Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О.Я. Усикова

Збудження поверхневих електромагнітних коливань на межі метаматеріалів в міліметровому діапазоні довжин хвиль

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ходзицький Михайло Костянтинович

Харків - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім.О.Я. Усикова Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Тарапов Сергій Іванович Інститут радіофізики та електроніки ім.О.Я. Усикова НАН України (м. Харків), завідувач відділу радіоспектроскопії

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Дзюбенко Михайло Іванович Інститут радіофізики та електроніки ім.О.Я. Усикова НАН України (м. Харків), завідувач відділу квантової електроніки та нелінійної оптики

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Грибовський Олександр Володимирович Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків), провідний науковий співробітник відділу теоретичної радіофізики

Захист відбудеться ”16" грудня 2010 р. о 15: 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: вул. Ак. Проскури, 12, Харків, 61085.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: вул. Ак. Проскури, 12, Харків, 61085.

Автореферат розісланий ” 10 ” листопада 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь

Загальна характеристика роботи

1. Вперше експериментально виявлені поверхневі коливання, що виникають на межі різних метаматеріалів в міліметровому діапазоні довжин хвиль та проаналізовані їх властивості, а саме:

· виявлено виникнення додаткової зони непропускання електромагнітних хвиль у магнітному фотонному кристалі з феритовими шарами в умовах феромагнітного резонансу;

· виявлено появу поверхневих електромагнітних коливань у фотонних кристалах, що межують з різними непрозорими середовищами: дротовим середовищем, напівпровідником та феритом при від'ємності його магнітної проникності;

· показано, що поверхневі електромагнітні коливання можуть виникати на межі двох фотонних кристалів у разі перекриття зон непропускання обох кристалів;

· проаналізовані спектри магнітофотонного кристалу із тришаровою коміркою і показана можливість керування частотою піку поверхневого електромагнітного коливання за допомогою магнітного поля.

2. Вперше в міліметровому діапазоні довжин хвиль експериментально встановлено властивості перспективних середовищ, які забезпечують збудження поверхневих електромагнітних коливань у структурі магнітний фотонний кристал / середовище, а саме:

· показано вплив субстрату та спін-поляризованої релаксації спінів електронів в діелектричній матриці на ширину ЕСР лінії гранульованої наноструктури Co_x (SiO₂) _1-x та продемонстровано появу суперпарамагнітної фази в наноструктурі Co_x (SiO₂) _1-x/GaAs поблизу порогу перколяції;

· виявлено вплив товщини гранульованої плівки (SiO₂) ₂₇Co₇₃ на магніторезонансний спектр наноструктури (SiO₂) ₂₇Co₇₃/Si і продемонстровано виникнення приповерхневої магнітної фази;

· знайдено область прозорості в спектрі лівосторонніх структур "ферит/ напівпровідник", "ферит/дротове середовище" і "манганіт-перовськит" при негативних значеннях їх ефективних діелектричної та магнітної проникностей та показано можливість керування областями прозорості за допомогою зовнішнього постійного магнітного поля.

3. Вперше розраховано спектр електромагнітних хвиль у одновимірному МФК із тришаровою елементарною коміркою, що межує із середовищем з негативними діелектричної або магнітної проникностями, а саме:

· отримано дисперсійне рівняння для МФК із тришаровою коміркою;

· розроблено методику розрахунку спектру поверхневих електромагнітних коливань у забороненій зоні МФК із тришаровою коміркою.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи розширюють існуючі уявлення про види взаємодії хвиль міліметрового діапазону з магнітними метаматеріалами (штучними середовищами).

метаматеріал поверхневе електромагнітне коливання

Створений вимірювальний стенд (програмно-апаратний комплекс) забезпечує адекватне дослідження ЕСР та ГМІ в магнітних метаматеріалах завдяки цифровій обробці даних і програмного забезпечення. Розроблена методика дослідження ЕСР та ГМІ, що базується на аналізі діаграми Сміта, дає можливість розділяти ці два ефекти. Методики вимірювання матеріальних параметрів, які розвинуті в дисертації, дозволяють отримувати величини діелектричної проникності немагнітних метаматеріалів. Запропонована методика дослідження ЕСР наноструктур вможливлює застосовування фотонного кристала в якості експериментальної ЕСР-комірки. Методика вимірювання розподілу напруженості електромагнітного поля в фотонних кристалах забезпечує ідентифікацію поверхневих коливань на межі метаматеріалів.

Експериментально вивчені властивості поверхневих коливань, що виникають на межі різних метаматеріалів, та виявлені області прозорості в спектрі структур: "ферит/ напівпровідник"; "ферит/дротове середовище"; манганiт лантану La_0,775Sr_0,225MnO₃, допований стронцієм - можуть бути ефективно застосовані при розробці магніто-керованих елементів міліметрового діапазону довжин хвиль: фільтрів, атенюаторів, резонаторів, фазообертачів, відгалужувачів та при моделюванні спектральних властивостей періодичних структур, які розробляються для терагерцового та оптичного діапазонів.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих зі співавторами, полягає в наступному:

Автором особисто спроектовано макети фотонних кристалів, лівосторонніх середовищ, дротових середовищ та проведено експерименти з дослідження збудження поверхневих електромагнітних коливань на межі метаматеріалів [1 - 7, 15 - 20]. Автор безпосередньо брав участь в дослідженні ЕСР в наноструктурах (SiO₂) _100-xCo_x, (CoFeZr) _xSiO_1-x, Co_x (TiO₂) _1-x, аналізі та обробці експериментальних даних, а також в налагодженні вимірювальної апаратури [8 - 10, 21]. Автор запропонував теоретичну модель для дослідження ефектів електронного спінового резонансу і гігантського магнітного імпедансу за допомогою діаграми Сміта, особисто провів експерименти з вимірювання гігантського магнітного імпедансу в магнітній багатошаровій наноструктурі Fe₆ (Co₁/Cu₂) ₁₆ і магнітній гранулярній плівці Co_51,5Al_19,5O₂₉ та проаналізував отримані результати [11 - 12]. Автор особисто зробив апаратну частину програмно-апаратного комплексу для вимірювання НВЧ - властивостей магнітних структур, брав участь у розробці і налагодженні програмної частини комплексу та у проведенні тестових експериментів [13, 14]. Автор особисто розробив та апробував нові методики вимірювання матеріальних параметрів метаматеріалів [2, 23], запропонував та випробував нову методику дослідження ЕСР [22]. Автор разом з науковим керівником брав безпосередню участь в обробці та аналізі всіх представлених в роботі експериментальних даних, а також у написанні статей, які лягли в основу даної дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Роботи за темою дисертації доповідались на семінарах ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України "Фізика твердого тіла” та обговорювалися на наступних конференціях та симпозіумах:

4-я, 5-я, 6-я, 7-я Харьковская конференция молодых ученых "Радиофизика и СВЧ электроника", Украина, Харьков, 2004, 2005, 2006, 2007; Конференція молодих учених і аспірантів, ІЕФ-2005, Україна, Ужгород, 2005; 9-й, 10-й, 11-й, 13-й международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке", Украина, Харьков, 2005, 2006, 2007, 2009; 16-международная конференция "Microwave and Telecommunication Technology", Украина, Севастополь, 2006; 3-я Международная научно-техническая конференция "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций, "РТ-2007", Украина, Севастополь, 2007; конференция молодых ученых "Физика низких температур", Украина, Харьков, 2007, 2008, 2009; International Conference on Nanoscale Magnetics, Turkey, Istanbul, 2007; International Conference "Days on Diffraction”, Russia, St. Petersburg, 2008, 2009; 12^th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory, Ukraine, Odessa, 2008; Moscow International Symposium on Magnetism MISM 2008, Russia, Moscow, 2008; 2^nd Int. Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, Spain, Pamplona, 2008; 4^th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, Crimea, Alushta, 2008; International Conference "Plasmonics and Metamaterials", Frontiers in Optics, USA, Rochester, 2008; VIII Харьковская конференция молодых ученых "Радиофизика и электроника, биофизика", Украина, Харьков, 2008; Всеукраїнська конференція молодих вчених "Сучасне матеріалознавство: матеріали та технології", Украина, Киев, 2008; 2^nd European Topical Conf. on Nanophotonics and Metamaterials, Austria, Tirol, 2009; 3^rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics, UK, London, 2009; XV Международная научно-техническая конференция "Высокие технологии в промышленности России”, Россия, Москва, 2009; International Workshop on Terahertz and Mid Infrared Radiation: Basic Research and Applications, Turkey, Turunch-Marmaris, 2009.

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 65 друкованих роботах, з них 14 статей [1-14] в фахових наукових журналах та 49 тез у збірниках доповідей конференцій, серед яких [15-23].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із переліку умовних скорочень, вступу, 4 розділів, висновків і списку використаних джерел. Її повний обсяг складає 205 сторінок, з них 156 сторінок основного тексту. Дисертація містить 84 рисунка (з них 4 на 4 окремих сторінках) і 3 таблиці. Список використаних джерел на 30 сторінках нараховує 254 найменування.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, викладено відомості про апробацію результатів, публікації, зміст і структуру дисертації.

У першому розділі наведено огляд літератури за темою дослідження штучних матеріалів (метаматеріалів). Особливу увагу приділено значенню поняття "метаматеріали". Розглянуто деякі класи різнорідних матеріалів, які можна вважати метаматеріалами, такі як штучні діелектрики, штучні магнітні середовища, кіральні середовища, біанізотропні середовища, середовища Веселаго, середовища з екстремальними матеріальними параметрами, електромагнітні кристали (фотонні кристали) і т.д.

У другому розділі представлено опис і конструкцію вимірювального стенду (програмно-апаратного комплексу) для дослідження явищ ЕСР та ГМІ в магнітних метаматеріалах. Вимірювальний стенд для дослідження властивостей композитних середовищ в міліметровому діапазоні хвиль складається з модульного мікропроцесорного пристрою, тесламетра (сенсора магнітного поля) і програми керування. Для автоматизації роботи з установкою автором було розроблено модульний мікропроцесорний пристрій. Модульний тип структури обрано для зручності користування і можливості розширення кількості модулів різного призначення. Кожен модуль має свій мікропроцесорний пристрій, що дозволяє створювати програмне забезпечення окремо для кожного модуля, чим досягається незалежна робота модулів. Зміна програмного забезпечення окремо взятого модуля не порушує роботу інших модулів. Комплекс, призначений для експериментів в міліметровому діапазоні радіохвиль, функціонує у складі: а) ЕСР-спектрометра "КВАРК"; б) модуля для вимірювання магнітного імпедансу, обладнаного векторним аналізатором кіл Agilent Network Analyzer N5230A).

Оскільки ефекти ГМІ та ЕСР виявляють себе як різке зменшення НВЧ сигналу в досить вузькому діапазоні магнітних полів, то їх відгуки в спектрі пропускання досліджуваного магнітного об'єкту мають схожу форму і не можуть бути однозначно ідентифіковані. Для розділення і правильної ідентифікації даних ефектів в дисертації була запропонована методика дослідження цих явищ, яка базується на аналізі діаграми Сміта. Виконано чисельне моделювання залежності комплексного імпедансу від магнітного поля для різних магнітних структур поблизу ефекту ЕСР та ГМІ. Розроблено методику одночасної реєстрації поглинання і дисперсії (дійсні та уявні частини комплексного імпедансу відповідно) і візуалізація цих даних на діаграмі Сміта. Виконано експериментальну реєстрацію відгуку від прямокутного резонатора з магнітним зразком при дослідженні комплексного коефіцієнта відбиття в зображенні діаграми Сміта. Показана можливість розділення ефекту ЕСР та ефекту ГМІ, використовуючи діаграму Сміта (рис.1).

Незважаючи на те, що в даний час існує ряд добре відомих методик дослідження ефекту ЕСР в магнітних наноструктурах, заснованих на використанні відкритих резонаторів, закритих резонаторів, мікросмужкових ліній, планарних мікрорезонаторів (та ін.), дані методи, на жаль, не мають достатньої чутливості. Це обумовлено тим, що лише мала частка електромагнітної енергії, запасеної в резонаторі, концентрується в досліджуваному тонкоплівковому зразку (малий коефіцієнт заповнення резонатора). Для підвищення чутливості і збільшення концентрації енергії в магнітній структурі автором запропоновано нову методику дослідження ЕСР (або феромагнітного резонансу), яка заснована на використанні як резонатора структури фотонний кристал/металева плівка і наступному вимірюванні ЕСР на частоті поверхневого коливання. Автором проведено апробацію такої методики шляхом дослідження магнітних властивостей перспективних зразків мангану лантану La_0,775Sr_0,225MnO_{3 (}рис.2).

(а) (б)

Рис. 1. Експериментальна залежність модуля імпедансу зразка Fe (6нм) / [Co (1нм) /Cu (2нм))] ₁₆ від магнітного поля на частоті 9,88 ГГц (а); залежність імпедансу зразка від магнітного поля в зображенні діаграми Сміта (б); ГМІ відгук на частоті f = 44 ГГц (в).

(а) (б)

Рис. 2. Спектр пропускання ФК "кварц-тефлон” (1) і структури ФК+магнітний зразок+мідна плівка (2) (а); ЕСР на частоті поверхневого коливання (1) і на 1-й осциляції дозволеної зони ФК (2) (б).

Як відомо, необхідною умовою для експериментального підтвердження існування поверхневого коливання на межі фотонного кристала і середовища, в якому електромагнітна хвиля не поширюється, є наявність резонансного піка пропускання в забороненій зоні фотонного кристала, а достатньою умовою - концентрація електромагнітного поля на межі ФК на частоті цього піка. Для підтвердження такої достатньої умови автором запропонована методика вимірювання розподілу електромагнітного поля в фотонних кристалах як для випадку вільного простору (рис.3), так і для випадку хвилеводу.

(а) (б)

Рис. 3. Фото пристрою для вимірювання розподілу електромагнітного поля (а); розподіл електромагнітного поля в ФК на частоті забороненої зони (б).

Оскільки для розробки і моделювання пристроїв нового покоління на метаматеріалах слід знати їх ефективні діелектричні проникності, то створення відповідних методик є актуальним завданням. Зараз використовується ряд методик вимірювання діелектричної проникності (резонаторні, хвилевідні, мікросмужкові методи, метод вимірювання у вільному просторі і т.д.). На жаль, головними недоліками даних методик є необхідність проведення ретельного калібрування вимірювального тракту і вимірювання повного набору S-параметрів.

Для спрощення вимірювання діелектричної проникності метаматеріалів, використовуючи тільки спектральні дані коефіцієнта проходження й ефекти в метаматеріалах, автором було запропоновано дві нові методики:

1) методика, заснована на аналізі зонної структури ФК (рис.4);

2) методика, заснована на визначенні частоти піку поверхневого коливання на межі фотонного кристалу.

(а) (б)

Рис. 4. Блок-схема експериментальної установки: 1 - векторний аналізатор кіл Agilent PNA-L 5230A; 2, 3 - приймально-передавальні порти; 4 - коаксіально-хвилевідні переходи; 5 - прямокутний хвилевід; 6 - зразок; 7 - вимірювальна комірка (а); експериментальний та теоретичний спектри пропускання ФК з бішаровою коміркою "тефлон (1,2 мм) - Ni_0,5Zn_0,5Fe₂O₄ (1,5 мм)" (б).

Третій розділ присвячений дослідженню поверхневих коливань ("станів Тамма") у НВЧ діапазоні, які виникають при певних умовах на поверхні МФК, що межує із середовищем з негативною діелектричною або магнітною проникностю. Наявність локалізованих на поверхні кристалів електронних станів вперше передбачено І. Таммом. У електродинаміці аналогом Таммівського стану (ТС) є поверхнева хвиля для випадку, коли тангенціальна компонента хвильового вектора дорівнює нулю (поверхневе коливання). Аналогічні ТС в оптиці на поверхні МФК теоретично добре вивчені, їх існування нещодавно підтверджено в експерименті оптичними і магнітооптичним методами. Метою даного розділу є як експериментальне знаходження умов формування таких поверхневих коливань в НВЧ діапазоні на межі МФК з різними середовищами (металеві дроти, напівпровідник, ферит т.д.), так і з'ясування можливості керування цими коливаннями зовнішнім магнітним полем.

Знайдено додаткову зону непропускання електромагнітного випромінювання у МФК, яка пов'язана з ФМР-поглинанням в феритовому шарі.

Виявлено виникнення поверхневого коливання на межі МФК із тришаровою коміркою ("повітря - ферит - кварц") і структури з тонких металевих дротів (рис.5). Вивчено спектри пропускання структури залежно від магнітного поля і показано можливість керування частотним положенням піку пропускання, пов'язаного з поверхневим коливанням на межі МФК. Показано, що крутизна залежності частотного положення краю забороненої зони МФК від магнітного поля та крутизна залежності частотного положення піку пропускання від магнітного поля різні.

(а) (б)

Рис. 5. Фото МФК із тришаровою коміркою ("повітря-ферит-кварц"), обмеженого структурою з тонких металевих дротів (а); експериментальний коефіцієнт пропускання через такий метаматеріал (б).

Виявлено виникнення поверхневого коливання на межі МФК із тришаровою коміркою ("повітря - ферит - кварц") і напівпровідникового шару для паралельної та перпендикулярної орієнтації змінного і постійного магнітного поля один відносно іншого. Вивчено спектри пропускання структури залежно від магнітного поля і показано можливість керування частотним положенням піку пропускання, пов'язаного з поверхневим коливанням на межі МФК. Показано, що при збільшенні магнітного поля пік пропускання зміщується в високочастотну область при перпендикулярній орієнтації векторів змінного магнітного поля і постійного магнітного поля, та зміщується в низькочастотну область при паралельній орієнтації цих векторів. Виявлено виникнення поверхневого коливання на межі ФК з бішаровою коміркою ("тефлон-кварц") і феритового шару в області негативних значень магнітної проникності фериту (рис.6). Вивчено спектри пропускання структури залежно від магнітного поля і показано можливість керування частотним положенням піку пропускання, пов'язаного з поверхневим коливанням на межі фотонного кристалу. Показано, що роль граничного середовища може успішно виконувати також і інший МФК. Для доведення цього положення експериментально досліджено спектри структури МФК (ферит-повітря) / ФК (полістирол-повітря) та знайдено умови, при яких в спектрі з'являються поверхневі коливання, що обумовлені перекриттям зон непропускання обох кристалів (рис.7).

(а) (б)

Рис. 6. Фото ФК із бішаровою коміркою ("тефлон-кварц"), обмеженого феритовим шаром (а); коефіцієнт пропускання через такий метаматеріал (б).

(а) (б) (в)

Рис. 7. Фото (а) та схема (б) метаматеріалу МФК ("ферит - повітря”) /ФК ("полістирол - повітря”); експериментальний (1) та теоретичний (2) коефіцієнт пропускання через такий метаматеріал (в).

Слід зазначити, що у разі поверхневого коливання має місце концентрація електромагнітної енергії на плоскій межі одновимірного ФК, тобто по суті ФК з поверхневим коливанням - це резонатор з плоскими відбивачами. Це явище можна використовувати для розробки частотно-селективних магнітокерованих НВЧ приладів.

Електромагнітні середовища, які вивчені у розділі 3 та сприяють виникненню поверхневих коливань на межі фотонного кристала, також мають низку істотних недоліків. Зокрема вони не дозволяють змінювати добротність поверхневого коливання на межі фотонного кристала при зовнішньому впливі (наприклад, магнітного поля); не дозволяють керувати величиною втрат у граничному середовищі (провідності чи уявної частини діелектричної проникності) за допомогою зовнішнього впливу (електричного або магнітного поля); не дозволяють керувати положенням і шириною області з негативною магнітною проникністю, які пов'язані з намагніченістю насичення, концентрацією магнітних центрів у граничному середовищі та її магнітною фазою (станом); не дозволяють появи лівосторонньої області прозорості у забороненій зоні фотонного кристала, обумовленій негативним коефіцієнтом заломлення в граничному середовищі.

Дослідження, виконані в четвертому розділі, мають на меті усунення даних недоліків. Для цього вперше в міліметровому діапазоні хвиль експериментально проаналізовано властивості перспективних середовищ, які забезпечують формування поверхневих коливань в системі одновимірний МФК/середовище. Серед них: магнітні наноструктури з інжекційним магнітоопором Co_x (SiO₂) _1-x/напівпровідник (які мають залежність втрат від електричного і магнітного поля, а також дозволяють впливати на положення і ширину області з негативною магнітною проникністю); середовища з лівосторонніми властивостями ("ферит/ напівпровідник", "ферит/дротове середовище", "манганіт-перовськит"), які можуть забезпечувати формування лівосторонньої області прозорості та ефективне регулювання добротності поверхневого коливання. Вперше виявлено аномальну поведінку ефективної намагніченості насичення магнітної гранульованої структури Co_x (SiO₂) _1-x/GaAs поблизу порогу перколяції, яка пов'язана з утворенням нових магнітних фаз (рис. 8а).

Встановлено вплив типу напівпровідникового субстрату гранульованої структури Co_x (SiO₂) _1-x/ напівпровідник на ширину лінії феромагнітного резонансу. Показано різке розширення лінії ЕСР при зменшенні концентрації кобальту в магнітній наноструктурі і значну відмінність ширини лінії ЕСР гранульованої плівки від ширини лінії ФМР суцільного кобальту. Цей факт пов'язаний з механізмом спін-поляризованої релаксації. Виявлено вплив товщини гранульованої плівки на магніторезонансний спектр (SiO₂) ₂₇Co₇₃/Si та продемонстровано виникнення приповерхневої магнітної фази (рис.8б).

Вперше знайдена область прозорості в спектрі структур "ферит/напівпровідник", "ферит/тонкодротова структура" і "манганіт-перовськит" при негативних значеннях їх ефективних діелектричної та магнітної проникностей (середовище з негативним коефіцієнтом заломлення) (рис.9). Показана можливість керування областями прозорості середовищ з негативним коефіцієнтом заломлення за допомогою магнітного поля.

(а) (б)

Рис. 8. Резонансні частотно-польові залежності, отримані експериментально для магнітної гранульованої структури Co_x (SiO₂) _1-x/GaAs в залежності від концентрації магнітних наночастинок кобальту (а); типові ЕСР лінії для магнітної структури (SiO₂) ₂₇Co₇₃/Si в залежності від товщини гранулярної плівки (б).

(а) (б) (в)

Рис. 9. Фото типових дослідних середовищ з лівосторонніми властивостями: ферит/тонкі дроти (а), ферит/напівпровідник (б); область прозорості в спектрі структури "ферит /напівпровідник" (в).

Для передбачення появи поверхневих коливань на межі ФК необхідно розробити теоретичну модель шаруватого метаматеріалу, адекватну проведеному експерименту, який описує цей процес. У більшості публікацій з одновимірних ФК в якості моделі використовують нескінченний ФК з традиційною бішаровою елементарною коміркою. На сьогоднішній день вже отримані дисперсійні рівняння для таких структур. Проте для ряду важливих випадків є необхідним аналіз не бішарової, а тришарової елементарної комірки. Зокрема, такими випадками є: задача моделювання МФК на основі магнітних наноструктур з ефектами гігантського магнітного опору для субмм і ТГц діапазонів та задача механічної перебудови товщини комірки МФК. Для побудови теоретичної моделі необхідно отримати дисперсійне рівняння для хвиль Блоха, що поширюються в нескінченному ФК із тришаровою коміркою. У даній роботі досліджується ФК із тришаровою коміркою (повітря-ферит-кварц), як модель ФК на магнітних наноструктурах для НВЧ діапазону, та дисперсійне рівняння для такої структури. В результаті досліджень розраховано спектр НВЧ електромагнітних хвиль у одновимірному МФК із тришаровою елементарною коміркою, обмеженому середовищем з негативними матеріальними параметрами, і описана зонна структура кристала. А саме, отримано дисперсійне рівняння для МФК із тришаровою коміркою (ферит-кварц-повітря). Розроблено методику розрахунку частоти поверхневих коливань в забороненій зоні МФК із тришаровою коміркою.

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язано актуальну наукову задачу радіофізики з виявлення особливостей збудження поверхневих електромагнітних коливань та хвиль в обмежених фотонних кристалах та дрібнодисперсних структурах з від'ємним показником заломлення та впливу магнітного поля на спектральні властивості метаматеріалів. Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Вперше в міліметровому діапазоні хвиль експериментально вивчені властивості поверхневих коливань, що виникають на межі фотонного кристалу та середовища з від'ємними матеріальними параметрами. Знайдено додаткову зону непропускання електромагнітних хвиль у магнітофотонному кристалі ("повітря-ферит-кварц”) в умовах феромагнітного резонансу, яка пов'язана з поглинанням електромагнітної енергії. Виявлено появу поверхневих електромагнітних коливань у фотонних кристалах, що межують з різними середовищами: дротяним середовищем, напівпровідником (InSb), феритом (1СЧ4) для випадку від'ємних матеріальних параметрів середовищ. Показано, що поверхневі електромагнітні коливання можуть виникати на межі двох фотонних кристалів МФК ("ферит - повітря”) /ФК ("полістирол - повітря”) при перекритті зон непропускання обох кристалів. Досліджено спектри магнітофотонного кристалу із тришаровою коміркою ("повітря-ферит-кварц”) і показана можливість керування частотою піку поверхневого електромагнітного коливання за допомогою магнітного поля.

2. Вперше в міліметровому діапазоні довжин хвиль експериментально досліджено властивості перспективних середовищ, які забезпечують збудження поверхневих електромагнітних коливань у структурі магнітний фотонний кристал/середовище та можливості ефективного впливу на властивості цих коливань. Встановлено вплив субстрату гранульованої структури Co_x (SiO₂) _1-x на ширину ЕСР лінії та показано, що значне розширення ЕСР лінії в порівнянні з ЕСР лінією об'ємного кобальту пов'язане з ефектом спін-поляризованої релаксації спінів електронів в діелектричній матриці SiO₂. Продемонстровано появу суперпарамагнітної фази в магнітній гранульованій наноструктурі Co_x (SiO₂) _1-x/GaAs поблизу порогу перколяції (49-54 ат. % Со). Виявлено вплив товщини гранульованої плівки (SiO₂) ₂₇Co₇₃ на магніторезонансний спектр наноструктури (SiO₂) ₂₇Co₇₃/Si і показано виникнення приповерхневої магнітної фази для товщинах плівки менш 90 нм. Знайдено область прозорості (область з лівосторонніми властивостями) в спектрі структур "ферит/напівпровідник" і "манганіт-перовськит" при негативних значеннях їх ефективних діелектричної та магнітної проникностей. Показано можливість керування областями прозорості за допомогою зовнішнього постійного магнітного поля в діапазоні від 0 до 10 кЕ.

3. Розроблено експериментальний метод дослідження властивостей метаматеріалів в міліметровому діапазоні хвиль на основі магніторезонансної та резонансної спектроскопії. Створено вимірювальний стенд для дослідження електронного спінового резонансу (ЕСР) і гігантського магнітного імпедансу (ГМІ) в магнітних мета матеріалах. Розроблено методику дослідження ЕСР та ГМІ, що базується на діаграмах Сміта та показано можливість роздільного спостереження ефектів ЕСР та ГМІ. Запропоновано методику вимірювання величини негативної діелектричної проникності немагнітних метаматеріалів в міліметровому діапазоні довжин хвиль за допомогою поверхневих електромагнітних коливань. Створено методику дослідження ЕСР, що заснована на використанні поверхневого електромагнітного коливання у структурі фотонний кристал/дослідний зразок/металева плівка. Розвинуто методику вимірювання розподілу напруженості електромагнітного поля в фотонному кристалі. Розроблено методику вимірювання ефективної діелектричної проникності метаматеріалів на основі аналізу спектральних характеристик фотонних кристалів.

4. Вперше розраховано спектр електромагнітних хвиль у одновимірному магнітофотонному кристалі із тришаровою елементарною коміркою ("повітря-ферит-кварц”), що межує із середовищем з негативними діелектричної або магнітної проникностями. Отримано дисперсійне рівняння такого МФК та використано в експериментальних дослідженнях. Розроблено методику розрахунку спектру поверхневих електромагнітних коливань у забороненій зоні МФК із тришаровою коміркою.

Список публікацій за темою дисертації

1. Ходзицкий М.К. Управление частотой Таммовского СВЧ-состояния / М.К. Ходзицкий, Д.П. Белозоров, С.В. Черновцев, С.И. Тарапов, А.М. Мерзликин, А.П. Виноградов, А.В. Дорофеенко, М. Иноуе, А.Б. Грановский // Физика твердого тела. - 2010. - T.52, №7. - C.1332-1335.

2. Khodzitskiy M. K. Tamm states in magnetophotonic crystals and permittivity of the wire medium / M. K. Khodzitskiy, D. P. Belozorov, S.I. Tarapov // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2009. - Vol.42, №5. - P.055003.

3. Khodzitskiy M. K. Stop bands in magneto-photonic crystal in millimeter waveband / M. K. Khodzitskiy // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им.А.Я. Усикова. - Харьков, 2009. - Т.14, №2. - С.177-182.

4. Ходзицкий М.К. Особенности Таммовских состояний в магнитофотонных кристаллах в сверхвысокочастотном диапазоне / М.К. Ходзицкий, Д.П. Белозоров, С.И. Тарапов, А.М. Мерзликин, А.П. Виноградов, А.В. Дорофеенко, А.Б. Грановский // Материаловедение - 2009. - T.5. - C.22-25.

5. Khodzitskiy M.K. Transmission of electromagnetic waves in a magnetic fine-stratified structure / M. K. Khodzitskiy, A. A. Bulgakov, A. A. Girich, O. V. Shramkova, S.I. Tarapov // J. Opt. Soc. Am. B. - 2009. - Vol.26, №12. - P.156-160.

6. Khodzitskiy M.K. Left-handed behavior of strontium-doped lanthanum manganite in the millimeter waveband / M. K. Khodzitskiy, S.I. Tarapov, T. V. Kalmykova, D. P. Belozorov, A. M. Pogorily, A.I. Tovstolytkin, A. G. Belous, S. A. Solopan // Applied Physics Letters. - 2009. - Vol.95, №8. - P.082903.

7. Khodzitskiy M.K. Left-handed properties of metal-ferrite composites placed into waveguide in millimetric wave range / M. K. Khodzitskiy, A. A. Kharchenko, A.V. Strashevskyi, S.I. Tarapov // Telecommunications and Radioengineering. - 2009. - Vol.68, №7. - P.561-566.

8. Khodzitskiy M.K. Abnormal magnetic properties of granular Co-SiO₂/GaAs nanostructures at the percolation threshold region / M. K. Khodzitskiy, T.V. Bagmut, I.G. Shipkova, L.V. Lutsev, S.I. Tarapov, A.I. Stognij, N.N. Novitskii // Telecommunications and Radioengineering. - 2009. - Vol.68, №7. - P.607-620.

9. Khodzitskiy M. Electron Spin Resonance properties of semiconductor/granular film heterostructures with cobalt nanoparticles in millimeter waveband / M. Khodzitskiy, L. Lutsev, S. Tarapov, A. Stognij, A. Zamkovoj, N. Novitskii // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2008. - Vol.320, №5. - P. L37-L41.

10. Багмут Т.В. Магниторезонансные и магнитоимпедансные свойства нанокомпозитов со спин-зависимым туннельным магнитосопротивлением / Т.В. Багмут, М.К. Ходзицкий, С.В. Недух // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им.А.Я. Усикова. - Харьков, 2005. - Т.10, №2. - С.276-280.

11. Khodzitskiy M.K. Investigation of ESR and GMI effects in magnetic structures using Smith Chart / M. K. Khodzitskiy, A. A. Girich, S.I. Tarapov // Telecommunications and Radioengineering. - 2007. - Vol.66, №19. - P.1735-1746.

12. Khodzitskiy M.K. Origins of giant magnetic impedance effect in magnetic nanostructures in millimeter waveband / M. K. Khodzitskiy, S. V. Nedukh, S.I. Tarapov // Telecommunications and Radioengineering. - 2006. - Vol.65, №14. - P.1285-1291.

13. Ходзицкий М.К. Программно-аппаратный комплекс для измерения СВЧ - свойств магнитных структур / М.К. Ходзицкий, А.А. Гирич, С.И. Тарапов // Вісник Сумського Державного Університету. - 2006. - Т.10, №94. - С.91-96.

14. Варавин А.В. Прецезионный контроль частоты в ЭПР-спектрометре миллимет-рового диапазона / А.В. Варавин, Г.П. Ермак, С.В. Недух, П.И. Познахирев, М.К. Ходзицкий, С.И. Тарапов // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им.А.Я. Усикова. - Харьков, 2006. - Т.11, №3. - С.451-455.

15. Khodzitskiy M.K. Surface waves on the interface of magneto-photonic crystal and semiconductor / M. K. Khodzitskiy, O. V. Kostylyova, A. A. Girich, O. V. Shramkova, A. A. Bulgakov, S.I. Tarapov // 3^rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics: int. conf., 30 August - 4 September 2010: conf. proc. - London, 2009. - P.230-232.

16. Khodzitskiy M.K. Stop-bands in magneto-photonic crystal and surface states in the photonic crystal/magnetic layer in millimeter waveband / M. K. Khodzitskiy // International Conference "Days on Diffraction”: int. conf., 26-29 May 2009: conf. proc. - St. Petersburg, 2009. - P.118-119.

17. Khodzitskiy M.K. Spectra for 1D magneto-photonic crystal with tri-layer cell interfaced with metallic structures at microwave band / M. K. Khodzitskiy, S.I. Tarapov // 12^th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic theory: int. conf., 29 June - 02 July 2008: conf. proc. - Odessa, 2008. - P.524-526.

18. Khodzitskiy M. Parametrically controlled Tamm states of 1D magnetophotonic crystal in microwaves / M. Khodzitskiy, S. Tarapov, S. Chernovtsev, D. Belosorov // 4-th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers: int. conf., 29 September - 4 October 2008: conf. proc. - Alushta, 2008. - P.174-176.

19. Khodzitskiy M.K. Experimental investigation of left-handed medium properties of semiconductor-ferrite composite in millimetre waveband / M. K. Khodzitskiy, A. A. Girich, S.I. Tarapov // 3^rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics: int. conf., 30 August - 4 September 2010: conf. proc. - London, 2009. - P.590-592.

20. Khodzitskiy M.K. Amplification of intensity of Tamm peak on the boundary LHM/photonic crystal / M. K. Khodzitskiy, T. V. Kalmykova, S.I. Tarapov, D. P. Belozorov, A. M. Pogorily, A.I. Tovstolytkin, A. G. Belous, S. A. Solopan // 3^rd International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics: int. conf., 30 August - 4 September 2010: conf. proc. - London, 2009. - P.647-649.

21. Ходзицкий М.К. Влияние толщины гранулированной пленки на ЭСР спектр магнитной наноструктуры / М.К. Ходзицкий // Конференция молодых ученых "Физика низких температур": конф., 20-23 мая 2008: тезисы докл. - Харьков, 2008. - С.136.

22. Ходзицкий М.К. Методика исследования ферромагнитного резонанса с помощью поверхностных колебаний в фотонном кристалле в СВЧ диапазоне / М.К. Ходзицкий // 2-я Всеукраинская конференция молодых ученых "Физика низких температур": конф., 1-5 июня 2009: тезисы докл. - Харьков, 2009. - С.71.

23. Ходзицкий М.К. Метод измерения диэлектрической проницаемости структур на основе опаловых матриц в миллиметровом диапазоне длин волн / М.К. Ходзицкий, Д.П. Белозоров, С.И. Тарапов, М.И. Самойлович, А.Б. Рынкевич, С.М. Клещева // XV Международная научно-техническая конференция "Высокие технологии в промышленности России”: межд. конф., 9-11 сентября 2009: тезисы докл. - Москва, 2009. - С.339-341.

Анотації

Ходзицький М.К. Збудження поверхневих електромагнітних коливань на межі метаматеріалів в міліметровому діапазоні довжин хвиль. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук за спеціальностю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім.О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, 2010 р.

Метою експериментального дослідження, проведеного в даній дисертаційній роботі, було виявлення особливостей збудження поверхневих електромагнітних коливань та хвиль в обмежених фотонних кристалах і дрібнодисперсних структурах з від'ємним показником заломлення, виявлення впливу магнітного поля на спектральні властивості метаматеріалів. Вперше в міліметровому діапазоні хвиль експериментально вивчені властивості поверхневих коливань, що виникають на межі різних метаматеріалів. Вперше в міліметровому діапазоні довжин хвиль експериментально досліджено властивості перспективних середовищ, які забезпечують збудження поверхневих електромагнітних коливань у структурі магнітний фотонний кристал/середовище. Розроблено новий експериментальний метод дослідження властивостей метаматеріалів в міліметровому діапазоні хвиль. Вперше розраховано спектр електромагнітних хвиль у одновимірному магнітофотонному кристалі із тришаровою елементарною коміркою, що межує із середовищем з негативними діелектричної або магнітної проникностями.

Ключові слова: метаматеріал, поверхневе коливання, фотонний кристал, магнітофотонний кристал, лівостороннє середовище.

Ходзицкий М.К. Возбуждение поверхностных электромагнитных колебаний на границе метаматериалов в миллиметровом диапазоне длин волн. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники им.О.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 2010 г.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача выявления особенностей возбуждения поверхностных электромагнитных колебаний и волн в ограниченных фотонных кристаллах и мелкодисперсных структурах с отрицательным показателем преломления, обнаружения влияния магнитного поля на спектральные свойства метаматериалов. Основные результаты работы состоят в следующем:

Впервые в миллиметровом диапазоне волн экспериментально изучены свойства поверхностных колебаний, которые возникают на границе фотонного кристала и среды с отрицательными материальными параметрами. Найдено дополнительную зону непропускания электромагнитных волн в магнитофотонном кристалле ("воздух-феррит-кварц”) в условиях ферромагнитного резонанса. Обнаружено появление поверхностных электромагнитных колебаний в фотонных кристаллах, граничащих с различными средами: проволочной средой, полупроводником, ферритом, для случая отрицательных материальных параметров сред. Показано, что поверхностные электромагнитные колебания могут возникать на границе двух фотонных кристаллов МФК ("феррит - воздух”) /ФК ("полистирол - воздух”) при перекрытии зон непропускания обоих кристаллов. Исследованы спектры магнитофотонного кристалла с трехслойной ячейкой ("воздух-феррит-кварц”) и показана возможность управления частотой пика поверхностного электромагнитного колебания с помощью магнитного поля.

Впервые в миллиметровом диапазоне длин волн экспериментально исследованы свойства перспективных сред, обеспечивающие возбуждение поверхностных электромагнитных колебаний в структуре магнитный фотонный кристалл/cреда. Установлено влияние субстрата гранулированной структуры Co_x (SiO₂) _1-x на ширину ЭСР линии и показано, что уширение ЭСР линии по сравнению с ЭСР линией объемного кобальта связано с эффектом спин-поляризованной релаксации спинов электронов в диэлектрической матрице SiO₂. Продемонстрировано появление суперпарамагнитной фазы в магнитной гранулированной наноструктуре Co_x (SiO₂) _1-x/GaAs вблизи порога перколяции (49-54 ат. % Со). Выявлено влияние толщины гранулированной пленки (SiO₂) ₂₇Co₇₃ на магниторезонансный спектр наноструктуры (SiO₂) ₂₇Co₇₃/Si и показано возникновение приповерхностной магнитной фазы для толщин пленки менше 90 нм. Найдена область прозрачности (область с левосторонними свойствами) в спектре структур "феррит/полупроводник" и "манганит-перовскит" при отрицательных значениях их эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей. Показана возможность управления областями прозрачности с помощью внешнего постоянного магнитного поля в диапазоне от 0 до 10 кЭ.