Фотоіндукована анізотропія і процеси перемагнічування в гранатових структурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна Академія наук України

Фізико-технічний інститут низьких температур

імені Б.І.Вєркіна

УДК 538.245

ФОТОІНДУКОВАНА АНІЗОТРОПІЯ І ПРОЦЕСИ ПЕРЕМАГНІЧУВАННЯ В ГРАНАТОВИХ СТРУКТУРАХ

01.04.11 - Магнетизм

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Давиденко Ірина Іванівна

Харків - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка, на кафедрах квантової радіофізики, кріогенної і мікроелектроніки, та в Міжфакультетській науково-дослідній лабораторії прикладних проблем запису інформації.

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор Мелков Геннадій Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, м. Київ, декан радіофізичного факультету

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, член-кореспондент НАН України Погорелий Анатолій Миколайович, Інститут магнетизму НАН України, м.Київ, заступник директора

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Хацько Євген Миколайович, Фізико-технічний інститут низьких температур імені Б.І.Вєркіна НАН України, м. Харків, провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор Данилов Вадим Васильович, Київський національний університет, професор радіофізичного факультету

Провідна установа: Чернівецький національний державний університет ім. Ю.Федьковича

Захист дисертації відбудеться “__24_”____09___ 2002 р. о __15____ годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 64.175.02 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І Вєркіна НАН України за адресою 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна, 47).

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.С.Ковальов



Давиденко І.І.Фотоіндукована анізотропія і процеси перемагнічування в гранатових структурах. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 - Магнетизм. - Фізико-технічний інститут низьких температур імені Б.І.Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню закономірностей процесів формування і релаксації фотоіндукованої магнітної і оптичної анізотропії в гранатових структурах, а також процесів перемагнічування в умовах існування фотоіндукованої магнітної анізотропії і в зовнішніх просторово неоднорідних магнітних полях. Основна увага приділяється дослідженню природи фотоіндукованої магнітної анізотропії в залізо-ітриєвому гранаті, легованому кобальтом (ЗІГ:Со) і фотоіндукованого спін-переорієнтаційного переходу, що спостерігається в цьому матеріалі в широкому температурному діапазоні, аж до кімнатних температур.

На основі проведених експериментальних досліджень і аналізу їхніх результатів в рамках розроблених феноменологічних теоретичних моделей зроблений висновок, що високотемпературні фотоіндуковані ефекти в ЗІГ:Со зумовлені перерозподілом населеностей високоанізотропних іонів двовалентного кобальту по орієнтаційно-нееквівалентних октаедричних позиціях гранатової кристалічної гратки під впливом лінійно поляризованого світла. Досліджений механізм перезарядження цих іонів під впливом світла, а також механізм релаксаційного процесу.

Розроблені модельні уявлення про механізми фотоіндукованих ефектів застосовані для описання процесів формування оптичної голографічної гратки в марганець-германієвому гранаті в парамагнітному стані, що являє собою просторовий розподіл фотоіндукованого лінійного двопроменезаломлення в зразку, що опромінюється суперпозицією двох когерентних лінійно поляризованих світлових пучків з паралельними або ортогональними векторами поляризації. Отримана чисельна відповідність між експериментальними результатами і розрахунками свідчить про адекватність теоретичної моделі реальним фізичним процесам.

Проведене чисельне і експериментальне моделювання формування голографічної гратки в магнітному гранаті. Експериментальне моделювання перебудови доменної структури епітаксійної гранатової плівки в просторово неоднорідному полі здійснювалося з використанням не ефективного поля фотоіндукованої магнітної анізотропії, а реального зовнішнього просторово періодичного магнітного поля. Отримані при цьому результати можуть бути використані, зокрема, для магнітної метрології, а також для відтворення магнітних сигналограм з вузькими доріжками.

Ключові слова: фотоіндуковані ефекти, анізотропія, перемагнічування, доменна структура, гранат, двопроменезаломлення.



Давиденко И.И. Фотоиндуцированная анизотропия и процессы перемагничивания в гранатовых структурах. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.11 - Магнетизм. - Физико-технический институт низких температур имени Б.И.Веркина НАН Украины, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена исследованию закономерностей процессов формирования и релаксации фотоиндуцированной магнитной и оптической анизотропии в гранатовых структурах, а также процессов перемагничивания в условиях существования фотоиндуцированной магнитной анизотропии и во внешних пространственно неоднородных магнитных полях. Основное внимание уделяется исследованию природы фотоиндуцированной магнитной анизотропии в железо-иттриевом гранате, легированном кобальтом (ЖИГ:Со) и фотоиндуцированного спин-переориентационного перехода, который наблюдается в этом материале в широком температурном диапазоне, вплоть до комнатных температур.

На основании проведенных экспериментальных исследований и анализа их результатов в рамках разработанных феноменологических теоретических моделей сделан вывод о том, что высокотемпературные фотоиндуцированные эффекты в ЖИГ:Со обусловлены перераспределением населенностей ионов двухвалентного кобальта по ориентационно-неэквивалентным октаэдрическим позициям гранатовой кристаллической решетки под воздействием линейно поляризованного света. Эти ионы в октаэдрическом кислородном окружении характеризуются большой величиной анизотропии на один ион и, соответственно, вносят значительный вклад в макроскопическую анизотропию. Фотоиндуцированное перераспределение населенностей Со²⁺ по неэквивалентным октаэдрическим узлам определяет большую величину энергии фотоиндуцированной анизотропии и значительные величины наблюдаемых фотоиндуцированных эффектов. магнітний оптичний анізотропія фотоіндукований

Исследован механизм перезарядки ионов Со²⁺ под воздействием света, а также механизм релаксационного процесса. Из анализа экспериментально определенных величин характеристических времен и энергий активации этих процессов сделан вывод о том, что фотоиндуцированное перераспределение осуществляется с переносом заряда через зону проводимости, а релаксационный процесс имеет активационный характер. Особенности энергетической зонной структуры ЖИГ:Со определяют затрудненный характер релаксации, что, по-видимому, я является одной из причин существования эффекта при высоких температурах. Последнее, в свою очередь, открывает перспективы практического использования эффекта фотоиндуцированного перемагничивания, поскольку до настоящего времени такие эффекты наблюдались в основном лишь при криогенных температурах.

Разработанные модельные представления о механизмах фотоиндуцированных эффектов использованы для описания процессов формирования оптической голографической решетки в марганец-германиевом гранате (МГГ) в парамагнитном состоянии, которая представляет собой пространственное распределение фотоиндуцированного линейного двулучепреломления в образце, облучаемом суперпозицией двух когерентных линейно поляризованных световых пучков с параллельными или ортогональными векторами поляризации. Проведенные экспериментальные исследования электро- и фотофизических свойств МГГ и результаты анализа известных экспериментальных данных свидетельствуют о том, что фотоиндуцированные эффекты связаны с перераспределением населенностей ионов трехвалентного марганца по октаэдрическим узлам. Полученное численное соответствие между экспериментальными результатами и расчетами свидетельствует об адекватности теоретической модели реальным физическим процессам.

Проведено численное и экспериментальное моделирование формирования голографической решетки в магнитном гранате. Экспериментальное моделирование перестройки доменной структуры эпитаксиальной гранатовой пленки в пространственно неоднородном поле осуществлялось с использованием не эффективного поля фотоиндуцированной магнитной анизотропии, а реального внешнего пространственно периодического магнитного поля. Полученные при этом результаты могу быть использованы, в частности, для магнитной метрологии, а также для воспроизведения узкодорожечных магнитных сигналограмм. Продемонстрирована возможность воспроизведения сигналограмм, сформированных в рабочем слое хром-диоксидной магнитной ленты термомагнитным способом.

Ключевые слова: фотоиндуцированный эффекты, анизотропия, перемагничивание, доменная структура, гранат, двулучепреломление.



Davidenko I.I. Photoinduced anisotropy and magnetization reversal in garnet structures. Manuscript. Thesis for scientific degree of doctor of physico-mathematical sciences. Specialty 01.04.11 - Magnetism. Physicotechnical Institute of Low Temperatures, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2002.

Dissertation is devoted to the investigations of regularities of the processes of formation and relaxation of photoinduced magnetic and optical anisotropy in garnet structures as well as magnetization reversals under presence of photoinduced magnetic anisotropy and in the external spatially inhomogeneous magnetic fields. The main attention was paid to study of the nature of photoinduced magnetic anisotropy in yttrium iron garnet doped with cobalt (YIG:Co) and photoinduced spin-reorientation transition observed in this material within the wide temperature region until room temperature.

Proceeding from carried out experimental investigations as well as analysis of their results within the scope of developed phenomenological theoretical models it was concluded, that high temperature photoinduced effects in YIG:Co are caused by the redistribution of occupancies of highly anisotropic ions of divalent cobalt through the non-equivalent octahedral positions of garnet crystal lattice under influence of linearly polarized light. Mechanisms of recharge of these ions under light influence and relaxation mechanisms were investigated.

Developed model considerations concerning mechanisms of photoinduced effects were used for the description of the processes of formation of holographic grating in manganese-germanium garnets in paramagnetic state. The grating is the spatial distribution photoinduced linear birefringence in the sample, which is illuminated with the superposition of two coherent linearly polarized light beams with parallel or orthogonal polarization vectors. Obtained quantitative description of the experimental results within the scope of developed theoretical model is evidence of adequacy of the model to the real physical processes.

Numerical and experimental modeling of the formation of holographic grating in magnetic garnet was conducted. Experimental modeling of changes of domain structure of epitaxial garnet film in spatially inhomogeneous magnetic field was fulfilled using external spatially periodic magnetic field instead effective field of photoinduced magnetic anisotropy. Obtained results can be used in particular for magnetic metrology as we as for reading of magnetic recording with narrow tracks.

Key words: photoinduced effects, anisotropy, magnetization reversal, domain structure, garnet, birefringence.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Велика увага дослідженню фізичних процесів у кристалічних і магнітовпорядкованих середовищах, що піддаються впливам світлових і магнітних полів, пов'язана із сучасним розвитком технології їхнього використання як носіїв інформації і як активних середовищ в пристроях оптоелектроніки і системах зв'язку, а також з удосконалюванням технології виробництва самих середовищ з урахуванням практичних потреб.

При практичному використанні активних середовищ в інформаційних системах, системах оптоелектроніки і зв'язку актуальним є питання про їхню роздільну здатність, чутливість до зовнішніх впливів, перешкодозахищеність, швидкодію і т.д. Усі ці характеристики обумовлюються, у першу чергу, фізичним механізмом відгуку середовища на зовнішній вплив, тобто механізмом зміни вихідного стану. Тому дослідження процесів перемагнічування (зміни магнітного стану) і формування оптичних неоднорідностей в активних середовищах в умовах неоднорідних зовнішніх вплив є в даний час одним із пріоритетних напрямків розвитку фізики інформаційних середовищ, фізики магнітних явищ, оптики, радіофізики.

Найважливішим фактором, що визначає механізми й особливості перемагнічування, є характер магнітної анізотропії, а також її величина і можливості зміни. Дослідженням у цьому напрямку присвячена велика кількість теоретичних і трохи менше експериментальних робіт. Труднощі експериментальних досліджень зв'язані з тим, що в більшості випадків неможливо сформувати в досліджуваному середовищі просторовий розподіл густини енергії магнітної анізотропії з необхідними параметрами.

Виключення в цьому плані складають середовища з фотомагнітними властивостями. У них при опромінення світлом на тлі власної анізотропії виникає область з додатковою фотоіндукованою анізотропією (ФІА). Причому, параметри цієї області визначаються, в основному, параметрами світлового пучка, яким здійснювалося опромінення - геометричними розмірами і розподілом інтенсивності в поперечному перерізі, поляризацією, тривалістю опромінення і т.п. Остання обставина дозволяє розглядати середовища з фотомагнітними властивостями в якості унікальних модельних об'єктів для експериментального дослідження процесів перемагнічування в умовах неоднорідного розподілу густини енергії магнітної анізотропії. Крім того, у гранатах у парамагнітному стані можливе формування оптичної анізотропії під впливом опромінення, що саме по собі становить інтерес у плані пошуку, створення й оптимізації параметрів інформаційних і активних середовищ.

У свою чергу, механізми й особливості самих фотоіндукованих магнітних і немагнітних ефектів вимагають додаткового детального дослідження, системного і узагальненого підходу, що дозволив би пояснити й описати все різноманіття фотоіндукованих ефектів (ФІЕ). Таким дослідженням присвячена значна частина даної роботи. У ній узагальнені результати експериментальних і теоретичних досліджень ФІЕ в монокристалічних об'ємних зразках і тонких епітаксійних плівках ферит-гранатів різних складів у широкому температурному діапазоні. На прикладі фотомагнітних середовищ досліджені процеси перемагнічування в умовах існування областей із просторово неоднорідним розподілом густини енергії ФІА. Вплив ефективного поля фотоіндукованої магнітної анізотропії на магнітний стан багато в чому аналогічний впливу реального просторово неоднорідного зовнішнього магнітного поля, що і показано в продовженні розгляду процесів перемагнічування в просторово періодичних полях. Продемонстровано можливість використання отриманих при цьому результатів для відтворення термомагнітного запису інформації на хром-діоксидній магнітній стрічці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з планом фундаментальних досліджень і бюджетного фінансування університету в рамках 2 держбюджетних тем 0197U003147, 0101U002166 та 1 міжнародного гранта INTAS 97-0366 “Metastable and photoexcited states in magnetic garnets”.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень було встановлення на прикладі гранатових структур загальних закономірностей формування оптичної і магнітної анізотропії під впливом оптичного опромінення, а також дослідження впливу просторово неоднорідних ефективних полів магнітної анізотропії і зовнішніх полів на характер і особливості процесів перемагнічування магнітовпорядкованих середовищ.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних задач:

розробки феноменологічної теорії фотоіндукованої магнітної анізотропії і її застосування для опису фотоіндукованих ефектів, що спостерігаються в гранатах різних складів у режимах безупинного й імпульсного опромінення;

адаптації для дослідження фотоіндукованих ефектів експериментальної методики імпульсного збудження, її теоретичного обгрунтування і використання;

розробки кінетичних моделей фотоіндукованої магнітної й оптичної анізотропії, їхньої адаптації для умов експерименту в режимі імпульсного збудження з метою отримання з експериментальних результатів інформації про мікроскопічні механізми ефектів, що спостерігаються;

чисельного моделювання процесів формування і релаксації фотоіндукованої анізотропії в рамках розроблених кінетичних моделей, що дозволило визначити такі фундаментальні параметри процесів, як характеристичні часи й енергії активації;

розробки, теоретичного обґрунтування і використання експериментальної методики визначення ефективного поля фотоіндукованої магнітної анізотропії;

дослідження електро- і фотофізичних властивостей марганець-германієвих гранатів з метою з'ясування суті фізичних процесів, відповідальних за поляризаційно-залежні фотоіндуковані ефекти в цих гранатах у парамагнітному стані;

дослідження процесів формування оптичної і магнітної анізотропії в світлових полях, модульованих у просторі по стану поляризації або по інтенсивності;

експериментального і теоретичного дослідження фотоіндукованого перемагнічування тонких епітаксійних плівок;

експериментального і теоретичного дослідження поведінки доменної структури (ДС) епітаксійних гранатових плівок у просторово періодичних магнітних полях і в полях із двовимірною періодичністю;

оцінки можливості використання результатів проведених досліджень у системах запису, відтворення й обробки інформації.

Об'єктами дослідження були процеси взаємодії електромагнітного випромінювання і магнітного поля з речовиною.

Предметом дослідження були ефекти зміни магнітної і оптичної анізотропії, а також магнітного стану магнітовпорядкованих середовищ під впливом лазерного випромінювання і магнітних полів.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети і реалізації задач досліджень використовувалися наступні методи:

метод симетрійного аналізу при розробці феноменологічної теорії фотоіндукованої анізотропії, що постулює виникнення при опроміненні додаткового доданка в повній енергії магнітної анізотропії;

метод візуалізації доменної структури з використанням ефекту Фарадея і цифрової обробки зображень при експериментальних дослідженнях процесів фотоіндукованого перемагнічування тонких епітаксійних гранатових плівок;

експериментальна методика імпульсного збудження, що дозволила визначити характеристичні часи й енергії активації процесів формування і релаксації фотоіндукованої анізотропії;

метод кінетичних рівнянь, використаний при чисельному моделюванні процесів фотоіндукованого перерозподілу населеностей анізотропних фотоактивних центрів між орієнтаційно-нееквівалентними вузлами кристалічних ґраток, а також процесів індукування і релаксації ФІА в режимах безупинного й імпульсного опромінення;

метод мінімізації функціонала повної енергії при дослідженні фотоіндукованих спін-переорієнтаційних переходів і процесів перемагнічування в просторово періодичних зовнішніх магнітних полях;

метод експериментального визначення ефективного поля ФІА, що базується на аналогії за певних умов впливу світла і зовнішнього магнітного поля;

метод магнітооптичної дифракції лазерного випромінювання на доменній структурі ферит-гранатових епітаксійних плівок, за допомогою якого вивчалися процеси перемагнічування в полях складної просторової структури і слабких.

Наукова новизна отриманих результатів:

Розроблено універсальну феноменологічну теорію фотоіндукованої магнітної анізотропії, що базується на симетрійному підході і не потребує інформації про природу анізотропних фотоактивних центрів, відповідальних за ФІЕ, і про механізми їхнього оптичного перезарядження. Експериментальні результати, отримані при дослідженнях ФІЕ у фотомагнітних залізо-ітриєвих гранатах з домішками кремнію (ЗІГ:Si) і кобальту (ЗІГ:Со), вперше пояснені і кількісно описані на феноменологічному рівні, що сприяє більш глибокому розумінню фізичної природи цих ефектів. На прикладі ЗІГ:Si і ЗІГ:Со показано, що розроблена теорія враховує зміни вихідної кубічної анізотропії і виникнення фотоіндукованої одноосьової анізотропії під впливом лінійно поляризованого світла. Оскільки теорія має узагальнений і універсальний характер, то можливо її застосування для опису процесів формування і релаксації фотоіндукованої магнітної й оптичної анізотропії в інших середовищах.

Експериментально досліджений і у рамках розробленої феноменологічної моделі вперше теоретично описаний фотоіндукований спін-переорієнтаційний перехід у тонких епітаксійних плівках ферит-граната, що спостерігається при температурах, аж до кімнатних. Дотепер такі дослідження проводилися лише в об'ємних монокристалічних зразках і при криогенних температурах. Отримана задовільна відповідність експериментальних і теоретичних результатів свідчить про справедливість висловленого припущення про визначальну роль впливу фотоіндукованої магнітної анізотропії на досліджуваний процес перемагнічування.

Вперше при дослідженні фотоіндукованих магнітних ефектів застосовано експериментальну методику збудження імпульсним світлом, що разом з модифікацією відомої і створенням нових кінетичних моделей ФІА дозволило повніше з'ясувати мікроскопічну природу фотоіндукованих магнітних ефектів у найбільш перспективному в даний час високотемпературному фотомагнітному матеріалі ЗІГ:Со, зокрема визначити характеристичні часи і енергії активації процесів формування і релаксації ФІА.

Розроблено і вперше застосовано нову, унікальну методику експериментального визначення величини ефективного поля фотоіндукованої магнітної анізотропії. При дослідженнях фотоіндукованих магнітних ефектів такі вимірювання були виконані вперше. Теоретичний аналіз отриманих результатів був покладений в основу ідентифікації природи анізотропних фотоактивних центрів, відповідальних за ФІЕ в ЗІГ:Со, і пояснення природи високотемпературних ФІЕ в цьому матеріалі.

Вперше досліджені особливості кінетики населеностей анізотропних фотоактивних домішкових центрів при початкових умовах, що відповідають нерівномірному розподілу населеностей, що є важливим для середовищ із сильною магнітною післядією, де ті самі мікроскопічні центри відповідальні за ФІЕ і за магнітну післядію, й у момент початку опромінення існує істотно нерівномірний розподіл населеностей.

Уперше теоретично описаний просторовий профіль енергії ФІА, неоднорідність якого обумовлена існуванням вихідної (до опромінення) доменної структури, неоднорідним характером розподілу інтенсивності в поперечному перерізі світлового пучка, що збуджуэ, і скінченою величиною оптичного поглинання.

Створення теоретичної моделі фотозбудження анізотропних домішкових центрів під впливом еліптично поляризованого світла дозволило описати процес перерозподілу їхніх населеностей і формування ФІА у світлових полях складної просторової структури, які є суперпозицією двох лінійно поляризованих пучків з паралельними чи ортогональними орієнтаціями векторів поляризації. Уперше виконане чисельне моделювання такої ситуації для граната в магнітному стані, на підставі якого зроблений висновок про принципову можливість запису магнітних голографічних ґраток у гранатах з високоанізотропними іонами, наприклад з іонами кобальту.

Вперше експериментально досліджені електро- і фотофізичні властивості марганець-германієвих гранатів, у яких спостерігається широкий спектр магнітних і немагнітних ФІЕ. На основі теоретичного аналізу отриманих результатів зроблені висновки про природу фотоактивних центрів і про особливості їх оптичного і термоактивованого перезарядження.

Запропоновано модифікацію відомого методу контактного копіювання, що базується на модуляції ширини доменів власної плоскопаралельної смугової доменної структури епітаксійної ферит-гранатової плівки в полях розсіювання магнітної сигналограми. Вона передбачає використання додаткової сигналограми для стабілізації смугової ДС у плівці. У такий спосіб уперше теоретично й експериментально досліджена поведінка ДС гранатової плівки в магнітному полі з двовимірною періодичністю.

Експериментально і теоретично досліджений спектр магнітооптичної дифракції на доменній структурі епітаксійної гранатової плівки, що знаходиться в зовнішньому просторово періодичному полі і являє собою гратку з двовимірною регулярністю.

Продемонстровано можливість використання дослідженого явища модуляції ширини доменів плоскопаралельної смугової доменної структури гранатової плівки в зовнішньому просторово періодичному полі для відтворення магнітних сигналограм з вузькими доріжками, створених термомагнітним способом.

Практичне значення отриманих результатів. Результати, одержані в ході проведених досліджень, вносять вклад у таку фундаментальну галузь фізики, як взаємодія випромінювання і полів з речовиною. Зокрема, експериментально і теоретично досліджені високотемпературні фотоіндуковані магнітні ефекти. Можливість зміни магнітного стану під впливом поляризованого оптичного випромінювання можна вважати дуже перспективною і багатофункційною з точки зору практичних потреб, але використання магнітних ФІЕ дотепер було проблематичним у силу того, що більшість з них спостерігалися при кріогенних температурах.

Дослідження фотоіндукованих ефектів у модельних гранатових структурах дозволяє передбачити, яким вимогам повинно задовольняти середовище, щоб ФІЕ в ньому мали більшу величину і спостерігалися в більш широкому температурному діапазоні, що має практичне значення при створенні систем запису й обробки інформації, систем зв'язку й оптоелектроніки. Більшість розроблених експериментальних методик і теоретичних моделей є універсальними й узагальненими і можуть бути застосовані до різноманітних середовищ з фотоактивними центрами різної природи. Наприклад, вони були використані в наукових дослідженнях, проведених у Варшавському і Віденському університетах, Харківському фізико-технічному інституті низьких температур НАНУ, про що свідчать спільні публікації автора з представниками цих організацій.

Теоретичний аналіз особливостей фотоіндукованих ефектів у світлових полях складної просторової структури може розглядатися як основа для розробки поляризаційних магнітних і немагнітних голографічних систем реєстрації інформації.

На підставі результатів проведених досліджень перемагнічування епітаксійних гранатових плівок у просторово неоднорідних магнітних полях розроблений ряд оригінальних методик визначення параметрів магнітних середовищ, зокрема середовищ, у яких неможливо безпосереднє використання магнітооптичних ефектів Фарадея чи Керра. Ці методики можуть бути використані для метрологічного забезпечення у виробництві магнітних і магнітооптичних носіїв інформації, у пристроях управління світловим пучком.

Особистий внесок здобувача в роботах, виконаних у співавторстві, складається з постановки задачі досліджень, теоретичного обгрунтування нових експериментальних методик, безпосередньої участі в проведенні експериментів, теоретичного описання та інтерпретації отриманих результатів, проведення чисельного моделювання, написання та перекладу більшості робіт. Експериментальні дослідження перемагнічування епітаксійних гранатових плівок в просторово неоднорідних зовнішніх магнітних полях, магнітооптичної дифракції на доменній структурі з модульованими за шириною доменами, магнітооптичного відтворення магнітних сигналограм з вузькими доріжками були проведені особисто автором. Чисельне моделювання процесу фотоіндукованого перемагнічування тонкої епітаксійної гранатової плівки, а також створення теоретичних моделей, що пояснюють існування високотемпературних фотоіндукованих ефектів, виконувалися за безпосередньої участі автора. Більшість отриманих у дисертації результатів доповідалась автором особисто на вітчизняних та міжнародних наукових конференціях, симпозіумах, та семінарах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, викладені в дисертації, доповідалися на:

XIII Всесоюзній школі-семінарі „Нові магнітні матеріали мікроелектроніки” (Астрахань, 1993);

Міжнародної конференції з голографії, кореляційної оптики і реєструючих середовищ (Чернівці, 1993);

European magnetic materials & Applications Conference EMMA'93 (Kosice, Slovakia, 1993);

14th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (Dusseldorf, Germany, 1994);

International Conference on Magnetism ICM'95 (Warsaw, Poland, 1995);

International Soft Magnetic Materials Conference (Krakow, Poland, 1995);

VI Konferencja naukowa Technologgia elektronowa ELTE'7 (Krynica, Polska, 1997);

науковому семінарі лабораторії магнетизму фізичного факультету Варшавського університету (філія в Белостоці) (Белосток, Польща, 1998);

Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects and Devices PRM'99 (Elsinore, Denmark, 1999);

науковому семінарі Інституту експериментальної фізики Віденського університету (Відень, Австрія, 1999);

III Міжнародної конференції з електронних процесів у органічних матеріалах (Харків, 2000);

International Conference on Magnetism ICM'2000 (Recife, Brazil, 2000);

European magnetic materials & Applications Conference EMMA'2000 (Kiev, Ukraine, 2000);

Міжнародній конференції з голографії, кореляційної оптиці і реєструючих середовищ (Чернівці, 2001);

Topical Meeting on Photorefractive Materials, Effects and Devices PRM'2001 (Lake Lawn Lodge, Wisconsin, USA, 2001);

First Seeheim Conference on Magnetism (Seehein, Germany, 2001);

засіданні наукового семінару теоретичного відділу Інституту ядерних досліджень НАН України;

засіданні проблемної ради Фізико-технічного інституту низьких температур НАНУ;

засіданні наукового семінару Інституту фізики напівпровідників НАН України.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 42 наукових праці, з них 28 у реферованих наукових журналах (22 після захисту кандидатської дисертації).

Структура та об'єм дисертації. Робота складається із вступу, шести розділів і списку використаних джерел із 271 найменувань. Робота містить 283 сторінки машинописного тексту, включаючи 126 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність обраного напрямку досліджень, подано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено об'єкти, предмети та методи досліджень, відображена наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, надано інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію роботи.

У першому розділі систематизовано відомі результати експериментальних досліджень фотоіндукованих магнітних ефектів (ФІМЕ), причиною яких є зміна магнітної анізотропії в об'ємі середовища, що опромінюється. Серед таких ефектів насамперед слід відзначити фотоіндукований спін-переорієнтаційний перехід (ФІСПП), що спостерігався в об'ємних монокристалічних зразках залізо-ітриєвого гранату з кремнієм (ЗІГ:Si) та тонких епітаксійних плівках залізо-ітриєвого гранату з кобальтом (ЗІГ:Со).

На першому етапі досліджень процеси формування і релаксації фотоіндукованої магнітної анізотропії (ФІА) в ЗІГ:Si та ЗІГ:Со вивчаються на феноменологічному рівні. Створено узагальнену феноменологічну модель фотоіндукованої анізотропії, що базується лише на симетрійних уявленнях, не потребує інформації про мікроскопічні механізми і може бути застосована для різних магнітовпорядкованих середовищ.

Припускається, що в результаті опромінення фотомагнітного середовища лінійно поляризованим світлом симетрія кінцевого стану знижується в порівнянні с симетрією до опромінення. Енергія магнітної анізотропії після опромінення повинна включати доданок, що відповідає симетрії в початковому стані, і додатковий доданок більш низької симетрії. Для описання змін із часом цього доданку було постульовано найпростіше рівняння релаксаційного типу. В результаті застосування такого підходу для гранатових структур з кубічною кристалічною граткою в вихідному стані (до опромінення) були отримані наступні вирази, що описують процеси формування і релаксації ФІА відповідно:

де і - вектори поляризації світла та намагніченості відповідно, ₁ і ₂ - характеристичні часи процесів формування і релаксації ФІА, F_L i G_L - константи ФІА.

Феноменологічна модель ФІА була використана для пояснення й описання відомих експериментальних результатів дослідження ФІСПП в ЗІГ:Si. Отримана при цьому кількісна відповідність експериментальних і теоретичних результатів свідчить про справедливість модельних припущень і про її адекватність реальним фізичним процесам. Приведені в роботі результати чисельного моделювання сприяють більш повному розумінню причин ФСПП, що спостерігається експериментально. Основною з них є протилежні зміни (зменшення і збільшення) повної енергії в доменах з різними напрямками намагніченості.

Створена феноменологічна модель ФІА була використана при постановці експериментальної задачі при дослідженні ФІСПП під впливом лінійно поляризованого світла в тонких епітаксійних плівках ЗІГ:Со, в яких фотоіндуковане перемагнічування здійснюється шляхом вигину і зсуву доменної границі (ДГ) в освітлюваній області. Напрямок і величина зсуву ДГ залежать від поляризації ініціюючого світла і часу опромінення (рис.1). Експериментальні дослідження проводилися на зразку Y₂CaFe_3.9Co_0.1GeO₁₂ товщиною 10 мкм, вирощеному на підкладці з галій-гадолінієвого гранату з орієнтацією (001), при кімнатній температурі. В вихідному стані в плівці співіснували 4 доменні фази з орієнтацією намагніченості поблизу осей легкого намагнічування <111>. Збудження ФІМЕ здійснювалося променем аргонового лазера (=0.488 мкм) потужністю 70 мВт, сфокусованим на поверхні плівки в просторовій області, що містить границю між доменами з і . При візуалізації ДС і її змін використовувався ефект Фарадея в режимі безпосереднього спостереження і в режимі реєстрації ПЗЗ камерою з наступною комп'ютерною цифровою обробкою зображень.

На основі аналізу результатів проведених досліджень було висловлене припущення, що причиною існування ФІМЕ в ЗІГ:Со при значно вищих температурах у порівнянні, наприклад, з ЗІГ:Si, може бути, по-перше, вища енергія ФІА, а по-друге - утруднена релаксація із зростанням температури. Перше припущення частково підтверджується експериментально отриманою залежністю часу фотоіндукованого перемагнічування до насичення від орієнтації вектора поляризації світла. Її характер свідчить про те, що мікроскопічні центри, відповідальні за ФІСПП, локалізовані в октаедричних вузлах кристалічної гратки. В цих позиціях можуть знаходитись іони Fe²⁺, Fe³⁺, Co³⁺ i Co²⁺. Останні характеризуються найбільшою анізотропією на один іон в октаедричній конфігурації.

З метою перевірки другого припущення було адаптовано і застосовано експериментальну методику збудження ФІМЕ під впливом імпульсного світла. Такі методики раніше використовувалися, наприклад, при дослідженнях фотоіндукованих процесів в напівпровідниках. Вони дозволяють ефективно розділили процеси індукування і релаксації і визначити відповідні характеристичні части обох процесів.

Зразок опромінювався послідовністю світлових імпульсів (рис.2). Експериментальне обладнання дозволяло змінювати тривалості імпульсу t₁ і темнового проміжку t₂. Після впливу серії імпульсів система досягає стаціонарного стану з постійною величиною відхилення ДГ від стану рівноваги, яка залежить від t₁ i t₂. Аналіз отриманих експериментальних залежностей відхилення ДГ від t₁ i t₂ в рамках запропонованої феноменологічної моделі ФІА дозволив визначити співвідношення між характеристичними часами процесів формування ₁ і релаксації ₂ ФІА: ₂/₁200, що підтверджує припущення про утруднення термічної релаксації ФІА в ЗІГ:Со, а також свідчить про істотну різницю фізичних механізмів формування і релаксації ФІА.

У другому розділі досліджені процеси перемагнічування в умовах існування фотоіндукованої магнітної анізотропії. Проаналізовані відомі дотепер результати експериментального і теоретичного дослідження фотоіндукованого перемагнічування в об'ємних монокристалічних зразках ЗІГ:Si, де ФІСПП здійснюється шляхом утворення і зростання зародку нової магнітної фази в освітлюваній області середовища. Процес має чітко виражений пороговий характер, що пов'язано з необхідністю досягнення критичної величини ФІА, достатньої для формування зародку.

Проведені експериментальні дослідження ФІСПП в тонких епітаксійних плівках ЗІГ:Со свідчать про те, що енергетично більш вигідним є перемагнічування шляхом вигину і зсуву ДГ. З експериментально зареєстрованих залежностей величини фотоіндукованої деформації ДГ випливає, що процес також має пороговий характер, потім починається з практично постійною швидкістю, яка далі зменшується, а після досить тривалого часу опромінення (десятки секунд) досягається стан насичення. Швидкість зсуву ДГ і його величина в стані насичення залежать від орієнтації вектору поляризації ініціюючого світла.

Експериментально був досліджений вплив зовнішнього магнітного поля на швидкість і величину фотоіндукованого зсуву ДГ. Встановлено, що при певній орієнтації (паралельно вектору поляризації світла) воно може підсилювати ефект, тобто за певних умов можна говорити про аналогію впливу на магнітний стан зовнішнього магнітного поля і ефективного поля ФІА. На цьому припущенні базується унікальна розроблена експериментальна методика визначення величини ефективного поля ФІА.

Існування порогового часу опромінення пов'язане з необхідністю подолання локальної коерцитивності. Порогове поле або поле старту, при якому починається рух ДГ, може бути як реальним зовнішнім H_S, так і ефективним полем ФІА. В останньому випадку в якості порогового параметру може розглядатися потужність лазерного випромінювання P_S. Можна вважати, що в момент початку руху ДГ знаходиться в абсолютно ідентичних умовах в обох випадках - під впливом зовнішнього поля і під впливом ефективного поля. Тому можна не приймати до уваги такі чинники впливу на ДГ, як локальна коерцитивність, закріплення ДГ на дефектах, магнітна післядія. З отриманих і відомих раніше експериментальних результатів випливає пропорційність ефективного поля ФІА H_L оптичній потужності

P: H_L(T,P)=L(T)P



де L(T) - деякий температурно залежний коефіцієнт пропорційності. Таке саме співвідношення можна записати для стартових поля і оптичної потужності і отримати наступний вираз для ефективного поля ФІА:

H_L(T,P)=PH_S(T)/P_S(T).

Останнє співвідношення було використане для експериментального визначення температурної залежності ефективного поля ФІА, яка показана на рис.3.

Розвинена в першому розділі феноменологічна модель ФІА була використана для дослідження фотоіндукованих змін форми ДГ. Методом мінімізації функціонала повної енергії було віднайдено аналітичну функцію, яка описує форму ДГ

,

де ,

R - радіус світлової плями, - ефективна константа ФІА, k - коефіцієнт жорсткості, обумовлений впливом сусідніх ДГ, u 1.7 - чисельний параметр. На рис.4 показані результати чисельного моделювання фотоіндукованоі деформації ДГ. Створена модель дозволила чисельно описати отримані експериментальні результати, зокрема - залежності вигину ДГ від поляризації світла і від часу опромінення.

В третьому розділі розглянуті мікроскопічні механізми ФІЕ в високотемпературному фотомагнітному матеріалі ЗІГ:Со. Дотепер було відомо, що ЗІГ є магнітним напівпровідником з шириною забороненої зони 2.9 еВ. Теоретична модель ФІЕ в ЗІГ:Si базувалася на припущенні про те, що відповідальними за ФІЕ є анізотропні домішкові центри на основі іонів Fe²⁺ в октаєдричних вузлах гранатової кристалічної гратки. Донорний електрон, що з'являється внаслідок зарядової компенсації при легуванні чотирьохвалентним кремнієм делокалізований і рухається навколо іону Fe²⁺ по катіонах. При збудженні такого комплексу світлом він потрапляє в зону провідності, живе там обмежений час і знову повертається на той самий або інший октаедричний центр. Внаслідок анізотропії фотозбудження переважає вихід електронів з таких октаедричних анізотропних центрів, локальна вісь анізотропії яких найближча до орієнтації вектору поляризації світла. Це призводить до перерозподілу населеностей і проявляється в формуванні макроскопічної одноосьової ФІА. Водночас з таким фотоіндукованим процесом завжди існує термоактивований ізотропний процес, який призводить до релаксації ФІА. Перерозподіл населеностей октаєдричних вузлів анізотропними фотоактивними центрами описувався моделлю чотирьох типів орієнтаційно-нееквівалентних вузлів.

Іони двохвалентного і трьохвалентного кобальту також в гранатовій гратці можуть знаходитись в октаедричних і тетраедричних вузлах. Причому, найбільшою анізотропією на один іон характеризуються іони Со²⁺ в октаедричному оточенні. Взагалі, кобальт є чужорідним елементом в гранатовій кристалічній гратці, його енергетичні рівні слабо резонують з власною енергетичною структурою ЗІГ. Крім того, енергетичний рівень основного стану іону Со²⁺ в октаедричному оточенні знаходиться на 1 еВ нижче дна зони провідності. Очевидно, такі умови повинні сприяти більшому ступеню локалізації електрона на іоні Со²⁺ і утрудненій релаксації нерівноважного фотоіндукованого розподілу населеностей октаедричних центрів з підвищенням температури. Ці дві обставини, а саме велика анізотропія на один іон і утруднена релаксація, розглядаються як причина існування ФІМЕ в ЗІГ:Со в значно ширшому температурному діапазоні (до кімнатних температур) у порівнянні, наприклад, з ЗІГ:Si.

Такі припущення були підтверджені експериментально і теоретично, насамперед з використанням модифікованої і вдосконаленої кінетичної моделі чотирьох типів орієнтаційно-нееквівалентних вузлів. Отримані результати чисельного моделювання дозволили наочно інтерпретувати, пояснити і описати експериментальні результати по дослідженню ФІСПП в ЗІГ:Со і порівняти їх з аналогічними для ЗІГ:Si. Вперше було проведено чисельне моделювання просторового профілю енергії ФІА з урахування гаусівського характеру розподілу інтенсивності в поперечному перерізі світлового пучка і скінченної величини оптичного поглинання.

При використанні найпростішої кінетичної моделі проблемою залишається неможливість ефективного розділення фотоіндукованого і термоактивованого процесів з метою детального з'ясування їхніх механізмів. Тому виникла необхідність проведення додаткових експериментальних досліджень в режимі імпульсного збудження, створення і адаптації до експериментальних умов нових теоретичних моделей.

На першому етапі таких досліджень по аналогії із полем старту і стартовою оптичною потужністю було ведене поняття стартової тривалості t_1S світлового імпульсу, починаючи з якої при незмінній амплітуді і за відсутності зовнішнього магнітного поля починається фотоіндукований вигин ДГ. Із аналізу результатів експериментального вимірювання t_1S при збудженні поодиноким імпульсом для різних температур в рамках феноменологічної моделі, що розвинена в першому розділі роботи, була отримана температурна залежність характеристичного часу ₁ фотоіндукованого процесу перерозподілу населеностей октаедричних вузлів іонами Со²⁺ (рис.5). Отримані значення ₁ були використані при дослідженнях в режимі збудження не поодиноким імпульсом, а серією світлових імпульсів. В результаті була отримана температурна залежність характеристичного часу ₂ термоактивованого процесу (рис.6). Отриманий характер температурних залежностей на рис.5 і рис.6 підтвердив припущення про те, що фотоіндукований процес відбувається шляхом переносу електрона через зону провідності, якому перешкоджає електрон-фононна взаємодія, що інтенсифікується із зростанням температури, а процес релаксації має активаційний характер і прискорюється з підвищенням температури. Про різні фізичні механізми процесів свідчить і отримана різниця величин характеристичних часів.

Для більш повного аналізу отриманих експериментальних результатів, а також для визначення енергій активації фотоіндукованого і термоактивованого процесів була створена узагальнена кінетична модель ФІА. В ній прийняті до уваги всі можливі електронні переходи в системі, що розглядається (рис.7). Вони описуються наступною системою кінетичних рівнянь:

де n_2X i n_2Y - концентрації іонів Со²⁺ в позиціях X i Y відповідно, n_Z - концентрація електронів в зоні провідності.

Використання такої моделі і порівняння результатів чисельного моделювання з експериментальними підтвердило справедливість зробленого вище висновку про фізичні механізми фотоіндукованого і термоактивованого процесів. Відповідний запис характеристичних часів у експоненціальній формі 1/₁=C₁exp[_a1/kТ] і ₂=C₂exp[_a2/kТ] з умови найуращої відповідності експериментальних і теоретичних результатів дозволив визначити енергії активації цих процесів: _а1=0.110.03 еВ, _а2=0.0840.008 еВ. Слід відзначити, що величина _а1 є типовою для оптичних фононів в ЗІГ, а _а2 значно менша за 1 еВ, що, очевидно, пов'язано з існуванням в досліджуваних зразках дефектів і кисневих вакансій, що створюють додаткові енергетичні рівні, які полегшують термоактивовану релаксацію.

Створена модель є універсальною, може бути застосована в інших магнітовпорядкованих середовищах, комплексно описує фотоіндуковану одноосьову анізотропію і відповідні зміни кубічної, адекватно описує експериментальні результати. Модельні параметри пов'язані з реальними, експериментально вимірюваними величинами.

В четвертому розділі розглянутий вплив просторово неоднорідних світлових полів на оптичну і магнітну анізотропію гранатів.

Формування фотоіндукованої оптичної анізотропії (лінійного двопроменезаломлення) розглядалося на прикладі марганець-германієвого гранату Ca₃Mn₂Ge₃O₁₂ в парамагнітному стані. Проведені попередньо дослідження електро- і фотофізичних властивостей цього гранату дозволили ідентифікувати іони Mn³⁺ в октаєдричних вузлах кристалічної гратки як відповідальні за ефекти, що спостерігаються. Дослідження перерозподілу населеностей октаедричних вузлів цими іонами проведено в рамках розвинених в попередніх розділах кінетичних моделей.

Були відомі експериментальні результати по формуванню в цих гранатах голографічних поляризаційних граток в світлових полях, що являють собою суперпозицію двох когерентних лінійно поляризованих світлових пучків з ортогональними векторами поляризації. В цьому випадку сумарне світлове поле модульоване за станом поляризації вздовж поверхні зразка. Для описання цього експерименту була створена модель фотозбудження активного іона в октаедричному вузлі під впливом еліптично поляризованого світла. Отримана кількісна відповідність експериментальних і теоретичних результатів, що свідчить про адекватність створеної моделі реальній експериментальній ситуації.

Аналогічні розрахунки результатів впливу світлового поля складної просторової структури виконані для гранату в магнітному стані, а саме - для ЗІГ:Со. Аналізуючи отримані результати і приймаючи до уваги значну величину фотоіндукованої анізотропії в ЗІГ:Со, можна зробити висновок про принципову можливість запису магнітних поляризаційних голографічних граток с цьому гранаті.

Оскільки експериментальні дослідження по формуванню магнітної голографічної гратки, зумовленої просторовим розподілом енергії фотоіндукованої анізотропії, не проводилися, то експериментально ситуація впливу на доменну структуру просторово періодичного магнітного поля була модельована з використанням не ефективного поля ФІА, а реального зовнішнього просторово періодичного магнітного поля. Результати таких досліджень викладені в п'ятому розділі. Як джерело зовнішнього просторово періодичного магнітного поля використовувався традиційний порошковий носій магнітного запису - магнітна стрічка.

Якщо в гранатовій плівці у вихідному стані існувала, або була сформована плоскопаралельна смугова доменна структура, то в результаті впливу просторово періодичного поля за певних умов орієнтації і напруженості поля відбувається просторова модуляція ширини смугових доменів. Це явище може бути використане для вимірювання параметрів зовнішнього поля, параметрів середовища, що є джерелом поля, а також параметрів самої гранатової плівки. Точність вимірювань залежить від якості і стабільності вихідної плоскопаралельної ДС. Запропоновано метод її стабілізації шляхом використання ще одного, додаткового носія магнітного запису, в робочому шарі якого попередньо сформований гармонічний розподіл залишкової намагніченості.

В шостому розділі описані результати дослідження можливостей використання явища модуляції доменної границі в просторово періодичному зовнішньому магнітному полі для відтворення магнітних сигналограм з вузькими доріжками, зокрема для відтворення сигналограм, що сформовані в робочому шарі хром-діоксидної (CrO₂) магнітної стрічки за методикою термомагнітного запису.

Раніше основною перешкодою використання термомагнітного запису в такому середовищі вважалася проблема відтворення, оскільки доріжки шириною 10 мкм не можуть бути відтворені за допомогою традиційних індукційних голівок, а також магніторезистивних голівок. Безпосереднє використання магнітооптичних ефектів для відтворення розподілу намагніченості в таких середовищах також утруднене.

В роботі проблема відтворення таких сигналограм з вузькими доріжками вирішена на експериментальному рівні. Продемонстрована також можливість відтворення через основу магнітної стрічки, тобто за відсутності механічного контакту між елементами системи відтворення і середовищем запису.