Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

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

Неоднородность эпитаксиальных пленок феррит-гранатов с повышенным гиромагнитным отношением

Монокристаллические пленки феррит-гранатов (МПФГ) для разных приложений часто выращивают методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из переохлажденного раствора-расплава [1], включая МПФГ с повышенным гиромагнитным отношением [2]. Фундаментальной особенностью метода ЖФЭ является нестационарность начальной и заключительной стадий эпитаксиального роста. Как следствие, в МПФГ формируются переходные поверхностные слои пленка/подложка (ПП) и пленка/воздух (ПВ), отличающиеся по химическому составу и физическим параметрам от основного объема пленки.

Наиболее сильно неоднородность МПФГ в слоях ПП и ПВ проявляется вблизи точек компенсации магнитного момента (КММ) и компенсации момента импульса (КМИ). В точке КММ, которая имеет место в МПФГ 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⁺ (R = Tm, Eu, Yb, Er, Dy, Ho, Tb, Nd и Pr), 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 значение γ имеет разные знаки [3].

Магнитные моменты подрешеток рассчитывали в рамках теории молекулярного поля [4-7]. Учитывали особенности Eu-содержащего феррит-граната [8,9]: несмотря на отсутствие полного механического момента (J_Eu = 0) ион Eu ³⁺ является парамагнитным, и для него фактор Ланде g >>2 [10].

В эксперименте с помощью метода перемагничивания [11] на установке высокоскоростной фотографии [12] измеряли скорость V расширения зарождающихся доменов с обратной намагниченностью в различном магнитном поле Н. По наклону начального и второго линейных участков кривой V(H) рассчитывали безразмерный параметр затухания Гильберта α [11,13] и затем эффективное значение γ.

Исследовали МПФГ систем (Bi,Eu,Lu)₃(Fe_5-t(Ga,Al)_tO₁₂, и (Bi,Tm)₃Fe_5-tGa_tO₁₂, выращенные методом ЖФЭ на подложках GGG с ориентацией (111) из растворов-расплавов на основе Bi₂O₃ –B₂O₃. При выращивании пленок (Bi,Eu,Lu)₃Fe_5-t(Ga,Al)_tO₁₂, отношение R₂ = Fe₂O₃/(Ga₂O₃ + Al₂O₃) варьировали в интервале от 14.7 до 2.9, при этом содержание ионов Ga³⁺ и Al³⁺ изменялось от 0.5 до 1.8 формульных единиц (ф.е.).

Методом перемагничивания [11] измерены зависимости скорости V ДС от действующего магнитного поля Н. Эксперименты показывают, что использование растворов-расплавов с R₂ = 3.8 ¸ 5.3 обеспечивает получение МПФГ (Bi,Eu,Lu)₃(Fe_5-t(Ga,Al)_tO₁₂ с t » 1.7, для которых зависимости V(H) линейны вплоть до V~10 ³ м/с. При всех других исследованных значениях R₂ наблюдается «насыщение» скорости ДС.

С целью определения уровня замещения железа, необходимого для обеспечения КМИ в МПФГ Bi_0,69Tm_2,31Fe_5-tGa_tO₁₂ были рассчитаны зависимости намагниченности насыщения 4pM_s (t) и эффективного значения гиромагнитного отношения g (t) при Т = 293 К. При расчете полагали, что вхождение ионов Ga³⁺ в октаэдрическую подрешетку зависит от их общего содержания t в окта- и додекаэдрической подрешетках и изменялось от 3 % при t = 0.5 до 22 % при t = 2.0. Точке КММ соответствует t = 1.25, а точке КМИ - t = 1.37.

Таблица.

Условия роста и параметры МПФГ (Bi,Tm)₃(Fe,Ga)₅O₁₂,

выращенных на подложках GGG с ориентацией (111)

№ образца	1	2	3	4	5	6	7
R2	14.8	9.9	7.4	5.9	4.9	4.2	3.5
Тр, ^0C	853	860	860	860	860	860	850
h, мкм	2.21	6.8	24.6	8.4	8.9	10.2	10.7
w, мкм	1.6	4.9	29.7	16.1	8.1	5.3	3.7
4pMs, Гс	442	219	65	78	129	143	139
НK, Э	980	1270	2830	2210	720	679	243
Кu, 10^4 эрг/см^3	1.65	1.11	0.74	0.69	0.66	0.39	0.18
A, 10^-7 эрг/см	2.46	2.19	1.94	1.24	1.03	0.74.	0.43
g,10^7 Э^-1 с^-1	1.18	1.05	0.59	…	4.20	3.36	2.60
a	0.015	0.044	0.085	…	0.091	0.075	0.03
V, м/с ^а)	30	17	14	222	62	26	24

Измерено при Н= 100 Э и Т = 293 К

Для экспериментальной проверки влияния уровня замещения ионов Fe³⁺ была выращена серия МПФГ (Bi,Tm)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с разным содержанием ионов Ga³⁺, которое варьировали при изменении в растворе-расплаве мольного отношения R₂ = (Fe₂O₃ / Ga₂O₃) (см. таблицу) при незначительном изменении концентрации Bi₂O₃ и Tm₂O₃, а также температуры роста Т_р. Из приведенных в таблице данных следует, что с ростом содержания Ga от 0.28 до 1.9 ф.е. значения A и К_u убывают, а поле одноосной магнитной анизотропии Н_K возрастает по мере приближения к точке КММ. Сравнение расчетных и экспериментальных значений намагниченности насыщения 4pM_s показывает, что они совпадают с точностью не хуже 15%. 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 R₂ = 6.12 и Bi₂O₃/Na₂CO₃ = 494.

О неоднородности МПФГ свидетельствует сильное несовпадение экспериментальных результатов по динамике ДС с рассчитанными в предположении однородной магнитоодноосной пленки [14]. К числу таких несовпадений в первую очередь относится температурная зависимость скорости ДС вблизи точки КМИ, когда скорость ДС на порядок медленнее снижается с температурой при удалении от точки КМИ, чем это можно было бы ожидать, исходя их формулы Киттеля [15]:

γ = γ₀ (M_Fe + M_R)/M_Fe.

Здесь γ₀ = 1.76 х 10⁷ Э^-1 с^-1 – гиромагнитное отношение ионов Fe³⁺, M_R – намагниченность додекаэдрической подрешетки обусловленные ионами R³⁺ (R = Eu или Tm), M_Fe – суммарная намагниченность тетра- и октаэдрической подрешеток, обусловленная ионами Fe³⁺.

Литература

1. Дудоров В.Н., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. Синтез и физические свойства монокристаллических пленок редкоземельных феррит-гранатов, УФН, 1977, т. 122, № 2, с. 253-293.

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

3. 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.

4. Dionne C.D. Molecular field and exchange constants of Gd³⁺ - substituted ferrimagnetic garnets. J. Appl. Phys., 1971, vol. 42, № 5, p. 2142-2143.

5. Dionne C.D. Molecular field coefficients of rare earth iron garnets, J. Appl. Phys., 1976, vol. 47, № 9, p. 4220-4221.

6. Brandle C.D., Blank S.L. Magnetic moments for mixed substituted rare earth iron garnets. IEEE Trans. Magn., 1976, vol. MAG-12, № 1, p. 14-l8.

7. Roschmann P., Hansen P. Molecular field coefficients and cation distribution of substituted yttrium iron garnets. J. Appl. Phys., 1981, vol.52, № 10, p. 6257-6269.

8. Wolf W.P., van Vleck J.H. Magnetism of europium garnet. Phys. Rev., 1960, vol. 118, № 6, p. 149O-1492.

9. Myers S.M., Remeika J.P., Meyer H. Sublattice magnetization in europium iron garnet. Phys. Rev., 1968, vol. 170, № 2, p. 520-523.

10. Le Craw R.C., Remeika J.P., Matthews H. Angular momentum compensation in narrow linewidth ferrimagnetics. J. Appl. Phys., 1965, vol. 36, № 3, part II, p. 901-905.

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

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

13. Рандошкин В.В. Зависимость скорости доменных стенок от магнитного поля в одноосных пленках феррит-гранатов с разным затуханием. ФТТ, 1995, т. 37, № 3, с. 652-659.

14. Владимир Рандошкин Динамика доменных стенок в двухслойных магнитоодноосных пленках. Зарождение блоховских линий. Lambert Academic Publishing 2011, 156 c.

15. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. Пер. с англ., М.: Наука, 1978, 792 с.