Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

Институт общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия

Bi-содержащие эпитаксиальные пленки феррит-гранатов

с повышенным гиромагнитным отношением

Быстродействие устройств на монокристаллических пленках феррит-гранатов (МПФГ) можно существенно повысить, используя в них пленки с повышенным гиромагнитным отношением [1-6], то есть вблизи точек и компенсации момента импульса (КМИ).

В точке компенсации магнитного момента (КММ), которая в МПФГ имеет место при (M_Fe + M_Gd + M_R) → 0, где M_Gd и M_R – части намагниченности додекаэдрической подрешетки в структуре граната, обусловленные ионами Gd³⁺ и быстрорелаксирующими магнитными редкоземельными ионами R³⁺ соответственно, M_Fe – суммарная намагниченность тетра- и октаэдрической подрешеток в структуре граната, обусловленная ионами Fe³⁺, эффективное значение гиромагнитного отношения γ = 0. В точке КМИ, которая имеет место при M_Fe + M_Gd → 0, эффективное значение ǀγǀ → ∞, причем по обе стороны от этой точки γ имеет разные знаки [1,7].

Быстрорелаксирующими являются редкоземельные ионы Tm³⁺, Eu³⁺, Yb³⁺, Er³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Tb³⁺, Sm³⁺, Nd³⁺ и Pr³⁺. Ион Sm³⁺ не обладает магнитным моментом. В BiNd- и BiPr-содержащих МПФГ отсутствует однооосная магнитная анизотропия, которую, впрочем, можно создать, вводя в состав МПФГ достаточное количество ионов Y³⁺ и/или Lu³⁺.

В МПФГ, не содержащих быстрорелаксирующих ионов и, как следствие, обладающих малым безразмерным параметром затухания Гильберта α, методом перемагничивания [1,9] с использованием высокоскоростной фотографии (ВСФ) [1,10] обнаружено, что в достаточно больших магнитных полях Н имеет место эффект генерации микродоменов перед движущейся доменной стенкой (ДС) [11,12]. Этот эффект связывают с излучением спиновых волн такой ДС [13,14], и получено экспериментальное тому подтверждение [11]. Ниже порога генерации микродоменов наблюдаются пространственные искажения формы движущейся ДС [11,12].

Генерации микродоменов перед движущейся ДС имеет место и в МПФГ, содержащих быстрорелаксирующие ионы, в частности, Tm³⁺ [15], если безразмерный параметр затухания α ≤ 0.15 [11]. При более высоком α излучение СВ приводит только к уширению изображения движущейся ДС [16-18], включая Tm-содержащие МПФГ вблизи точки +КМИ [16].

Заметим, что безразмерный параметр затухания Гильберта определяется не только типом и содержанием быстрорелаксирующих ионов, а зависит от близости к точке КМИ. Более того, он меняется при изменении постоянного магнитного поля, приложенного в плоскости пленки [19], а также возрастает при наличии магнитной анизотропии в этой плоскости [20].

Условия роста Bi-содержащих МПФГ с КММ и КМИ определяли с помощью экспериментов над пленками систем (Bi,Eu,Lu)₃Fe_5-t(Ga,Al)_tO₁₂, , (рис. 1) [21] и (Bi,Tm)₃Fe_5-tGa_tO₁₂, выращенными на подложках GGG из растворов-расплавов с разными мольными отношениями R₂ = Fe₂O₃/(Ga₂O₃ + Al₂O₃). Для обеих систем точке КММ соответствует t = 1.25, а точке КМИ - t = 1.37. Для МПФГ состава (Bi,Tm)₃(Fe,Ga)₅O₁₂, выращенных из раствора-расплава на основе Bi₂O₃ - Na₂CO₃ при температуре Т_р = 880 ¸ 890 ⁰C, наибольшая скорость ДС реализуется при мольных отношениях R₂ = 6.12 и Bi₂O₃/Na₂CO₃ = 494.

Условия роста и статические магнитные параметры выращенных МПФГ приведены в табл. 1, где h – толщина пленки, w – равновесная ширина полосовых доменов, 4pM_s – намагниченность насыщения, Н_K – намагниченность насыщения, Т_N – температура Нееля.

Рис. 1. Зависимости скорости ДС V от магнитного поля Н (а) и параметра R₂ при Н = 600 Э (б) для МПФГ (Bi,Eu,Lu)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂ [18].

Таблица 1.

Условия роста и статические магнитные параметры Bi-содержащих МПФГ

с повышенным гиромагнитным отношением при комнатной температуре

Образец	Подложка	R	h, мкм	w, мкм	4pMs, Гс	НK, Э	ТN, К
1.	GGG	Tm	1.7	7.4	120	840	385
2.	GGG	Tm	1.2	11.5	130	1050	378
3.	GGG	Tm	1.0	…	…	1220	371
4.	GGG	Tm	3.8	9.0	124	2450	373
5.	GGG	Tm	5.0	12.5	118	2820	372
6.	GGG	Tm	2.3	8.0	123	830	384
7.	GGG	Gd,Tm	9.6	14.2	119	833	435
8.	GGG	Gd,Tm	8.1	12.0	130	833	435
9.	GGG	Gd,Tm	6.4	9.6	145	707	432
10.	GGG	Gd,Tm	6.9	6.9	153	402	431
11.	GGG	Gd,Tm	5.4	9.2	158	890	433
12.	GGG	Gd,Tm	15.6	12.6	152	1020	436
13.	GGG	Gd,Tm	23.4	10.5	160	800	435
14.	GGG	Gd,Tm	20.8	9,0	180	850	433
15.	NGG	Eu	4.1	4.4	195	2300	359
16.	NGG	Eu	6.0	4.9	176	2240	361
17.	NGG	Eu	4,4	7.9	140	2810	397
18.	NGG	Eu	5,5	5.8	185	2190	366
19.	NGG	Eu	11.3	5.7	170	2280	364
20.	GGG	Er	2.9	3.7	212	1490	391
21.	GGG	Er	2.8	4.0	232	1470	385
22.	GGG	Er	8,2	7.0	181	1400	380
23.	GGG	Er	3.4	8.7	172	1690	393
24.	GGG	Yb	7.1	215	45	4500	331
25.	GGG	Yb	9.5	6.0	128	750	383
26.	GGG	Yb	11.4	10.0	94	730	395
27.	SGG	Dy	10.6	2.95	381	1050	393
28.	SGG	Dy	11.0	3.4	433	740	343
29.	SGG	Dy	11.6	3.05	385	770	340
30/	SGG	Ho	8.8	2.86	271	900	354
31.	SGG	Ho	…	1.35	700	1300	…
32.	GCMZGG	Tb	9.0	3.5	446	1800	365
33/	GCMZGG	Tb	6.6	3.0	277	2000	426
34.	GCMZGG	Tb	2.5	3.5	352	2000	>434
35.	SGG	Dy	10.6	2.95	381	1050	393
36.	SGG	Dy	11.0	3.4	433	740	343
37.	SGG	Dy	11.6	3.05	385	770	340

Здесь GGG – Gd₃Ga₅O₁₂, SGG - Sm₃Ga₅O₁₂, NGG - Nd₃Ga₅O₁₂, GCMZGG – (Gd.Ca)₃(Ga,Mg,Zr)₅O₁₂.

Динамические магнитные параметры выращенных МПФГ приведены в табл. 2, где μ – начальная подвижность ДС, V_st – скорость ДС, при которой заканчивается начальный линейный участок кривой V(H), V_max – максимальная скорость ДС, наблюдавшаяся к эксперименте для данного образца

Таблица 2.

Динамические магнитные параметры Bi-содержащих МПФГ

с повышенным гиромагнитным отношением при комнатной температуре

Образец	R	μ, м/(с Э)	Vst, м/с	Vmax, м/с
1.	Tm	10,7	1200	1500
2.	GdTm	10,7	535	1500
3.	Eu	3,5	>1460	1460
4.	Er	1,5	>680	680
5.	Yb	0,65	180	260
6.	Dy	0.66	160	>160
7.	Tb	0,43	316	440
8.	Ho	0,60	>172	172

Литература

1. Владимир Рандошкин. Динамика однохиральных доменных стенок. Импульсное перемагничивание пленок феррит-гранатов. Lambert Academic Publishing, 2011, 400 с.

2. Le Craw R.C., Blank S.L., Vella-Coleiro G.P. New high-speed bubble garnet based on large gyronagnetic ratios. Appl. Phys. Lett., 1975, vol.26, № 7, p. 402-404.

3. Vella-Coleiro G.P., Blank S.L., Le Craw R.C. Influence of gyromagnetic ratio on magnetic domain wall dynamics, Appl. Phys. Lett., 1975, vol. 26, № 12, p. 722-724.

4. Ohta N., Ikeda T., Ishida F., Sugita Y. High g bubble garnets without containing Eu³⁺ ion. J. Phys. Soc. Japan., 1977, vol. 43, № 2, p, 705-706.

5. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Экспериментальная проверка одномерной теории движения доменных стенок в одноосных ферромагнетиках. Письма в ЖЭТФ, 1985, т. 42, № 1, с. 34-37.

6. Randoshkin V.V. Magneto-optical garnet films with high g-factor. Proc. SPIE, 1989, vol. 1126., p, 103-110.

7. Логинов Н.А., Логунов М.В., Рандошкин В.В. О знаке эффективного значения гиромагнитного отношения в пленках феррит-гранатов вблизи точки компенсации момента импульса. ЖТФ, 1990, т. 60, № 9, с. 126-128.

8. Рандошкин В.В. Метод измерения скорости доменных стенок в пленках феррит-гранатов, ПТЭ, 1995, № 2, с.155-161.

9. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Универсальная установка для исследования динамических свойств ЦМД-материалов. ПТЭ, 1985, № 5, с. 247-248.

10. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. О механизме зарождения микродоменов вблизи движущейся доменной стенки. ФТТ, 1986, т. 28, № 5, с. 1522-1525.

11. Рандошкин В.В. Особенности движения доменных стенок с излучением спиновых волн при разном затухании. ФТТ, 1995, т. 37, № 10, с. 3056-3073.

12. Ходенков Г.Е. Излучение спиновых волн при движении блоховской доменной границы в ферромагнетиках с большой константой анизотропии. ФММ, 1975, т. 39, № 3, с. 466-467.

13. Иванов Ю.В. Динамика доменной границы в спин-волновом приближении. ЖЭТФ, 1981, т. 81, № 2, с. 612-626.

14. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Непокойчицкий Г.С. Экспериментальное обнаружение нового механизма движения доменных границ в сильных магнитных полях. ЖЭТФ, 1983, т. 84, № 3, с. 1006-1021.

15. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Динамика доменных стенок в тулий-содержащих пленках вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1990, т. 32, № 1, с. 246-253.

16. Куделькин Н.Н., Прохоров А.М., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В., Тимошечктн М.И. Механизмы импульсного перемагничивания пленок феррит-гранатов. Доклады АН СССР, 1985, т. 281, № 4, с. 848-851.

17. Рандошкин В.В. Особенности движения доменных стенок с излучением спиновых волн при разном затухании. ФТТ, 1995, т. 37, № 10, с. 3056-3073.

18. Телеснин Р.В., Рандошкин В.В., Зимачева С.М. Исследование движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов. ФТТ, 1977, т. 19, № 3, с. 907-909.

19. Рандошкин В.В. О диссипации энергии при движении доменной стенки. Письма в ЖТФ, 1995, т. 21, № 23, c. 74-79.

20. Рандошкин В.В.. Особенности проявления спин-волнового механизма движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов с ромбической магнитной анизотропией. ФТТ, 1997, т. 39, № 8, с. 1421-1427.

21. Зоря В.И., Зуева И.Ю., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Тимошечкин М.И. Скорость движения доменных стенок в пленках (Eu,Lu,Bi)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂. ЖТФ, 1984, т. 54, № 7, с. 1381-1383.