Модификация спектров спин-волнового резонанса в тонких магнитных пленках

Сущность явления ферромагнитного резонанса заключается в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии высокочастотного электромагнитного поля [1, 2]. Честь открытия и правильного теоретического объяснения явления ФМР принадлежит отечественным ученым. Так, резонансное поглощение СВЧ поля ферромагнетиком было впервые замечено Аркадьевым еще в 1911 году. Первое качественное квантовомеханическое объяснение этому явлению дал Дорфман. При этом сама теория ферромагнитного резонанса была детально разработана лишь в 1935 г. в работах Ландау и Лифшица [3]. Экспериментально же впервые ферромагнитный резонанс наблюдался в 1946 г. в металлических пленках Завойским [4] и, независимо от него, Гриффитсом [5].

При ферромагнитном резонансе, когда прецессия магнитных моментов вызывается однородным переменным магнитным полем, все магнитные моменты совершают колебания синфазно (однородная прецессия). Однако, наряду с такой прецессией в магнитоупорядоченных веществах возможно существование и неоднородных колебаний (неоднородной прецессии) магнитных моментов, вызванных неоднородным переменным магнитным полем. Причинами таких колебаний служат диполь-дипольное взаимодействие, приводящее к возникновению магнитостатических волн, а также обменное взаимодействие между спиновыми моментами, приводящее к возникновению коротковолновых обменных спиновых волн. Впервые возможность существования спиновых волн была предсказана Блохом [6].

Впоследствии, в работе Киттеля [7] было показано, что при определенных условиях, приводящих к закреплению спинов на поверхностях тонких пленок, возможно возбуждение спиновых волн однородным высокочастотным магнитным полем. При этом возбуждаются стоячие спиновые волны. Это явление получило название спин-волнового резонанса. Впервые экспериментально спин-волновой резонанс был обнаружен Сиви и Танненвальдом [8].

В работах Киттеля предполагалось, что закрепление спинов на поверхностях пленки связано с наличием приповерхностного слоя с анизотропией, значительно отличающейся от анизотропии основного слоя.

Кроме механизма, связанного с поверхностной анизотропией, возможен и другой механизм закрепления спинов. Он обусловлен неоднородным распределением поля однородного резонанса по толщине пленки (динамический механизм закрепления). Впервые спин-волновой резонанс, обусловленный таким динамическим механизмом закрепления спинов наблюдался Портисом и Шлеманном и был проанализирован в их работах [9, 10].

Относительно недавно был открыт новый, диссипативный механизм закрепления спинов [11], который связан с наличием в пленке слоев с различными параметрами диссипации. При возбуждении резонансной прецессии в такой пленке на границе раздела слоев возникает узел спиновой волны, приводящий к возникновению стоячих спиновых волн.

Ферромагнитный и спин-волновой резонансы, оставаясь уникальными физическими явлениями, являются в тоже время эффективными методами изучения вещества. С их помощью могут быть получены сведения о магнитной структуре магнитоупорядоченных веществ, о природе взаимодействий в них, могут быть измерены их основные характеристики, такие как намагниченность, константы обмена, анизотропии и магнитострикции, времена релаксации, исследованы температурные свойства, магнитная и структурная однородность.

Большой интерес к изучению спин-волнового резонанса обусловлен и тем, что на данном явлении основано функционирование различных СВЧ устройств, таких как преобразователи частоты, резонансные вентили и фильтры, параметрические усилители, ограничители мощности, линии задержки [12−16].

В последнее время большой интерес вызывает изучение спин-волнового резонанса и процессов распространения спиновых волн в проводящих многослойных пленочных структурах [17−20]. Многослойные проводящие пленки, представляющие собой структуры с периодически модулированными магнитными параметрами, обладают такими уникальными свойствами, как гигантское магнитосопротивление, высокая магнитная восприимчивость и другие, что обуславливает возможность их широкого использования в качестве материалов микроэлектроники.

В связи с этим, большой интерес представляет исследование модификации спектров спин-волнового резонанса и связанных с ним спектральных характеристик под действием различных поверхностных параметров, связанных с особенностями технологии изготовления однослойных и многослойных магнитных тонкопленочных стуктур, как проводящих, так и на базе диэлектрических материалов.

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование общих закономерностей модификации спектров спин-волнового резонанса и закона дисперсии спиновых волн при изменении типа и величины закрепления поверхностных спинов для граничных условий различной симметрии в однои двухслойных структурах, состоящих из поперечно намагниченных тонких магнитных пленок. Для этих целей были разработаны математические модели однои двухслойных тонкопленочных проводящих и непроводящих структур, на основе которых, при помощи методов численного анализа, были исследованы модификации спектров СВР под влиянием как вышеперечисленных условийтак и при наличии скин-эффекта в проводящих пленках при различных значениях величины проводимости.

В связи с вышеизложенным, на защиту выносятся следующие положения:

1. В условиях антисимметричного закрепления поверхностных спинов увеличение степени закрепления приводит к незначительному уменьшению амплитуды поверхностной и значительному росту амплитуд объемных мод, при этом в спектре СВР отсутствует мода, соответствующая однородному (ферромагнитному) резонансув условиях симметричного закрепления при одинаковых значениях величины поверхностного закрепления и разных типах поверхностной анизотропии одной и той же области частот (полей) могут отвечать спин-волновые моды с различными индексами.

2. В условиях несимметричного закрепления поверхностных спинов объемным спин-волновым резонансным модам отвечают два типа решений, первый из которых совпадает с решениями уравнения, определяющего объемные моды без учета затухания, а второй — возникает вследствие учета затухания в спиновой системепри этом указанные моды имеют различный характер зависимости от типа поверхностной анизотропии.

3. Глубина проникновения высокочастотного поля в ферромагнитный металл в области частот, где возбуждаются моды СВР, определяется как модулем, так и фазой комплексной магнитной восприимчивости образца, которая существенным образом зависит от степени и типа закрепления спинов на его поверхностности.

4. При больших значениях проводимости и, связанным с этим, существенно неоднородном распределении СВЧ поля по толщине образца, наряду с уширением и уменьшением амплитуды пиков СВР, имеет место значительная модификация формы резонансной кривой в окрестностях частот резонансного поглощения энергии СВЧ поля.

Кроме введения, диссертация состоит из трех глав, заключения и списка литературы.

В первой — обзорной — главе кратко изложена основная теория ферромагнитного и спин-волнового резонансов и проведен краткий анализ работ, посвященных исследованию этой проблемы в тонкопленочных магнитных структурах.

Во второй главе исследуется влияние симметрии граничных условий, а также различных степеней и типов поверхностного закрепления спинов на характер спектров спин-волнового резонанса, возбужденного в перпендикулярно намагниченных однои двуслойном тонокопленочных ферродиэлектриках, предполагающих однородное распределение СВЧ-поля по толщине образца. Получены решения уравнения Ландау-Лифшица совместно с общими обменными граничными условиями для намагниченности, а также выражение для комплексной высокочастотной восприимчивости перпендикулярно намагниченных однои двухслойных тонкопленочных структур слоя с учетом затухания в спиновой системе. На основе численного анализа мнимой части магнитной восприимчивости, которая определяет амплитуду, ширину и положение резонансных пиков, исследованы сдвиги и уширения объемных и поверхностной мод для различных типов и степеней поверхностного закрепления спинов, различных значений параметра затухания. Получены общие закономерности модификации спектров СВР в исследованных образцах.

В третьей главе изучается модификация спектров спин-волнового резонанса, возбуждаемого в проводящих однои двухслойном тонкопленочных ферромагнетиках, предполагающих неоднородное распределение СВЧ-поля по толщине образца за счет скин-эффекта. Получено аналитическое выражение для глубины проникновения электромагнитного поля в слой металлического ферромагнетика, учитывающее комплексность высокочастотной магнитной проницаемости в условиях ферромагнитного и спин-волнового резонансов. При помощи численного анализа получены частотные зависимости, а также зависимости от величины и типа поверхностного закрепления спинов толщины скин-слоя, выявлены некоторые особенности указанных зависимостей, связанные с характером спин-волнового спектра. Проведено исследование влияния конечной глубины проникновения СВЧ поля в ферромагнитный металл на спектр СВР перпендикулярно намагниченных слоев с различными типами поверхностного закрепления спинов. Наряду с уширением и уменьшением амплитуды всех резонансных пиков, в случае существенно неоднородного распределения высокочастотного поля по толщине слоя и больших значений параметра закрепления поверхностных спинов, выявлено изменение формы резонансной кривой на частотах, близких к частотам резонансного поглощения. На примере двухслойной тонкопленочной структуры проведено моделирование модификаций частотных зависимостей СВР в многослойных магнитных пленках с различными величинами проводимости. Показано, что в многослойной тонкопленочной структуре имеют место различные варианты модификации резонансных спектров, происходящей как в отсутствии, так и при наличии в пленке проводящего скин-слоя при изменении симметрии и типа граничных условий, степени закрепления спинов и других характеристик слоев. Изложены общие закономерности модификации спектров СВР в исследованных моделях при различных степенях электрической проводимости и поверхностного закрепления.

В заключении сформулированы основные краткие выводы по результатам проведенных в работе исследований. В конце диссертации приведен список цитируемой литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе решения уравнения движения намагниченности получены выражения для высокочастотной магнитной восприимчивости однослойных и двухслойных тонкопленочных структур, которые позволяют легко устанавливать характер спектров СВР при различных степенях поверхностного закрепления спинов, однородном и неоднородном распределении высокочастотного поля, наличии затухания в спиновой системе. Это может быть использовано при компьютеоном анализе модификации спектров СВР и для решения обратной задачиопределения по спектрам конкретных тонкопленочных структур их магнитных параметров. Проведенный в работе анализ особенностей СВР в исследуемых структурах показывает, что:

— в условиях симметричного закрепления поверхностных спинов и реализации поверхностной анизотропии типа «легкая ось» в спектре СВР отсутствует поверхностная мода, с увеличением степени закрепления моды всех порядков смещаются в область больших частот, амплитуда первой моды уменьшается, а амплитуды высших мод — увеличиваютсяпри отсутствии закрепления мода первого порядка переходит в моду однородного резонанса с максимальной амплитудойпри реализации поверхностной анизотропии типа «легкая плоскость» увеличение степени закрепления спинов приводит к возрастанию амплитуды всех объемных мод и к их смещению в область меньших частот;

— в условиях антисимметричного закрепления поверхностных спинов изменение степени закрепления приводит к частотному сдвигу поверхностной спин-волновой моды: в случае полного закрепления поверхностная мода отсутствует, с уменьшением степени закрепления поверхностная мода сдвигается в область больших частот и при отсутствии закрепления она переходит в моду однородного резонансаположение объемных спин-волновых мод не зависит от степени закрепления поверхностных спиновувеличение степени закрепления приводит к незначительному уменьшению амплитуды поверхностной и значительному росту амплитуд объемных модпри наличии закрепления в спектре отсутствует мода, соответствующая однородному резонансу;

— в условиях несимметричного закрепления поверхностных спинов объемным модам отвечают два типа решений, первый из которых отвечает объемным модам, имеющим место в отсутствие затухания, второй тип существенно связан с учетом затухания в спиновой системепри отсутствии закрепления на одной из поверхностей пленки и реализации на другой — анизотропии типа «легкая ось», в спектре ярко выражены только моды первого типа, с увеличением закрепления происходит сдвиг резонансных мод в область больших частот, амплитуда «однородной» моды уменьшается, а амплитуды мод высших порядков — увеличиваютсяпри реализации анизотропии типа «легкая плоскость» увеличение закрепления приводит к сдвигу спектра в противоположную сторону с увеличением амплитуд резонансных пиковв случае полного закрепления спинов на одной из поверхностей пленки в спектре присутствуют объемные моды обоих типов;

— получено выражение для описания глубины проникновения электромагнитного поля в слой металлического магнетика, учитывающее комплексность высокочастотной магнитной проницаемости пленки в условиях ФМР и СВРглубина проникновения высокочастотного поля в ферромагнитный металл в области частот спин-волнового резонанса определяется как модулем, так и фазой высокочастотной восприимчивости, которая существенным образом зависит от степени и типа закрепления спинов на его поверхностностях;

— выявлены сдвиг, уширение и изменение амплитуды пиков спин-волновых мод, связанные с неоднородным распределением высокочастотного поля за счет скин-эффекта в металлическом магнетикепри этом, наряду с уширением и уменьшением амплитуды всех резонансных пиков, имеет место существенное изменение формы резонансной кривой на частотах, близких к частоте однородного (ферромагнитного) резонанса.