Исследование параметров пленок феррит-граната

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Таврический национальный университет им. В. И. Вернадского

Физический факультет

Кафедра физики твердого тела

Савченко Александр Николаевич

Дипломная работа

Исследование параметров пленок феррит-граната

Симферополь 2013



Содержание

Реферат

Перечень условных обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Основные параметры магнитооптических материалов, представляющие интерес для оптоэлектроники

1.2 Методы измерения оптических параметров феррит-гранатовых пленок

1.3 Методы измерения магнитных параметров феррит-гранатовых пленок

1.3.1 Измерение коэрцитивной силы

1.3.2 Измерение поля насыщения

1.3.3 Измерение динамического диапазона

1.3.4 Фотометрический метод

1.3.5 Определение осей легкого и трудного намагничивания

Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Установка и метод для определения зависимостей угла выхода, фарадеевского вращения, намагниченности и амплитуды выходного сигнала от температуры

2.2 Результаты экспериментов

Глава 3. Техника безопасности при проведении экспериментальных исследований в лаборатории

Заключение

Литература

Приложение

магнитооптический оптоэлектроника насыщение намагничивание



Реферат

Савченко А.Н. Исследование параметров пленок феррит-граната // Дипломная работа / Таврический Национальный Университет им. В.И. Вернадского: Симферополь, 2013. - с.50, рис.25, табл.7, источников 11.

Объект изучения: феррит-гранатовые пленки с плоскостной [(BiLaCa)₃(FeGe)₅O₁₂ и перпендикулярной анизотропиями (BiSmLn)₃(FeGe)₅O₁₂]

Цель работы: Создание методики и установки для определения температурных зависимостей угла выхода вектора намагниченности, фарадеевского вращения, вектора намагниченности амплитуды выходного сигнала.

В работе описана конструкция микропечи, обеспечивающая нагрев образца до 400?С, методики определения температурных зависимостей основных параметров пленок и магнитооптическая установка. Приводятся экспериментальные данные температурных зависимостей.

МАГНИТООПТИКА, ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ПЛЕНКА ФЕРРИТ-ГРАНАТА, ФАДЕЕВСКОЕ ВРАЩЕНИЕ, НАМАГНИЧЕННОСТЬ, УГОЛ ВЫХОДА, ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ



Перечень условных обозначений

б- коэффициент оптического поглощения;

r - коэффициент отражения;

n - показатель преломления;

л - длина волны излучения;

t - толщина магнитооптической плёнки;

F - угол вращения плоскости поляризации;

и_F - удельное фарадеевское вращение;

з - дифракционная эффективность;

ш - магнитооптическая добротность;

Д - степень деполяризации;

k - магнитооптический контраст;

d - период доменной структуры;

I₀ - интенсивность света, падающего на плёнку;

I⁺ - интенсивность света, прошедшего через участок магнитооптической плёнки, намагниченного в направлении распространения излучения;

I^- - интенсивность света, прошедшего через участок магнитооптической плёнки, намагниченной в направлении противоположном распространению излучения;

м - подвижность доменной границы;

Мs - намагниченность насыщения;

Н_S - поле насыщения;

Н_C - коэрцитивность магнитного материала;

Н_А - поле одноосной анизотропии;

L - нелинейность магнитооптического преобразования;

n_g - дифракционная эффективность считывания информации;

ЭФ - эффект Фарадея;

МН - магнитный носитель;

МОГ - магнитооптическая головка;

ДД - динамический диапазон;

ФГП - феррит-гранатовая пленка;

ЦМД - цилиндрические магнитные домены;

УДС - управляемые доменные структуры;

ПДС - полосовая доменная структура;

ОЛН - ось "легкого" намагничивания;

ОКС - оптический канал считывания;

ОЗУ - оптическое запоминающее устройство;

ПВМС - пространственно-временной модулятор света;

МОУТ - магнитооптический управляемый транспарант.



Введение

Оптоэлектронные приборы отличает ряд важных достоинств: высокая несущая частота обеспечивает высокую информационную емкость системы; угловая расходимость электромагнитного луча пропорциональна длине волны, что позволяет передавать оптическую энергию с малыми потерями в небольшие области пространства; гальваническая развязка источника и приемника повышает помехозащищенность; каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически не чувствительны к электромагнитным помехам. Перечисленные достоинства оптоэлектронных приборов делают их применение весьма перспективным, чем и объясняется наблюдаемое сегодня бурное развитие приборов данного класса.

Одним из основных узлов устройств оптоэлектронной обработки радио- и акустических сигналов являются пространственно-временные модуляторы света.

Одной из причин, сдерживающих применение оптических и оптоэлектронных методов обработки и хранения информации в современной технике, является отсутствие в настоящее время оптических реверсивных сред - носителей информации, обладающих свойствами которые обеспечивали бы в них малую энергоемкость и высокую плотность записи, достаточную оптическую эффективность, долговечность хранения информации, устойчивость записанной информации к внешним температурным и другим воздействиям.

Среди многих классов рассматривавшихся реверсивных оптических сред особое внимание уделяется Bi-содержащим эпитаксиальным плёнкам феррит- граната, отображение информации в которых производится с помощью магнитооптических эффектов Фарадея или Керра.

Появившаяся в последние годы технология изготовления Bi-содержащих феррит-гранатовых плёнок позволила создать ряд пространственно- временных модуляторов света на новых принципах их работы:

пространственно-временные модуляторы света на основе индуцированных полосовых доменных структур, управляемых транспарантов. Появилась принципиально новая возможность ввода и хранения оптической информации, отличающаяся высоким быстродействием, помехозащищенностью, обладающая способностью практически мгновенно выполнять сложные математические операции с двумерными массивами.

Однако, в настоящее время, технология изготовления Bi-содержащих феррит-гранатов не в полной мере удовлетворяет требованиям работы пространственно-временных модуляторов света в реальных системах обработки оптической информации. Поэтому, исследование феррит- гранатовых пленок, создание методик и аппаратуры контроля основных функциональных параметров пространственно-временных модуляторов света на основе магнитооптических материалов, являются актуальной задачей как с точки зрения физики, так и с точки зрения прикладной оптоэлектроники.

Цель дипломой работы - исследование зависимости параметров пленок феррит-граната от температуры. В работе подробно рассмотрены методики и схемы экспериментальной установки для определения температурной зависимости основных параметров пленок феррит-граната.



Глава 1. Оптические и магнитные свойства феррит-граната

1.1 Основные параметры магнитооптических материалов, представляющие интерес для оптоэлектроники

Разработанные в настоящее время магнитооптические устройства обработки и хранения информации основаны чаще всего на монокристаллических пленках феррит-гранатов и аморфных пленках сплавов редкоземельных и переходных металлов. Это объясняется наличием в данных материалах мощных магнитооптических эффектов и их способностью в широких пределах изменять параметры светового пучка при воздействии электромагнитными полями.

Наибольший интерес среди материалов пригодных для использования в устройствах магнитооптической обработки информации представляют ортоферриты и феррит-гранаты, обладающие большим эффектом Фарадея, стехиометрическая формула, которых имеет вид:

RFeO₃ и R₃FeO₁₂, где R - ион редкоземельного элемента.

Магнитные свойства материалов характеризуются полями анизотропии Н_а, намагниченностью насыщения 4рM_S, коэрцитивностью Н_C, энергией доменной стенки, одноосной, кубической или анизотропией типа "легкая плоскость" материал обладает одноосной анизотропией, если Н_а > 4рМs.

Основными структурными параметрами материалов являются: толщина пленки h, направляющие косинусы нормали к плоскости пленки относительно кристаллографических осей в_1, в₂, в₃, разность постоянных решеток подложки и пленки Дa₀, напряжение в пленке у₀.

Процессы намагничивания пленок в большинстве случаев связаны с наличием доменной структуры и ее преобразованием под воздействием поля. Многообразие магнитных доменных структур определяется кристаллической структурой материала, геометрическими параметрами образца, различными типами неоднородностей и его предысторией. Для одноосного ферромагнетика в форме тонкой плоскопараллельной пластины с осью

легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пластины, в случае сплошной анизотропии соответствуют доменам с ориентацией вектора намагниченности М вдоль оси легкого намагничивания, что приводит к формированию лабиринтной доменной структуры (рис. 1.1 а). При нарушении эквивалентности доменной границы различной ориентации может происходить упорядочение доменной границы с образованием полосовой доменной структуры (рис. 1.1 б). Если намагничивать пластинку полем, напряженность которого Н параллельно оси легкого намагничивания, то ширина доменов с вектором М, параллельным Н, будет возрастать (при одновременном уменьшении ширины доменов с М, антипараллельным Н) и в конце концов образец перейдет в монодоменное состояние путем вытеснения доменов с М антипараллельным Н. Однако отдельные отрывки полосовых доменов, не имеющие контакта с боковыми поверхностями пластины, в процессе намагничивания переходят в изолированные цилиндрические магнитные домены (рис. 1.3).



При увеличении плотности цилиндрических магнитных доменов в пластине магнитостатическое взаимодействие между доменами приводит к их. упорядочению, в результате формируется гексагональная решетка цилиндрических магнитных доменов (рис. 1.4). В отличие от изолированных цилиндрических магнитных доменов гексагональная решетка цилиндрических магнитных доменов сохраняет устойчивость и в отсутствии поля подмагничивания. При намагничивании пластины с гексагональной решеткой цилиндрических магнитных доменов полем Н, параллельным вектору намагниченности М внутри цилиндрических магнитных доменов, форма доменов приближается к шестиугольной (так называемая сотовая доменная структура)

Формула граната записывается в виде - {R₃}[Fе₂](Fе₃)O₁₂, где R- редкоземельный элемент. Типичное значение скоростей цилиндрических магнитных доменов в гранатовых пленках ~ 1000 см/с, поэтому для цилиндрических магнитных доменных устройств, в которых используется эти пленки, имеем 1000 см/с ? 20 dн и ли dн _в=500 мкм·кГц.

Таким образом, при d=5мкм рабочая частота устройства ~ 100кГц, а при использовании очень малых цилиндрических магнитных доменов (0,5 - 1,0 мкм) рабочая частота может быть увеличена до 1 МГц. Намагниченность насыщения в пределах от 1700 Гс до 100 Гс. Поле одноосной анизотропии Н_а~50-10⁴ Э. Коэрцитивная сила находится в пределах от 0,1 до 0,5 Э.

Ортоферриты описывают общей формулой RFeO₃, где R - редкоземельный элемент или иттрий. Основной недостаток ортоферритов как цилиндрических магнитных доменных материалов заключается в том, что их намагниченность чрезвычайно мала: 4рМs?150Гс и диаметр цилиндрических магнитных доменов в них находится в пределах 20-200мкм. Чтобы сместить размеры цилиндрических магнитных доменов в практически используемую область, необходимо увеличить 4рМs. Попытки увеличения 4рМs не дают значительных результатов, и это объясняется самой природой магнитного упорядочения в ортоферритах. Поле одноосной анизотропии Н_а~10⁴ Э. Подвижность доменных границ в ортоферритах очень высока: м~10⁴ см/сек·Э.

Основными параметрами магнитооптических материалов при разработке устройств оптической обработки информации, являются: оптическое поглощение ОС, удельное фарадеевское вращение и_F, магнитооптическая добротность ш и оптическая эффективность з.

Коэффициент оптического поглощения определяется как:

(1)

где t - толщина материала: I₀, I - соответственно интенсивность света, падающего на магнитный материал и прошедшего через него, г - коэффициент отражения от образца.

На спектрах поглощения и фарадеевского вращения в диапазоне 0,35-1 мкм (рис. 1.2а) для ортоферритов наблюдается ряд пиков, то есть окон оптической прозрачности с высоким уровнем магнитооптической добротности

(2)

рис. 1.6 Зависимость параметров ш, б и F от длины волны для ортоферритов

рис. 1.7 Зависимость параметров ш, б и F от длины волны для висмутсодержащих гранатов



Для л = 0,63 мкм, Ш ? 14 град/дБ. Из рисунка 1.2а видно, что достигает 10 дБ в области красного света. Это обстоятельство открывает широкие возможности для применения ортоферритов в различных устройствах обработки и хранения информации. Для феррит-гранатов высокие значения (рис. 1.26) наблюдаются в видимом диапазоне (л =0,55 мкм).

Интенсивность света, прошедшего через доменную структуру определяется как:

(3)

Где - интенсивность света, прошедшего через светлые и темные домены, А - степень деполяризации, ( - угол между осью анализатора и поляризатора, и_F- удельное фарадеевское вращение материала.

Важными характеристиками магнитооптических материалов при изготовлении устройств являются оптический контраст к и оптическая эффективность з:

(4)

То есть, оптическая эффективность считывания определяется отношением разностей интенсивностей световых потоков и , попадающих на фотоприемник после прохождения участков магнитооптической плёнки, намагниченных соответственно вдоль и против направления распространения считывающего излучения, к интенсивности поляризованного излучения I₀, падающего на плёнку. Характеризуя устройства, в которых применяется голографический или индуцированный внешними пространственно-периодическими магнитными полями принцип записи, различают дифракционную эффективность считывания информации з. Под ней подразумевается эффективность простейшей дифракционной решетки, представляющей собой систему параллельных однотипно намагниченных полосовых доменов. Такая система может быть сформирована в магнитной пленке, как при термомагнитной записи, так и при воздействии пространственно-периодическими магнитными полями рассеивания различных типов носителем магнитной информации. В этом случае под дифракционной эффективностью магнитооптического материала понимают отношение интенсивности излучения в первом порядке дифракционной картины, полученной от полосовой доменной структуры, к интенсивности падающего на магнитную плёнку поляризованного излучения.

(5)

где г - угол между направлением распространения излучения и нормалью к плёнке; l(г) - коэффициент, учитывающий отражение излучения от поверхности плёнки, S - скважность магнитооптической решетки, б, и_F - соответственно коэффициент поглощения и удельное фарадеевское вращение.

Величина оптической эффективности считывания и магнитооптической пленки (независимо от способа оптического считывания и характера записанной информации) пропорционально величине магнитооптической добротности материала пленки, характеризующей ее способность разворачивать плоскость поляризации и ослаблять интенсивность излучения.

Таким образом, в ортоферритах и феррит-гранатах реализуется большое разнообразие управляемых доменных структур. Кроме того,- эти материалы обладают исключительно высокими уровнями магнитооптических эффектов, что обуславливает их большое прикладное значение в устройствах оптической обработки



1.2 Методы измерения оптических параметров феррит-гранатовых пленок

К основным оптическим параметрам феррит-гранатовых пленок можно отнести: 1. угол фарадеевского вращения; 2. магнитооптический контраст; 3. оптическое поглощение.

Угол фарадеевского вращения определяется следующим образом: между источником света и фотоприемником помещают поляризатор и анализатор. Их скрещиванием добиваются минимума интенсивности прошедшего света, отмечают это положение. Затем повторяют опыт по следующей схеме (рис. 1.3): свет от источника 1 попадает на коллимирующую линзу 2, после - на поляризатор 3 и анализатор 5, между которыми находится феррит-гранатовая пленка 4, введенная в насыщение (монодомен). Фокусирующая линза 6 направляет пучок света на фотоприемник 7.

Рис. 1.8 Схема оптического канала для определения угла Фарадеевского вращения

В данном случае феррит-гранатовая пленка доворачивает плоскость поляризации света, при этом поворотом анализатора, как и в первом случае, добиваются минимума интенсивности проходящего света. Угол между положением анализатора в первом и во втором случае является углом фарадеевского вращения.

Для определения магнитооптического контраста используют ту же установку, что и для определения угла фарадеевского вращения, оптический канал которой представлен на рис. 1.3. Для этого производятся измерения интенсивностей света, прошедших через светлые и темные домены, I⁺ и I^- соответственно. Исходя из этих значений можно определить магнитооптический контраст:

(6)

Для определения коэффициента магнитооптического поглощения поступают следующим образом. Производится измерение интенсивности источника света. Затем производят измерения интенсивности света, прошедшего через феррит-гранатовую пленку. Таким образом, имея эти данные, вычисляется коэффициент магнитооптического контраста по формуле

(7)

1.3 Методы измерения магнитных параметров феррит-гранатовых пленок

К основным магнитным параметрам феррит-гранатовых пленок можно отнести: коэрцитивность, поле насыщения, динамический диапазон, пространственное положение осей трудного и легкого намагничивания.

1.3.1 Измерения коэрцитивной силы

Для измерения коэрцитивной силы наиболее широко применяется метод осциллирующего поля. В этом методе интенсивность света, прошедшего через поляризатор, образец и анализатор, модулируется вследствие движения доменных стенок под действием переменного поля смещения и детектируется. Сигнал с фотодетектора поступает на вход резонансного усилителя. Значение коэрцитивной силы H_c1 находят экстраполяцией линейного участка зависимости амплитуды этого сигнала U от амплитуды переменного поля H_CM (рис. 1.4). Чувствительность метода составляет примерно 1А/м, а погрешность не превышает 5 - 10%.

Рис. 1.9 Зависимость амплитуды сигнала от амплитуды переменного поля

Коэрцитивную силу можно определить с помощью метода пространственной фильтрации лазерного излучения) по зависимости интенсивности второго интерференционного максимума от Н_см, имеющей такой же вид, как кривая на рис. 1.4.

Методом низкочастотной восприимчивости значение Н_с определяют по зависимости x₊ (H^-1_CM), которая представляет собой прямую линию, отсекающую отрезок (dm/dH_CM)|_m=o на оси ординат (H_см> ?) и отрезок Н^-1на оси абсцисс (x₊=0)

Экстраполируя линейный участок зависимости скорости трансляционного продвижения ЦМД от перепада поля смещения на его диаметре до пересечения с осью абсцисс, ' вычисляют динамическую коэрцитивную силу Н_с2. Более удобно измерять поле старта ЦМД, которое дает значение коэрцитивной силы Н_с3, наиболее приемлемое для характеристики ЦМД-пленок. Однако метод трансляционного продвижения ЦМД дает ошибку до 30% и мало пригоден для производственного контроля.

Преимущества методов осциллирующего поля и трансляционного продвижения ЦМД соединены в методе, в котором регистрируют отклик "гребенки" полосовых доменов, находящихся под действием достаточно слабого неоднородного поля (около 10 кА/м²), на осциллирующее поле смещения. Коэрцитивную силу Н_c4 ? Н_с4 определяют так же, как показано на рис. 1.4. Гребенка создается в неоднородном поле из решетки ЦМД, которую формируют перед измерениями, воздействуя на пленку полем Н_пл.

1.3.2 Измерения поля насыщения

Намагниченность насыщения магнитных пленок феррит-граната обычно рассчитывают с помощью соотношения , где Н₀ - поле коллапса, М - намагниченность насыщения,I - характеристическая длина, h - толщина пленки. Расчет намагниченности насыщения М по составу пленки обычно не применяют из-за трудоемкости и большой погрешности (чаще используют обратную процедуру).

Не измеряя H₀, для образца с неизвестными значениями равновесного периода Р₀ и h намагниченность насыщения можно найти по квазистатической петле гистерезиса (рис. 1.5), снятой с помощью оптического, вибрационного или торсионного магнитометров.

Для этого регистрируют несколько значений , где m - намагниченность пленки, измеряют соответствующие значения от , где H_CM - поле смещения, значения по всем парам значений и H_CM вычисляют М и усредняют полученные данные. Случайная погрешность при вычислении М составляет ±3%.

Динамические петли гистерезиса отличаются от квазистатических вследствие конечной скорости движения доменных стенок, причем тем дольше, чем выше частота поля смещения или больше диаметр образца D₀ (домены зарождаются на краях образца). Для D₀= 50 - 100 мм это должно сказываться уже при частотах около 10 Гц.

Рис. 1.10 Квазистатическая петля гистерезиса

Намагниченность насыщения пленок феррит-гранатов с ориентацией [111] можно определить методом ферромагнитного резонанса. Для этого измеряют ширину ДН и амплитуду I линии поглощения при ориентации внешнего поля по нормали к плоскости пленки, поскольку ДН I пропорционально МV (V- объем образца).

Для калибровки амплитуды сигнала ферромагнитного резонанса используют эталон с известной намагниченностью насыщения М_эт и толщиной h_эт. Исследуемый и эталонный образцы, имеющие пленки только на одной стороне подложки в виде дисков диаметром 1 - Змм, накладывают пленками друг на друга и помещают в резонатор, что обеспечивает идентичность условий ферромагнитного резонанса в обоих образцах.



1.3.3 Измерение динамического диапазона

Дифракционная методика измерения параметров ФГП основана на магнитооптическом эффекте Фарадея. ФГП соприкасается с магнитным носителем. Поле рассеяния магнитной ленты создает в феррит-гранате индуцированную магнитную структуру. При рассеянии света плёнкой феррит-граната происходит дифракция из-за пространственной модуляции проходящего света по фазе. Анализатор преобразует фазовую модуляцию в модуляцию по интенсивности. Таким образом, создавая магнитную дифракционную решетку с параметрами соответствующими записанному сигналу на магнитной ленте, можно проводить анализ этого сигнала. Нелинейность преобразования достаточно точно можно определять, пренебрегая максимумами порядков больше третьего, то есть:

(8)

Измерения динамического диапазона ПВМС начинается с измерения L для максимальных токов записи на магнитной ленте (при этом искажения и, следовательно, максимально, так как ФГП находится в насыщении и пропускание дифракционной решетки соответствует пропусканию р - решетки. После того, как входное отверстие ФЭУ настроено на третий дифракционный максимум, проводится измерение для всего диапазона токов записи на магнитной ленте (диапазон токов записи на ней значительно больше динамического диапазона ФГП), далее операция повторяется для Для каждого тока записи определяется Ь. График зависимости L от I_зап показан на рис. 1.6.



Динамический диапазон определяется как:

(9)

где I_{зап.макс.} и I_{зап.мин.} соответствует координатам точек пересечения зависимости и L=const (заданный уровень нелинейности, в данном случае 3%).

Описанный дифракционный метод трудоемок и не дает картины распределения намагниченности в ФГП. К недостаткам данного метода можно отнести следующие факторы: контроль параметров осуществлялся опосредованно - методом анализа величин интенсивности первого и третьего порядков дифракционного спектра индуцированной периодической доменной структуры ФГП. Дифракционная эффективность этого спектра в значительной степени зависит от количества полосовых доменов (ТУ), участвующих в его преобразовании (т.е. от частоты записанного сигнала на магнитной ленте). Учет же числа (N )в дифракции на ПДС - задача трудоемкая, требующая применения ЭВМ, особенно, когда в образовании дифракционного спектра участвует пучок с "гауссовским" распределением интенсивности по фронту. Неучитывание эффекта изменения N при исследовании частотных характеристик ФГП приводит к неточности получаемых результатов.

Поэтому научный и практический интерес представляет разработка нового метода измерения основных характеристик ФГП.

1.3.4 Фотометрический метод

Реализован на стенде, блок-схема которого изображена на рисунке 1.12.

Свет от лазера 1 после прохождения четвертьволновой пластины 2, попадает на поляризатор 3. Далее плоскополяризованный свет идет на ПВМС 4 основным функциональным узлом которого является ФГП, находящийся в контакте с магнитной лентой 5. После анализатора 6, свет попадает в горизонтальный микроскоп 7, который формирует изображение индуцированной полосовой структуры на катод ФЭУ 8. Далее электрический сигнал с ФЭУ контролируется осциллографом 3 и измерителем нелинейных искажений 10.

Методика определения нелинейности основана на фотометрировании изображения индуцированной доменной структуры (ДС). При движении магнитной ленты относительно ФГП, смещается изображение ДС, формируемое с помощью горизонтального микроскопа. Полученные осциллограммы представляют амплитуде временные спектры сигналов, записанных на магнитную ленту (МЛ). В случае записи на МЛ временной синусоиды, амплитуда которой находится в линейном диапазоне работы ФГП, осциллограмма пропускания плёнки ФГ также представляет собой синусоиду. Если амплитуда сигнала на МЛ лежит за пределами линейности работы ФГП, то осциллограмма искажена. Интенсивность порядков i?3 начинает расти, что ведет к увеличению нелинейности L, которая контролируется измерителем нелинейных искажений 10. Таким образом, для определения динамического диапазона ПВМС достаточно определить I_{зап.макс.} и I_{зап.мин.} за пределами которых L?L_доп



Глава 2. Экспериментальная часть

2.1 Установка и метод для определения угла выхода вектора намагниченности

Для определения угла выхода вектора намагниченности пленок феррит- граната (R₃Fe₅O₁₂) была разработана и изготовлена экспериментальная установка, внешний вид которой представлен на рис.2.1.

Рис. 2.1 Схема экспериментальной установки

Свет от лазера, проходя через пленочный поляризатор, попадает на пленку феррит-граната, расположенную на предметном столике с углоотсчитывающим устройством, где получает доворот плоскости поляризации (влево или вправо), в зависимости от намагниченности материала.

Магнитная система, образованная двумя вертикальными катушками Геймгольца, для равномерности поля, диаметром 24 см, создают магнитное поле в плоскости образца 0-105 Эрстед. Катушки имеют по 80 витков медного провода диаметром 0.5 мм и подключаются сонаправленно. На катушки подается переменный ток. Значения напряжения на катушках регистрируется цифровым вольтметром. Выходной оптический сигнал с пленки подается на осцилограф с фотоприемника Для того, чтобы знать, какая напряженность магнитного поля в катушке соответствует поданному на нее напряжению, катушка была заранее откалибрована с помощью датчика Холла (прибор Ш1). Поле регистрировалось в точке в которой находится ФГП. График калибровки магнитной системы приведен в приложении 2.

Рис. 2.2 Фотография внешнего вида экспериментальной установки

Оптический сигнал проходя через анализатор, который служит для превращения фазовой модуляции (вектора) в амплитудную (интенсивность света), дальше регистрируется ФЭУ. Сигнал с ФЭУ пускаем на вход осциллографа Y, а переменный сигнал с катушек через RС цепочку, которая служит для сдвига фазы, подаём на вход X.

Для определения угла выхода вектора намагниченности, использовалась следующая методика:

1. Устанавливается образец в магнитном поле на предметном столике; (для плоскостной анизотропии ФГП добиваемся максимального сигнала по оси V (сигнал с ФЭУ) поворотом предметного столика по оси распространения сигнала. Это будет максимальная проекция вектора намагниченности на направление распространение сигнала.

2. Устанавливается нониус углоотсчитывающего устройства в 0° - при перпендикулярном расположении ФГП распространению света;

3. Поворачиваем магнитную систему до тех пор, пока на осциллографе петля гистерезиса перейдёт в линию - это значит, что вектор намагниченности перпендикулярен направлению распространения света и, следовательно, нет проекции фарадеевского вращения на направление луча;

На нониусе можно посмотреть в данном случае угол поворота МС - это и будет угол выхода вектора намагниченности.

Угол фарадеевского вращения определяется следующим образом: между источником света и фотоприемником помещают поляризатор и анализатор. Их скрещиванием добиваются минимума интенсивности прошедшего света, отмечаем это положение. Затем повторяют опыт по следующей схеме (рис. 2.3): свет от источника 1 попадает на коллимирующую линзу 2, после - на поляризатор 3 и анализатор 5, между которыми находится феррит-гранатовая пленка 4, введенная в насыщение (монодомен). Фокусирующая линза 6 направляет пучок света на фотоприемник 7.

Рис. 2.3 Схема оптического канала для определения угла Фарадеевского вращения

В данном случае феррит-гранатовая пленка доворачивает плоскость поляризации света, при этом поворотом анализатора, как и в первом случае, добиваются минимума интенсивности проходящего света. Угол между положением анализатора в первом и во втором случае является углом фарадеевского вращения. Учитывая, что намагниченность прямопропорци- ональна углу фарадеевского вращения, то характер изменения намагниченности соответствует изменению угла фарадеевского вращения.

Актуальность определения угла выхода вектора намагниченности () из плоскости магнитооптической феррит-гранатовой пленки (ФГП) обусловлена как фундаментальным интересом, так и, пожалуй в большей степени, возможными прикладными применениями магнитоупорядоченных сред в различного рода устройствах памяти, сенсорах, пространственно-временных модуляторах света, в устройствах дефектоскопии и магнитооптического считывания информации, где пространственное положение и угол выхода вектора является основным параметром определяющим динамический диапазон, нелинейность преобразования и частотную характеристику устройства в целом.

Существенный интерес к ФГП с плоскостной анизотропией, когда в отсутствии внешних магнитных подмагничивающих полей вектор намагниченности лежит близко к плоскости пленки, объясняется тем, что они могут работать в аналоговом режиме преобразования сигналов.

В настоящей работе приведены методика и экспериментальные результаты определения угла выхода вектора для различных образцов пленок феритт-граната с плоскостной анизотропией.

В работе исследовались пленки феррит-гранатов состава (BiLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂, выращенные на монокристаллических подложках галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) ориентации [111], [111]+ 8⁰20^/, [111] + 15⁰20^/ и [211]. Толщина эпитаксиальных слоев варьировалась от 4 до 6 мкм. Определение угла выхода производилось магнитооптическим методом с использованием стандартной установки для наблюдения за доменной структурой. Исследуемый образец помещался на специально разработанный вертикальный столик, имеющий две степени свободного вращения: вокруг направления распространения света и вокруг нормали к направлению светового потока, при этом с большой точностью (до десятых долей градусов) с помощью углоотсчитывающего устройства регистрируется угол поворота образца.

В работе определен угол выхода магнитооптическим методом для образцов ФГП с анизотропией "легкая плоскость" состава (BiLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂ для ориентаций: [211] 11⁰60^/; [111] 1⁰;

[111] 2⁰; [111] 1⁰30^/;[111] 2⁰40^/.

Измерение угла выхода вектора намагниченности

2.2 Результаты экспериментов

Следует отметить, что данная методика позволяет определить его угол выхода вектора намагниченности от воздействия внешних факторов (в частности, от температуры).



Рис 2.4. Угол выхода вектора намагниченности для пленок с плоскостной и перпендикулярной анизотропие



Заключение

В результате анализа научно-технической литературы выявлены основные оптические и магнитные параметры пленок феррит-граната, имеющие исключительное значение при проектировании оптоэлектронных устройств, для систем оптической обработки и хранения информации.

1) Разработана методика и изготовлена магнитооптическая установка для определения угла выхода вектора намагниченности, фарадеевского вращения и амплитуды выходного сигнала пленок феррит-граната с анизотропией "легкая" плоскость и "легкая" ось;

2) Разработанные методики и установка позволяют отдельно определить зависимость изменения угла выхода от внешних факторов;

3) Полученные экспериментальные результаты могут представлять интерес для разработчиков оптоэлектронных устройств



Список использованных источников информации

1. Архангельский В.Б., Глаголев С.Ф., Червинский М.М. Сборник научных трудов - магнитные свойства кристаллов и аморфных материалов. Иркутск 1983 г.

2. Балбашов А.М., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. М.: Энергия, 1979 г.

3. Грошенко Н.А., Карпенко Н.И., Дубинко С.В. Основные области применения прикладной магнитооптики. Симфероп. ун-т. Симферополь, 1989 г. с.9.

4. Горобец Ю.И., Вилесов Ю.Ф., Грошенко Н.А. Магнитооптические дифракционные решетки в оптоэлектронике. М.: Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1998 г, с. 348.

5. Панченко В.Б., Карпенко Н.И., Пронина Н.В. Датчик магнитных полей. Тез. докл. VII Всесоюз. конф. "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры". Л., 1989 г. с. 234.

6. Попов Е.Н., Карпенко Н.И., Панченко В.Б. Способ визуализации магнитной сигналограммы и устройство для его осуществления. Опубл. 07.02.93. Бюл. № 5. А.с. 1793465 СССР.

7. Рандошкин В.В, Червоненкис А .Я. Состояние разработок магнитооптических устройств. НИИЭИР. 1985 г.. Тетр. 3, с. 78 -96.

8. Хребетов А.О., Еремина М.И., Фичичян В.П. Отчет "Разработка и изготовление модернизированной установки "Эталон-1 Б" для контроля статистических параметров магнитных ферродиэлектриков". Донецк 1988 г.

9. Червоненкис А .Я., Глаголев С.Ф. Магнитооптические методы и средства определения магнитных характеристик материалов. М.: Энергия, 1980 г.

10. Карпенко Н.И., Моисеенко А.В., Ушаков Т.С. Патент Украины №32698 Способ определения угла выхода вектора намагниченности в тонких магнитных пленках. Бюл.№1 2001г.

11. Карпенко Н.И., Дубенко С.В., Прокопов А.Р. Патент Украины №67419 Способ определения угла выхода вектора намагниченности в магнетиках. Бюл.№6 2004 г.



Приложение

Калибровка магнитной системы датчиком Холла

Размещено на Allbest.ru