Фотоіндукована анізотропія і процеси перемагнічування в гранатових структурах

ВИСНОВКИ

Експериментально досліджений і теоретично пояснений ефект фотоіндукованого перемагнічування тонких епітаксійних плівок ЗІГ:Со, який спостерігається під впливом лінійно поляризованого світла в широкому температурному діапазоні (аж до кімнатних температур) і відбувається шляхом зсуву і вигину доменної границі в освітлюваній області. Цей процес носить граничний характер, що зв'язано з необхідністю подолання коерцитивності плівки, магнітної післядії й закріплення ДГ на дефектах структури. Величина і напрямок зсуву доменної границі залежать від поляризації ініціюючого світла.

Виявлення і дослідження фотоіндукованих магнітних ефектів у залізо-ітриєвому гранаті, легованому кобальтом (ЗІГ:Со), у широкому температурному діапазоні аж до кімнатних температур, значна величина ефектів, а також досить повно досліджені властивості самого ЗІГ:Со роблять його одним з найбільш перспективних фотомагнітних матеріалів у даний час. Відсутність потреби в криогенних температурах, можливість безпосереднього спостереження доменних структур і їхніх змін забезпечує значне спрощення експериментальних методик при дослідженнях фотомагнітних явищ, що, у свою чергу, дозволяє перейти від інтегральних методів дослідження, які застосовувалися раніше, до локальних і більш точних, а, отже, отримати більше достовірної інформації про досліджуване явище і зробити адекватні висновки про його природу.

Розроблено узагальнену феноменологічну теорію фотоіндукованої анізотропії і досліджено можливість її використання для випадку модельних гранатових структур. Під впливом оптичного випромінювання відбуваються зміни анізотропії, характер яких пов'язаний з вихідною симетрією кристала. Зокрема, у фотомагнітних гранатах можуть відбуватися як зміни вихідної кубічної анізотропії, так і поява одноосьової фотоіндукованої магнітної анізотропії. Модель базується на найзагальніших симетрійних уявленнях, носить універсальний характер і її основні положення можуть бути використані для описання процесів формування і релаксації фотоіндукованої анізотропії в різноманітних кристалічних середовищах безвідносно до мікроскопічної природи і механізмів фотоіндукованих ефектів.

Проведення експериментальних досліджень фотоіндукованого перемагнічування плівок ЗІГ:Со, описання їхніх результатів у рамках розробленої феноменологічної моделі фотоіндукованої анізотропії й отримана задовільна відповідність експериментальних і теоретичних результатів свідчать про справедливість припущення про те, що причиною перемагнічування є поява ФІА в освітлюваному об'ємі плівки.

Встановлена аналогія між впливом (на початковому етапі перемагнічування) лінійно поляризованого світла і зовнішнього магнітного поля, орієнтованого паралельно вектору поляризації світла, дозволила розробити унікальну експериментальну методику визначення ефективного поля ФІА. Проведені вимірювання вперше дозволили отримати чисельні значення цієї величини, її температурні залежності й залежності від інтенсивності ініціюючого світла. Отримані досить великі значення ефективного поля ФІА і симетрія його кутових залежностей дозволяють висловити припущення про те, що мікроскопічна природа фотомагнітних ефектів у ЗІГ:Со пов'язана з перерозподілом іонів двовалентного кобальту по нееквівалентних октаедричних вузлах кристалічної ґратки.

Відомі дотепер результати експериментальних досліджень і теоретичні моделі не дозволяли пояснити природу високотемпературного фотоіндукованого спін-переорієнтаційного переходу в ЗІГ:Со. Нові експериментальні дослідження, зокрема в режимі імпульсного збудження, модифікація відомих теоретичних моделей, створення нових, чисельне моделювання й описання експериментальних результатів у рамках цих моделей дозволили підтвердити висловлене в ході феноменологічних досліджень припущення про те, що причиною змін кубічної анізотропії, появи одноосьової магнітної анізотропії, а отже і фотоіндукованого перемагнічування при опроміненні ЗІГ:Со лінійно поляризованим світлом є оптичне перезарядження іонів двовалентного кобальту, локалізованих в октаедричних вузлах кристалічної ґратки. Таким чином, ці іони ідентифіковані як анізотропні фотоактивні центри, відповідальні за ФІЕ в ЗІГ:Со.

Проведення спеціальних експериментальних досліджень, а також аналіз їхніх результатів у рамках розроблених теоретичних моделей дозволив зробити чисельну оцінку таких фундаментальних параметрів, як характеристичні часи й енергії активації процесів формування і релаксації фотоіндукованої анізотропії. Отримана їхня істотна різниця свідчить про різницю фізичних механізмів цих процесів, а саме можна припустити, що найбільш імовірним механізмом індукування є оптичне перезарядження із збудженням активного іона, виходом електрона в зону провідності, його транспортом і захопленням в іншому вузлі ґратки, а механізм релаксації, ймовірно, зв'язаний з термоактивованими електронними переходами через рівні домішок, дефектів і кисневих вакансій.

На відміну від процесу формування одноосьової фотоіндукованої анізотропії в ЗІГ:Со, пов'язаного з перерозподілом іонів двовалентного кобальту по нееквівалентних октаедричних вузлах кристалічної ґратки, фотоіндуковані зміни кубічної анізотропії зв'язані зі зміною їхньої концентрації.

Зразки марганець-германієвих гранатів (МГГ) у парамагнітному стані використані як модельні об'єкти при дослідженнях процесів формування й релаксації фотоіндукованої оптичної анізотропії. Аналіз отриманих експериментальних результатів дослідження електро- і фотофізичних властивостей цих гранатів свідчить про те, що електро- і фотопровідність у них обумовлюються концентрацією і розташуванням іонів тривалентного марганцю в кристалічній ґратці. Особливістю фотогенерації і транспорту носіїв є їхня залежність від електричних неоднорідностей кристалічної структури. Дрейф нерівноважних носіїв контролюється неглибокими рівнями прилипання й областями неоднорідностей. Концентрація неоднорідностей і зміни потенціалу носіїв заряду поблизу неоднорідностей залежать від хімічного складу зразків і від типу кристалічної ґратки, що виявляється в різниці електрофізичних характеристик зразків різних складів.

Створено модель фотозбудження активних анізотропних центрів у гранатових кристалічних ґратках під впливом еліптично поляризованого світла, що є досить універсальною і може бути використана для описання поведінки інших кристалічних структур у світлових полях, що являють собою суперпозицію двох когерентних пучків, як це має місце при звичайному або спеціальному голографічному записі.

Досліджено формування і релаксацію оптичної голографічної ґратки у МГГ у світлових полях, що є суперпозицією двох когерентних лінійно поляризованих пучків з паралельними або ортогональними векторами поляризації. Отримано задовільну відповідність між експериментальними і теоретичними результатами, що свідчить про адекватність створеної моделі реальним фізичним процесам. Чисельне моделювання процесу утворення голографічної ґратки вперше проведено для магнітного граната ЗІГ:Со. Одержані результати з урахуванням експериментально визначених величин ефективного поля фотоіндукованої магнітної анізотропії в ЗІГ:Со свідчать про принципову можливість формування в цьому матеріалі магнітної голографічної ґратки.

Процеси перемагнічування епітаксійних ферит-гранатових плівок у просторово періодичних магнітних полях можуть використовуватись для експериментального моделювання процесів перемагнічування середовищ з фотомагнітними властивостями в просторово періодичних ефективних полях фотоіндукованої магнітної анізотропії, що формується в результаті опромінення світловим полем, яке є суперпозицією двох когерентних лінійно поляризованих світлових пучків.

Явище модуляції ширини доменів плоскопаралельної смугової ДС епітаксійної ферит-гранатової плівки в полях розсіювання магнітної сигналограми може бути використане для виміру параметрів плівки або сигналограми, тобто для метрологічного забезпечення магнітного або магнітооптичного запису інформації, а також виробництва носіїв, причому більш високої точності і вірогідності результатів вимірів можна домогтися при використанні додаткової сигналограми з гармонійним розподілом залишкової намагніченості для стабілізації плоскопаралельної смугової ДС у гранатовій плівці. Продемонстровано можливість використання дослідженого явища для відтворення магнітних сигналограм з вузькими доріжками, зокрема - утворених термомагнітним способом.

Метод аналізу спектрів магнітооптичної дифракції лазерного випромінювання на доменній структурі ферит-гранатової плівки, що знаходиться в полі розсіювання магнітної сигналограми, є дуже інформативним при дослідженнях звичайних і особливо нестандартних сигналограм. Просторово періодичне збурення симетрії дифракційної ґратки, що виникає при спеціальній орієнтації ДС щодо доріжки запису у випадку, коли поле розсіювання менше поля колапсу власної ДС, викликає появу парних порядків у дифракційному спектрі, інтенсивність яких визначається глибиною модуляції ширини доменів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

Chizhik A.B., Davidenko I.I., Maziewski A., Stupakiewicz A. High-temperature photomagnetism in Co-doped yttrium iron garnet films // Phys.Rev.B.- 1998.- V.57,N22.- P.14366-14369.

Stupakiewicz A., Maziewski A., Davidenko I., Zablotskii V. Light-induced anisotropy in Co-doped garnet films // Phys.Rev.B. - 2001.- V.64, N11.- P.064405-1 - 064405-9.

Davidenko I.I., Lyakhimets S.N., Kovalenko V.F. Phenomenological description of spin-reorientational transitions in YIG:Si induced by linearly polarized light // Phase Transitions.- 1994.- V.50.- P.255-263.

Davidenko I., Maziewski A., Stupakiewicz A. Linearly polarized light induced changes of domain structure in cobalt doped YIG films // JMMM.- 1999.- V.196-197.-P.828-829.

Davidenko I.I., M.Fally, Rupp R. Magnetic and optical anisotropy in garnets induced by eliptically polarized light // JMMM.- 2001.- V.226-230.- P.958-960.

Davidenko I.I., Davidenko N.A., Gnatchenko S.L. Electrical and Phorophysical Properties of Manganese-Germanium Garnets // Phys.Stat.Sol.(a)- 2002.- V.189, N.3.- P.631-635.

Davidenko I.I. Charge transfer between magnetic anisotropic centers in garnet lattice under an influence of eliptically polarized light // Liquid Cryst.&Mol.Phys. - 2000.- V.361.- P.107-113.

Davidenko I.I. Polarization sensitivity of photomagnetic effects in garnets // OSA Trends in Optics and Photonics.- 1999. - TOPS V.27. - P.157-161.

Davidenko I.I., Fally M., Rupp R., Sugg B. Magnetic and optical anisotropy in garnets induced by linearly polarized light // OSA Trends in Optics and Photonics. - 2001.- TOPS V.62 .- P.528-535.

Davidenko I.I. High-density thermoremanent information recording in magnetic carrier and magneto-optical readout // J.Inf.Rec.- 1996.- V.31.- P.1-9.

Davidenko I.I., Volik V.V. Domain structure of epitaxial ferrite-garnet film in magnetic field with two-dimensional periodicity // J.Inf.Rec.- 1996.- V.31.- P.377-386.

Давиденко И.И., Дидык Э.П., Калюжный А.Д., Коваленко В.Ф., Тычко А.В. Воспроизвыедение высокоплотной термоостаточной записи на магнитном носителе информации // Техника кино и телевидения.- 1993.- №2.- С.34-39.

Гладкий С.А., Давиденко И.И., Коваленко В.Ф., Ляхимец С.Н. Магнитооптическая дифракция света на структуре с периодическим нарушением симметрии // Укр.физ.журн.- 1993.- Т.38,№11.- С.998-1004.

Давиденко И.И., Ляхимец С.Н., Коваленко В.Ф. Феноменологическая теория индуцированной линейно поляризованным светом спиновой переориентации в ЖИГ:Si // Укр.физ.журн.- 1994.- Т.39, №6.- С.425-431.

Волик В.В., Давиденко И.И., Коваленко В.Ф., Ляхимец С.Н. Доменная структура эпитаксиальной феррит-гранатовой пленки в магнитном поле с двумерной периодичностью // Микроэлектроника.- 1996.- Т.25, №6.- С.467-471.

Davidenko I.I. Phenomenological description of photoinduced magnetization switching in Co-doped YIG films // Укр.физ.журн.- 1997.- Т.42,№7.- С.841-844.

Давиденко И.И., Ступакевич А., Сукстанский А.Л., Мазевский А. Фотоиндуцированная деформация доменных границ в феррит-гранатовых пленках ЖИГ:Со // ФТТ.- 1997.- Т.39,№1.- С.1824-1827.

Давиденко И.И. Высокотемпературные фотоиндуцированные магнитные эффекты в тонких пленках ЖИГ:Со // Физика и техника высоких давлений. - 1999.- Т.9, №2.- С.52-58.

Davidenko A. Maziewski, A. Stupakiewicz, V. Zablotskii. Description of Light Pulses Induced Changes of Magnetic Anisotropy in YIG:Co // Material Science Forum.- 2001.- V.373-376.- P.477-480.

Davidenko I.I. Kinetics of anisotropic photoactive impurity centers in YIG:Si under linearly polarized light // Functional Materials.- 2001.- V.8, N3.- P.476-481.

Гнатченко С.Л., Давиденко И.И., Давиденко Н.А., Девинь Дж.М. Особенности электро- и фотопроводимости марганцево-германиевых гранатов// ФТТ.- 2002.- Т.44,№1.- С.87-92.

Davidenko I.I. Features of photoinduced charge transfer in photomagnetic garnets YIG:Si and YIG:Co // - Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.- V.4, N3.- P.173-176.

Давиденко И.И., Коваленко В.Ф., Тычко А.В. Измерение плотности энергии доменной границы магнитооптических материалов // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Тез. докл. XIII Всес. школы-семинара, Астрахань, 1993.- Астрахань, 1993.- С.186-187.

Гладкий С.А., Давиденко И.И., Коваленко В.Ф., Тычко А.В. Магнитооптический ПВМС на основе эпитаксиальных пленок феррит-гранатов с полосовой доменной структурой // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Тез. докл. XIII Всес. школы-семинара, Астрахань, 1993.- Астрахань, 1993.- С.115-116.

Davidenko I.I., Kovalenko V.F. Nucleation under the irradiation in photomagnetic media // European magnetic materials & Applications Conference, Kosice, 24-27 August, 1993.- Abstracts, P.298.

Davidenko I.I., Kovalenko V.F. Domain patterns in garnet film in spatially periodic magnetic field // European Magnetic Materials & Applications Conference, Kosice, 24-27 August, 1993.- Abstracts, P.295.

Davidenko I.I., Kovalenko V.F., Volik V.V. Domain configuration in uniaxial garnet film in spatially periodic magnetic field // 14th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces, Dusseldorf, 1994.- Abstracts, P.634-635.

Davidenko I.I., Kovalenko V.F., Tychko A.V. Nucleation in photomagnetic media under the irradiation by polarized light // 14th International Colloquium on Magnetic Films and Surfaces, Dusseldorf, 1994.- Abstracts, P. 634-635.

Davidenko I.I., Kovalenko V.F., Lyakhimets S.N., Maslova O.V. Properties of Bi-substituted epitaxial garnet films which used for contact printing // International Conference on Magnetism (ICM'95), Warsaw, 1995.- Abstracts, P.447.

Davidenko I.I., Maziewski A., Stupakiewicz A. Dynamics of photoinduced magnetization processes in cobalt doped YIG films // International Soft Magnetic Materials Conference, Krakow, 1995.- Abstracts, P.144.

Stupakiewicz A., Davidenko I., Maziewski A. Badanie efektu fotomagnetycznego w warstwach YIG:Co // VI Konferencja naukowa Technologgia elektronowa ELTE'7, Krynica (Polska), 1997.- Abstracts, P.180-183.

Davidenko I.I. Photomagnetic effects in garnets under an influence of elliptically polarized light // The 8^th European Magnetic Materials and Applications Conference, Kiev, 2000.- Abstracts, P.74

Davidenko I.I., Davidenko N.A., Gnatchenko S.L. Features of electric and photophysical properties of manganese-germanium garnets // The First Seeheim Conference on Magnetism, Seeheim, Germany, 2001.- Abstracts, P.75.

Размещено на Allbest.ru