов (FePt)ix (Si02)x, обладающих ГМС;

3. гранулированных сплавов на основе поликристаллического Со, внедренного как диэлектрическую — Sm203, так и в полупроводниковуюТЮг матрицу;

4. одномерных магнитофотонных кристаллов на основе висмут замещенного железоиттриевого граната Bii. oY2.5Fe5Ox и магнитных микрорезонаторов на основе (FePt)i.x (Si02)x.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

1. С помощью магнитооптических методов исследований выявлено существование неоднородного по толщине анизотропного нанокристаллической слоя, формирующегося вблизи поверхности рентгеноаморфных лент на основе Со в результате термообработки в слабых магнитных полях на воздухе. Установлена корреляция между магнитными свойствами обнаруженного приповерхностного нанокристаллического слоя и появлением асимметричного профиля гигантского магнитного импеданса в полях менее 10 Э.

2. Комплексное изучение магнитных, оптических и магнитооптических свойств позволило определить зависимость структурных фазовых превращений, происходящих в гранулированных сплавах на основе FePt в результате высокотемпературной обработки, от концентрации.

Ф ферромагнитной составляющей.

3. Для нанокомпозитных материалов, отличающихся друг от друга элементным составом, как матрицы, так и металлической составляющей, обнаружена корреляция между пиком в концентрационной зависимости эффекта Керра, наблюдающимся вблизи порога перколяции в узком спектральном диапазоне, и концентрационным максимумом магнитосопротивления.

4. Впервые изучено поведение магнитооптического отклика в геометрии экваториального эффекта Керра (ЭЭК) для одномерных магнитофотонных кристаллов и магнитных микрорезонаторов. Обнаружено резонансное усиление эффекта Керра в магнитофотонном кристалле на основе висмут замещенного железоиттриевого граната в видимом диапазоне спектра.

Полученные результаты позволяют заключить, что магнитооптические исследования являются одним из эффективных методов комплексной диагностики свойств наноструктур. Результаты данной работы могут быть использованы для развития технологий получения наноструктур необходимой конфигурации с заданными свойствами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: 15-th Soft Magnetic Materials conference (SMM) Bilbao, Spain (2001) — ISPMM/ISAMPT 2001 conference (Taiwan) — 46-th Magnetism and Magnetic Materials conference (МММ) Washington (2001) — международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (НМММ) XVIII/XIX, Москва (2002/2004) — Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва (2002) — симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (ODPO), Сочи (2002, 2003) — международная конференции «Функциональные материалы» (ICFM), Крым, Украина (2003) — International Symposium on Advanced Magnetic Materials (ISAM2) Yokohama, Japan.

2003) — TUT International Workshop on novel Electromagnetic Functions of Nano-scaled Materials, Toyohashi, Japan (2003) — International Magnetics Conference (MMM-Intermag) California, USA, Nagoya, Japan (2004/2005) — Euro-Asian symposium «Trends in Magnetism» (Eastmag) Красноярск, Россия.

2004).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Полный объем работы -140 страниц машинописного текста, включая 52 рисунка, 4 таблицы и библиографию из 122 наименований.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

• Проведено исследование спектральных, полевых, температурных и ориентационных зависимостей ЭЭК ренгеноаморфных лент на основе Со. Установлено, что в ходе отжига на воздухе вблизи поверхности аморфной ленты постепенно формируется и развивается неоднородный по толщине высококоэрцитивный микрокристаллический слой, с существованием которого связывается увеличение ГМИ эффекта и его асимметричное поведение в полях менее 10 Э.

• Проведено комплексное исследование магнитных, оптических и магнитооптических свойств нанокомпозитных материалов (FePt)j.x (Si02)x, Cox (Ti02),.x и Сох (8т2Оз)их в основном состоянии и после температурной обработки. Обнаружено значительное усиление МО отклика в узком спектральном диапазоне для образцов, концентрация металлической компоненты в которых близка к порогу перколяции.

-" Максимум концентрационной зависимости ЭЭК строго соответствует порогу перколяции, определенному при измерениях магнитосопротивления для нанокомпозитов, отличающихся друг от друга элементным составом как ферромагнитной, так и диэлектрической составляющей. Концентрационное положение максимума эффекта Керра определяется тем, что именно вблизи порога перколяции происходят наиболее сильные изменения микроструктуры нанокомпозита, влекущие за собой изменения его оптических свойств, а также переход системы из суперпарамагнитного в ферромагнитное состояние. На примере сплава (FePt)lx (Si02)x показано, что теоретическое моделирование спектральных зависимостей ЭЭК в приближении «эффективной среды» позволяет получить описание экспериментальных кривых в широком диапазоне концентраций. —> Установлено, что характер структурных изменений, происходящих в связи с процессами упорядочения при термической обработке в спла-вах (FePt)jx (Si02)x, определяется размерами металлических гранул.

• Впервые проведены исследования экваториального эффекта Керра для одномерных магнитофотонных кристаллов, состоящих из чередующихся слоев граната Bii.0Y2.5Fe5Ox и оксида кремния Si02, и магнитных микрорезонаторов с прослойкой из гранулированного сплава.

FePt),.x (Si02)x. Зафиксировано сильное резонансное увеличение эффекта Керра в узком спектральном диапазоне, соответствующем коротковолновому краю фотонной запрещенной зоны, для многослойной структуры, состоящей из четырех пар повторяющихся слоев гранат/оксид кремния. —> Показано, что значительное усиление МО эффекта реализуется при наиболее выгодных условиях для интерференции лучей света, испытавших множественные отражения внутри магнитного слоя.

В заключении выражаю глубокую благодарность своему научному руководителю д. ф-м.н профессору Ганьшиной Елене Александровне за интересную тему диссертационной работы, внимательное руководство, постоянную поддержку и незаменимые советы.

Особую благодарность выражаю д.ф.-м.н. профессору Грановскому А. Б. за налаживание контактов с зарубежными коллегами, предоставленные возможности и ценные консультации.

Благодарю профессора Шалыгину Е. Е. и к.ф.-м.н. Перова Н. С. за помощь в работе и в решении поставленных задач.

Также благодарю весь коллектив кафедры магнетизма физического факультета МГУ за создание теплой, благоприятной для развития и творчества атмосферы.

Основное содержание диссертации полностью отражено в следующих публикациях:

1. Gan’shina Е.А., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Magnetostatic and magneto-optical properties of Co-based amorphous ribbons. J. Magn. Magn. Mat. 2002,239,1−3,484−486.

2. Gan’shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Depth profiles of magnetic anisotropy in annealed Co-based amorphous ribbons. J. Appl. Phys. 2002, 91, 10, 8438−8440.

3. Gan’shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Weak magnetic field annealing effect on magneto-optical and magnetostatic properties of Co-based amorphous ribbons. J. Magn. Magn. Mat. 2003, 254−255, 428−430.

4. Kim C.G., Rheem Y.W., Kim C.O., Yoon S.S., Gan’shina E. A, Kochneva M.Yu. and Zaichenko D.A. High-temperature dependence of asymmetric giant magnetoimpedance and magnetostatic properties in Co-based amorphous ribbon. J. Magn. Magn. Mat. 2003, 258−259,170−173.

5. Gan’shina E., Aimuta K., Granovsky A., Kochneva M., Sherbak P., Vashuk M., Nishimura K. and Inoue M. Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-Si02. J. Appl. Phys. 2004, 95, 11, 68 826 884.

6. Ганыпина E.A., Кочнева М. Ю., Подгорный Д. А., Щербак П. Н., Демидович Г. Б., Козлов С. Н. Структура и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозитов пористый кремнийкобальт, ФТТ 2005, 47, 7,1333−1337.

7. Ганыпина Е. А., Кочнева М. Ю., Вашук М. В., Щербак П. Н., Aimuta К., Inoue М. Оптические и магнитооптические свойства магнитных нанокомпозитов FePt-Si02, ФТТ 2005,47,9.

8. Gan’shina E., Kochneva M., Vashuk M., Vinogradov A., Granovsky A., Guschin V., Scherbak P., Kim Ch.-O., Kim Ch.G. Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites Phys. Met. Metall. 2005, 101, 1.

9. Gan’shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Weak magnetic field annealing effect on magneto-optical and magnetostatic properties of Co-based amorphous ribbons. 15th JMM conference 2001 (Bilbao), E-12.

10. Gan’shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Magnetostatic and magneto-optical properties of Co-based amorphous ribbons. ISPMM/ISAMPT 2001 conference (Taiwan), AB-3, 80.

11. Gan’shina E.A., Perov N.S., Kochneva M.Yu., Sheverdyaeva P.M., Kim C.G., Kim C.O. Depth profiles of magnetic anisotropy in annealed Co-based amorphous ribbons. 46 th МММ conference 2001 (Washington), GE-12.

12. Ганышша E.A., Кочнева М. Ю., Kim C.G., Kim C.O. Магнитооптические свойства аморфных лент на основе Со с асимметричным ГМИ. Труды XVIIIшколы-семинара НМММ-18 2002 (Москва), 184−186.

13. Kim C.G., Rheem Y.W., Kim C. O, Yoon S.S., Ганышша E.A., Кочнева М. Ю., Зайченко Д. Н. High-temperature dependence of asymmetric giant magnetoimpedance and magneto-optical properties in Co-based amorphous ribbons. Тезисы MISM 2002 (Москва), 129.

14. Ганыпина E.A., Кочнева М. Ю., Kim C.G., Kim C.O. Анизотропия магнитных свойств в приповерхностном слое отожженных аморфных лент на основе Со. Сборник трудов ODPO-2002 (Сочи), 1, 80−81.

15. Виноградов А. Н., Ганыпина Е. А., Гущин B.C., Демидович Г. Б., Козлов С. Н., Кочнева М. Ю., Перов Н. С. Магнитооптические и магнитные свойства нанокомпозитов ферромагнитный металл-пористый кремний. Сборник трудов Международного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», 2003 (Сочи), 68.

16. Gan’shina Е., Kochneva М., Vashuk М., Aimuta К, Nishimura К, Inoue М. Influence of order on magneto-optical properties of nanocomposite FePt-Si02 ICFM 2003 (Crimea, Ukraine).

17. Aimuta K., Gan’shina E., Granovsky A., Kochneva M., Tsherbak P., Vashuk M., Nishimura K., Uchida H., Inoue M. Optical and magneto-optical properties of magnetic FePt-Si02 nanocomposites ISAM2 2003 (Yokohama, Japan) We-Q-2.

18. E. Gan’shina, K. Aimuta, A. Granovsky, M. Kochneva, P. Sherbak, M. Vashuk, K. Nishimura, and M. Inoue Optical and magneto-optical properties of magnetic nanocomposites FePt-Si02. 9-th MMM-Intermag conference 2004 (California).

19. Ганьшина E.A., Кочнева М. Ю., Федянин A.A., Kobayashi D., Inoue M. Экваториальный эффект Керра в магнитном фотонном кристалле на основе железо-иттриевого граната. Труды XIXшколы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 2004 (Москва) ВЦ-26, 641−642.

20. Ганьшина Е. А., Кочнева М. Ю., Подгорный Д. А., Щербак П. Н., Демидович Г. Б., Козлов С. Н. Структура и магнитооптические свойства гранулированных нанокомпозитов пористый кремний — кобальт. Труды XIX международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 2004 (Москва), 613−614.

21. Gan’shina Е., Kochneva М., Vashuk М., Vinogradov A., Granovsky А., Guschin V., Scherbak P., Kim Ch.-O., Kim Ch.G. Magneto-optical properties of magnetic nanocomposites. Book of abstract of the International Conference Eastmag 2004, 337.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.