Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента

Представлена феноменологическая модель, описывающая явление ферромагнитного резонанса (ФМР) в гранулярной магнитной наноструктуре, на примере исследования магнитных свойств - аморфной двуокиси кремния с наночастицами кобальта (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкой области концентраций кобальта (х = 20, 30,...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автор:	Багмут, Т.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Теми:	Радиофизика твердого тела и плазмы
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10553
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента / Т.В. Багмут // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 65-70. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10553
record_format	dspace
spelling	Багмут, Т.В. 2010-08-03T15:56:38Z 2010-08-03T15:56:38Z 2008 Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента / Т.В. Багмут // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 65-70. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10553 537.635:537.611.46:621.318.1 Представлена феноменологическая модель, описывающая явление ферромагнитного резонанса (ФМР) в гранулярной магнитной наноструктуре, на примере исследования магнитных свойств - аморфной двуокиси кремния с наночастицами кобальта (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкой области концентраций кобальта (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со). Показано, что в гранулярной наноструктуре могут формироваться магнитные кластеры, форма которых зависит от концентрации магнетика. Подана феноменологічна модель, яка описує явище феромагнітного резонансу (ФМР) в гранулярній магнітній наноструктур, на прикладі дослідження магнітних властивостей – аморфної двоокисі кремнію з наночастками кобальту (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкій області концентрацій кобальту (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со). Показано, що в гранулярній наноструктурі можуть формуватися магнітні кластери, форма яких залежить від концентрації магнетика. The phenomenological model describing the phenomenon of ferromagnetic resonance (FMR) in granular magnetic nanostructure is submitted. The model is verified on the example of study of magnetic properties of nanostructure amorphous dioxide of silicon with nanoparticles cobalt (SiO2) 100-хCoх/GaAs in the wide area of Co - concentration (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 and 85% Co). It is shown, that magnetic clusters having the shape depended on the Co – concentration can be formed in granular nanostructure. Автор выражает благодарность за предоставленные образцы (SiO2)100-хCoх/GaAs, Cox(TiO2)1-x, Cox(NbLiO3)1-x, Луцеву Л. В, Грановскому А. Б, Вызулину С. А, а также Ходзицкому М. К., Недуху С. В. за помощь в проведении экспериментов. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радиофизика твердого тела и плазмы Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента Феноменологічне моделювання магнітного порядку в гранулярній наноструктурі на основі результатів ЕСР – експерименту Phenomenological modelling of magnetic order in granular nanostracture on the basis of results of ESR – experiment Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента
spellingShingle	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента Багмут, Т.В. Радиофизика твердого тела и плазмы
title_short	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента
title_full	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента
title_fullStr	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента
title_full_unstemmed	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента
title_sort	феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов эср - эксперимента
author	Багмут, Т.В.
author_facet	Багмут, Т.В.
topic	Радиофизика твердого тела и плазмы
topic_facet	Радиофизика твердого тела и плазмы
publishDate	2008
language	Russian
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Феноменологічне моделювання магнітного порядку в гранулярній наноструктурі на основі результатів ЕСР – експерименту Phenomenological modelling of magnetic order in granular nanostracture on the basis of results of ESR – experiment
description	Представлена феноменологическая модель, описывающая явление ферромагнитного резонанса (ФМР) в гранулярной магнитной наноструктуре, на примере исследования магнитных свойств - аморфной двуокиси кремния с наночастицами кобальта (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкой области концентраций кобальта (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со). Показано, что в гранулярной наноструктуре могут формироваться магнитные кластеры, форма которых зависит от концентрации магнетика. Подана феноменологічна модель, яка описує явище феромагнітного резонансу (ФМР) в гранулярній магнітній наноструктур, на прикладі дослідження магнітних властивостей – аморфної двоокисі кремнію з наночастками кобальту (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкій області концентрацій кобальту (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со). Показано, що в гранулярній наноструктурі можуть формуватися магнітні кластери, форма яких залежить від концентрації магнетика. The phenomenological model describing the phenomenon of ferromagnetic resonance (FMR) in granular magnetic nanostructure is submitted. The model is verified on the example of study of magnetic properties of nanostructure amorphous dioxide of silicon with nanoparticles cobalt (SiO2) 100-хCoх/GaAs in the wide area of Co - concentration (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 and 85% Co). It is shown, that magnetic clusters having the shape depended on the Co – concentration can be formed in granular nanostructure.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10553
citation_txt	Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента / Т.В. Багмут // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, № 1. — С. 65-70. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT bagmuttv fenomenologičeskoemodelirovaniemagnitnogoporâdkavgranulârnoinanostrukturenaosnoverezulʹtatovésréksperimenta AT bagmuttv fenomenologíčnemodelûvannâmagnítnogoporâdkuvgranulârníinanostrukturínaosnovírezulʹtatívesreksperimentu AT bagmuttv phenomenologicalmodellingofmagneticorderingranularnanostractureonthebasisofresultsofesrexperiment
first_indexed	2025-11-25T14:23:37Z
last_indexed	2025-11-25T14:23:37Z
_version_	1850516896774881280
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, №1, 2008, с. 65-70 © ИРЭ НАН Украины, 2008 УДК 537.635:537.611.46:621.318.1 ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОРЯДКА В ГРАНУЛЯРНОЙ НАНОСТРУКТУРЕ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭСР - ЭКСПЕРИМЕНТА Т. В. Багмут Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: bagmut@ire.kharkov.ua Представлена феноменологическая модель, описывающая явление ферромагнитного резонанса (ФМР) в гранулярной магнитной наноструктуре, на примере исследования магнитных свойств - аморфной двуокиси кремния с наночастицами ко- бальта (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкой области концентраций кобальта (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со). Показано, что в гранулярной наноструктуре могут формироваться магнитные кластеры, форма которых зависит от концентрации магнетика. Ил. 6. Библиогр.: 24 назв. Ключевые слова: ферромагнитный резонанс, гранулярная магнитная наноструктура, магнитные кластеры. Развитие нанотехнологий - одно из наибо- лее динамично развивающихся направлений со- временной науки. Успехи направления - это уменьшение размеров функциональных устройств микроэлектроники. В свою очередь, это повлекло за собой ряд технологических проблем. Среди них особый интерес представляют наноматериалы, сформированные на основе элементов группы же- леза. С появлением данных структур, так называе- мых композитных магнитных наноструктур, от- крываются широкие возможности для разработки и создания высокочувствительных датчиков маг- нитного поля и температуры, ячеек памяти, систем хранения данных разработке сверхминиатюрных транзисторов, квантовых одноэлектронных логи- ческих структур и спининформационных систем для информатики, в которой ячейкой памяти слу- жит спин электрона [1]. Ряд новых физических свойств, сильно отличающихся от обычных материалов, демонст- рируют магнитные гранулярные структуры. По- добные структуры, состоящие из наноразмерных магнитных металлических частиц, размещенных в изолированной диэлектрической матрице, могут демонстрировать эффект гигантского магнитного сопротивления (ГМС) и гигантского магнитного импеданса (ГМИ) [2-4]. Эти явления могут найти широкие области применения в сверхвысокочас- тотной электронике, телекоммуникационных технологиях и др. Метод электронного парамагнитного/фер- ромагнитного резонанса (ЭПР/ФМР), является наиболее эффективным для исследования магнит- ных наноструктур и весьма чувствителен к изме- нению магнитного порядка изучаемого объекта. В данной работе проводится моделиро- вание процессов электронного магниторезонанс- ного поглощения в гранулярных магнитных на- ноструктурах. В качестве примера выбрана гете- роструктура (SiO2)100-хCoх/GaAs [5]. Отметим, что уже имеется ряд работ, посвященных решению задач о влиянии структурных параметров на ре- зонансные свойства образца. В частности, ценная информация о магниторезонансном поглощении в гигагерцовом диапазоне частот была получена в экспериментах, описанных в работах [6-8]. Тем не менее, в моделировании процессов спинового электронного резонанса остается ряд неразре- шенных задач. Данная работа является очеред- ным шагом в изучении особенностей ЭПР в таких сложных средах, как магнитные гранулярные структуры. 1. Образец и методика эксперимента. Исследуемая наноструктура (SiO2)100-хCoх/GaAs представляет собой пленку аморфной двуокиси кремния с внедренными наночастицами (грану- лами) кобальта [5]. Пленка напылена методом ионно-лучевого распыления с композитной ко- бальт - кварцевой мишени на подложку GaAs, нагретую до 200°С. Форма каждой гранулы Со близка к сферической. Средний размер гранул изменялся от 2,7 нм до 3,5 нм в зависимости от концентрации Со [9-11]. Методом ФМР экспериментально были зарегистрированы зависимости значения резо- нансной частоты от резонансного магнитного поля (рис. 1,а). Измерения проводились нами в ИРЕ НАНУ по методике, описанной в работе [12] на радиоспектрометре «КВАРК» в диапазоне частот 25 – 27 ГГц при температуре Т = 300К (рис. 1). На основе полученных эксперименталь- ных частотно-полевых зависимостей линий ФМР рассчитана намагниченность насыщения образ- цов Ms для всех концентраций. При расчете Мs мы предполагаем, что исследуемый гранулярный образец имеет форму тонкой пластины с размаг- ничивающими факторами N (x) =N (z) =0, N (y) =4. Тогда для “параллельной геометрии” nh  , ( n -нормаль к поверхности образца), mailto:bagmut@ire.kharkov.ua Т. В. Багмут /Феноменологическое моделирование магнитного… _________________________________________________________________________________________________________________ 66 т. е. постоянное  и переменное h магнитные поля лежат в плоскости образца, резонансная час- тота res связана с резонансным полем resH из- вестной формулой Киттеля в частном виде. а) б) Рис. 1. Результаты эксперимента ФМР в магнитной нано- структуре (SiO2)100-хCoх/GaAs (х=20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85 ат.% Со): а) Резонансные частотно-полевые характеристи- ки; б) Концентрационная зависимость полуширины H ) ФМР линии Подставляя значения резонансной часто- ты res и резонансного поля res , полученные экспериментально, в формулу (1) [13], рассчиты- ваем намагниченность насыщения образца Ms. )4( sresresres MHH h g      , (1) где g - фактор спектроскопического расщепления; h - постоянная Планка;  - магнетон Бора; Hres- резонансное значение постоянного магнитного поля. Обнаружено, что в данной структуре на- магниченность насыщения растет с ростом кон- центрации магнитных гранул (рис. 1, а), достигая примерно значения Ms для объемного материала, формирующего наногранулы (х100%). Заме- тим, что такой рост ФМР данных намагниченно- сти насыщения обнаружен во многих подобных наноструктурах [14]. Истолкование такой кон- центрационной зависимости в рамках известных классических представлений о кристаллических и поликристалллических магнетиках является про- блематичным. Кроме того, нами обнаружено, что форма экспериментально зарегистрированной ФМР ли- нии наиболее точно может быть описана логнор- мальной зависимостью. Причем эта форма изме- няется с изменением концентрации кобальта х. Такая форма линии кажется на первый взгляд неожиданной, поскольку для типичного металли- ческого ферромагнетика, каковым является Со, ожидается классическая линия формы Лоренца. Еще одним нетривиальным фактом явля- ется то, что ширина ФМР линии зависит от х. Линия сужается с ростом концентрации (рис. 1, б). Только лишь при х100% ширина линии H приближается к величине, соответст- вующей объемному образцу кобальта HCo~200 Э [15]. Полученные, таким образом, эксперимен- тальные данные для магнитной наноструктуры трудно описать с помощью традиционных пред- ставлений о магнитных материалах. Очевидно, что для поиска новых моделей необходимо учи- тывать особенности гранулярных наноструктур. 2. Магнитные кластеры в нанострук- туре. Отметим, что экспериментальные результа- ты, такие как форма ФМР линии, резонансные частотно-полевые зависимости, полученные в данной работе, достаточно хорошо совпадают с нашими предыдущими данными, полученными для подобных наноструктур [14]. Кроме этого результаты хорошо корелируют с результатами других авторов, приведенными в работах [6-8], где представлены попытки модельного описания магнитного порядка в наноструктурах. Например, в работе [6] была исследована аналогичная наноструктура - мультислойная пленка Co/Cu. Показано, что шероховатость гра- ницы между слоями оказывает существенное влияние на формирование интегральных пара- метров магнитных слоев, определяющих внут- реннее эффективное поле. Предложенный метод дал возможность количественно определять все параметры, характеризующие процессы однород- ного и неоднородного уширения линии ФМР в исследуемой системе. Однако он недостаточно эффективен из-за того, что некоторые факторы, характеризующие величину резонансного поля (например, традиционно используемые в описа- нии спектров поля анизотропии), сильно зависят от кристаллического совершенства магнитных слоев и границ их раздела [6]. 6000 7000 8000 9000 25,6 26,0 26,4 26,8 27,2 85% (Co) 75% (Co) 63% (Co) 54% (Co) 49% (Co) 40-45% (Co) 30% (Co)  r e s ,G H z H res , Oe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 500 1000 1500 2000 2500 3000  H C o , Э x, % (SiO2)100-x Cox/GaAs Т. В. Багмут /Феноменологическое моделирование магнитного… _________________________________________________________________________________________________________________ 67 Важный цикл работ по изучению магнит- ного порядка в гранулярных структурах на основе кобальта был проведен авторами в работах [7, 16, 17]. В работе [16] промоделировано ФМР поглощение с учетом формы структурных гранул в тонкой пленке. Модель достаточно хорошо описы- вает область относительно низких частот 9,4 ГГц. Авторы предполагают, что в магнитной системе образца сформированы магнитные кластеры, сов- падающие по форме со структурными гранулами. При этом структурные гранулы имеют формы близкие к сфере и вытянутому цилиндру. В работе [8] были исследованы микро- волновые свойства ансамбля однодоменных на- ночастиц перовскита La0,7Sr0,3MnO3 и представле- на модель, которая позволила адекватно описать магниторезонансные свойства системы в широ- ком диапазоне температур. Моделирование маг- нитной динамики системы основано на известных уравнениях Ландау-Лифшица с учетом произ- вольного распределения направления осей маг- нитной анизотропии и размагничивающего поля частицы. Однако такая модель, предложенная для кристаллографической структуры, вряд ли может быть успешно применена к описанию исследуе- мой нами магнитной наноструктуры, состоящей из аморфных наночастиц кобальта. Предложенная ниже феноменологическая модель является еще одним шагом в описании сложных магнитных объектов нанофизики. Модель магнитных кластеров в наност- руктуре. Принимая во внимание работы [5, 18], где авторы показали, что гранулы могут объеди- няться в магнитные конгломераты, предполо- жим, что структурные гранулы в магнитной на- ноструктуре объединяться в магнитные класте- ры, как это показано на рис. 2. Как видно из рис. 2, границы таких пред- полагаемых магнитных кластеров совпадают с наружными границами сферических структурных гранул Со. Это дает нам основание рассматривать образец как композитную магнитную нанострук- туру, состоящую из магнитных кластеров, форма которых не совпадает с формой структурных гра- нул магнетика Со. H Рис. 2. Образец магнитной гранулярной наноструктуры (SiO2)100-хCoх/GaAs Кластеры вытянуты в направлении при- ложенного постоянного магнитного поля. Такая конфигурация магнитных кластеров представля- ется наиболее реальной, учитывая технологию приготовления образцов и вид взаимодействия между гранулами [5]. Известно [19], что для частиц произволь- ной формы и достаточно малого размера обменные силы могут обеспечивать однородную намагни- ченность этих частиц, а сами частицы могут быть аппроксимированы как эллипсоиды вращения. В исследуемом образце гранулы Со находятся в од- нодоменном ферромагнитном состоянии. Поэтому есть все предпосылки для применения такой кла- стерной модели к исследуемой наноструктуре. Действительно, такое предположение обосновано, поскольку магнитное взаимодействие между гранулами является преимущественно ди- поль - дипольным, а тогда, сила взаимодействия в направлении приложенного внешнего магнитного поля оказывается в два-четыре раза больше, чем в ортогональном направлении [20]. Форму таких магнитных кластеров в первом приближении бу- дем аппроксимировать эллипсоидами, так как это сделано в классической работе [21]. Моделирование линии ферромагнитного резонанса будем проводить на примере анализа магниторезонансного отклика, зарегистрирован- ного при res  = 25,695 ГГц и resH = 6217 Э от образца магнитной гранулярной наноструктуры (SiO2)100-хCoх/GaAs, где х = 85%. Расчет размагничивающих факторов магнитного кластера. Необходимо отметить, что расчет намагниченности насыщения по формуле (1) является полностью корректным только для образца, имеющего форму бесконечно тонкой пластины. Учитывая, что образец предположи- тельно состоит из магнитных кластеров, меняю- щих форму от сферического до бесконечного ци- линдра, вытянутого вдоль приложенного магнит- ного поля, необходимо учесть влияние границ такого кластера. Учет границ будем проводить, используя понятие размагничивающих факторов (N (x) , N (y) , N (z) ), введенных Ландау - Лифшицем в работах [13, 21, 22]. Эти размагничивающие фак- торы получены в ходе решения задачи о нахож- дении потенциала поля в окрестности эллипсоида и имеют вид     0 2 )( , )(2 s x Ras dsabc N (2)     0 2 )( , )(2 s y Rbs dsabc N (3)     0 2 )( , )(2 s z Rcs dsabc N (4) Структурная гранула Co SiO2 Магнитный кластер Н GaAs - подложка Т. В. Багмут /Феноменологическое моделирование магнитного… _________________________________________________________________________________________________________________ 68 где ))()(( 222 csbsasRs  ; s - постоян- ная интегрирования; а, b, с – оси эллипсоида. Полученные равенства (2-4) подставляем в известную формулу Кителя [13] (которая явля- ется решением уравнения движения магнитных моментов в образце) в общем виде     2 1 )()()()( )( s zy resress zx B res MNNHHMNN h g     (5) Эта формула дает возможность рассчи- тать влияние формы исследуемого образца на величину резонансного поля. Нахождение преимущественной формы магнитных кластеров. На основе формулы (5) построим функцию, определяющую резонансное поле ( resH ) для магнитных кластеров, форми- рующих исследуемый образец в зависимости от их формы. Учтем, что магнитные кластеры имеют наиболее вероятную форму, близкую к эллипсоиду вращения (а=b) с главной осью (с), направленной вдоль внешнего поля Н. На рис. 3 представлена функция Нres=f(c/a), рассчитанная по формуле (5). Видно, что экспериментальному значе- нию резонансного поля resH * = 5926 Э соответ- ствует соотношение осей (с/а) * = 3,3/1. Это озна- чает, что данный образец состоит в основном из магнитных кластеров, которые имеют форму эл- липсоидов, вытянутых вдоль приложенного маг- нитного поля, с соотношением осей (с/а) * = 3,3/1 при а = b = 1. 3. Моделирование интегральной ФМР линии. Анализ экспериментальных данных. Интегральная линия ФМР является суперпозицией ФМР линий всех магнитных кластеров в образце. Рис. 3. Зависимость резонансного Hres поля для vres = 25,695 ГГц от соотношения осей эллипсоида c/a при а=b=1 Положим, что распределение магнитных кластеров по форме, т. е. по соотношению осей эл- липсоида, описывается логнормальным законом (6)                           2 2 2 / ln exp )/( / P m ac acP L acP i i i , (6) где P - ширина функции логнормального рас- пределения на половине высоты; ci /a – соотношение осей эллипсоида i-го магнитного кластера (i = 1…Q, где Q обычно выбира- ем  1000); m – преимущественное соотношение осей эллипсоида c/a; L – нормировочная кон- станта. Значение (m) находим из эксперимента по алгоритму, описанному в разделе 2. Действительно, логнормальное распреде- ление наиболее часто используется для описания систем, где частицы формируются или разбива- ются на мелкие гранулы в соответствии с некото- рыми геометрическими параметрами частиц, та- кими как объем или площадь поверхности [18, 23]. Именно к таким системам относятся ис- следуемые магнитные наноструктуры. Промоделируем экспериментально полу- ченную форму ФМР линии, задавая некое, вполне определенное логнормальное распределение маг- нитных кластеров по соотношению осей эллип- соидов (с/а). Каждый кластер рассматриваем как массивный образец Со с ферромагнитным поряд- ком. Учтем, что, как известно, форма ФМР линии массивного образца кобальта хорошо описывает- ся функцией Лоренца )(HI i (рис. 4 (7)) 2 )( 1 1 )(             Co res i H HH HI i , (7) где iresH )( - резонансное значение магнитного поля i – го магнитного кластера; CoH - ширина ФМР линии массивного кобальта на половине ее высоты (обычно CoH =200 Э [15]). Рис. 4. Расчетная интегральная ФМР - линия ( )t sI H : ( )sresH – значение резонансного магнитного поля интегральной линии; sH – ширина интегральной линии на половине ее высоты; ( )iI H - ФМР линия i-го магнитного кластера 0 5 10 15 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Hs H Co H(res)i H(res)s H, a.u. I, a .u Its(H) Ii(H) 2 4 6 8 10 12 14 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 (c /a) (Hres ) c/a, (a=b=1) H r e s , Э Т. В. Багмут /Феноменологическое моделирование магнитного… _________________________________________________________________________________________________________________ 69 На рис. 4 приведены результаты модели- рования. Расчетная интегральная ФМР - линия )(HI s t (8) исследуемого образца представлена сплошной линией. Пунктирная линия на этом же рисунке описывает ФМР линию i-го магнитного кластера. Таким образом, полученная функция (8) позволяет нам моделировать экспериментальные ФМР линии гранулярной наноструктуры и на основе полученных данных определять форму магнитных кластеров. На рис. 5 приведена ти- пичная экспериментальная линия магнитного резонанса )(HI e (сплошная линия) для образца (SiO2)100-хCoх/GaAs с х = 85%. Здесь же представ- лен результат феноменологического моделирова- ния интегральной линии )(HI t (пунктирная ли- ния), построенной на основании формулы (8) для конкретных значений внешних параметров экс- перимента. Видно, что расчетная линия достаточ- но хорошо воспроизводит экспериментальную зависимость качественно и количественно. Рис. 5. Экспериментальная ( )eI H и расчетная ( )tI H линии спектра ФМР для образца (SiO2)100-хCoх/GaAs при х = 85%.; res = 25,695 ГГц; Hres = 5926 Э, Т = 300 К Вероятность распределения магнитных кластеров по соотношению осей (с/а) для х = 85% полученная в ходе моделирования приведена на рис. 6. Здесь же приведены такие же распределе- ния для концентраций х = 49% и х = 20%. Видно, что с понижением концентрации преимуществен- ная форма магнитных кластеров приближается к сферической. Этот факт хорошо коррелирует с современными представлениями о магнитных средах и свидетельствует о разупорядочении маг- нитной системы образца с понижением концен- трации Со. Действительно, при самых малых концентрациях расстояние между гранулами воз- растает настолько, что объединение в кластеры становится энергетически выгодным. В результа- те наноструктура переходит в состояние разупо- рядоченного магнетика, а именно в суперпара- магнитное состояние [14]. Отметим, что во время проведения цик- ла экспериментов по моделированию формы ФМР линии гранулярной наноструктуры (SiO2)100-хCoх/GaAs при разных значениях часто- ты, а также при разных концентрациях (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со) ошибка полученных экспериментальных данных не пре- вышает, как правило 5 - 7%. При этом соотноше- ние шум/сигнал в эксперименте не превышал 10%. Рис. 6. Плотность распределения магнитных кластеров по форме для образца (SiO2)100-хCoх/GaAs для различных концен- траций Со Данная модель применена нами также к ряду других магнитных наноструктур, таких как Cox(TiO2)1-x [14], Cox(NbLiO3)1-x [24], а также для (SiO2)100-хCoх/GaAs. В упомянутых работах проде- монстрировано, что разработанная модель доста- точно хорошо описывает эксперимент, обеспечи- вая точность не хуже 10%. Поэтому несмотря на то, что в разработанной модели не доказана един- ственность предположения об избранном нами способе формирования магнитного порядка, эта модель может найти свое место в работах по изу- чению типов магнитного порядка в сложных нано- композитах, демонстрирующих различные типы конкурирующих магнитных взаимодействий. Выводы. Таким образом, в работе предложена феноменологическая модель, опи- сывающая явление ферромагнитного резонанса в магнитных наноструктурах, например в (SiO2)100-хCoх/GaAs. Обосновано представление о формирова- нии магнитных кластеров в гранулярной наност- руктуре. Показано, что магнитные кластеры могут быть аппроксимированы эллипсоидами враще- ния, форма которых зависит от концентрации магнетика. При этом, чем ниже магнитный поря- док в наноструктуре, тем больше форма класте- ров приближается к сферической. 2000 4000 6000 8000 10000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 I, a .u . H,Э I t(H) I e(H) 0 2 4 6 8 10 12 14 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 2 1 P , a .u c/a, a=1=b 1 - (x=20%) 2 - (x=49%) 3 - (x=85%)3 Т. В. Багмут /Феноменологическое моделирование магнитного… _________________________________________________________________________________________________________________ 70 Автор выражает благодарность за пре- доставленные образцы (SiO2)100-хCoх/GaAs, Cox(TiO2)1-x, Cox(NbLiO3)1-x, Луцеву Л. В, Гранов- скому А. Б, Вызулину С. А, а также Ходзицко- му М. К., Недуху С. В. за помощь в проведении экспериментов. 1. Золотухин И. В., Калинин Ю. К., Ситников А. В Нано- композитные структуры на пути в наноэлектронику // Природа. - 2006. - №1. - С.11-19. 2. Baibich M. N., Broto J. M., Fert A. et. al. Giant Mag- netoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superlattices // Phis. Rev. Lett - 1988. - 61, N21. - P.2472-2475. 3. Быков И. В., Гальшина Е. А., Грановский А. Б., Гущин В. С. Магниторефрактивный эффект в гранулированных плен- ках с туннельным магнитосопротивлением // Физика твердого тела. - 2000. - 42, №3. - С.487-491. 4. Levy P. M. Giant magnetoresistance in magnetic layered and granular materials // Chapter in SOLID STATE PHYSICS, edited by H. Ehrenreich and D. Tumbull, Cambridge MA: Academic Pres. - 1994. - 47. - P.367-462. 5. Луцев Л. В., Стогний А. И., Новицкий Н. Н. Гигантское инжекционное магнитосопротивление в гетероструктурах арсенид галлия/гранулированная пленка с наноразмерными включениями кобальта // Письма в Журн. эксперим. и техн. физики. - 2005. - 81, N10. - С.636-641. 6. Каплиенко А. И., Николова Э. П., Кутько К. В. и др. Маг- нитный резонанс и осцилляции магнитной анизотропии в сверхрешетках Co/Cu (111) // Физика низких температур. - 2005. - 31, №3/4. - С.471-478. 7. Kakazei G. N., Pogorelov Yu. G., Lopes A M L. et al. Tunnel magnetoresistance and magnetic ordering in ion-beam sput- tered Co80Fe20/Al2O3 discontinuous multilayers // Journal of Applied Physics. - 2001. - 90, N8. - P.4044-4048. 8. Криворучко В. Н., Марченко А. И, Прохоров А. А. Супер- парамагнитный резонанс однодоменных наночастиц LaSrMnO3 // Физика низких температур. - 2007. - 33, №5. - С.578-585. 9. Yakushiji K., Mitani S., Takanashi K. et al. // J Magn. Magn. Mater. - 2000. - 212, N75. - Р.243-246. 10. Barzilai S., Goldstein Y., Balberg I.et al. // Phys. Rev. - 1981. - B23, N1809. - Р.389-395. 11. Sankar S., Dender D., Borchers J. A. et al. // J. Magn. Magn. Mater. - 2000. -221, N1. 12. Деркач В. Н., Недух С. В., Равлик А. Г. и др. Не- резонансное поглощение высокочастотного электро- магнитного излучения в сверхрешетках Сu/Со // Радиофи- зика и электроника - Харьков: Ин-т радиофизики и элек- трон. НАН Украины. - 2002. - 7, №1. - С.115-118. 13. Боровик Е. С., Мильнер А. С., Еременко В. В. Лекции по магнетизму // Под ред. Л. Ф. Кизилова. -Харьков: Изд-во Харьков. Гос. ун-та. - 1972. - С.111-114. 14. Bagmut T. V., Nedukh S. V., Roschenko S. T. et al. Granule size and shape influence on static and dynamic properties of magnetic nanocomposites // Journal of Magnetism and Mag- netic Materials. - 2006. - 302. - Р.334-339. 15. Луцев Л. В. Спиновые возбуждения в гранулированных структурах с ферромагнитными наночастицами // Физика твердого тела. - 2002. - 44, №1. - С.97-105. 16. Kakazei G. N., Kravets A. F., Lesnik N. A. et al. Ferromagnet- ic resonance in granular thin films // Journal of Applied Phys- ics. - 1999. - 85, N8. - Р.5654-5656. 17. Kakazei G. N., Pogorelova Yu. G., Costa M. D. et al. Interlayer dipolar interactions in multilayered granular films // Journal of Applied Physics. - 2005. - 97. - Р.10A723-1- 10A723-3. 18. Lutsev L. V., Kopytin M. N., Sitnikov A. V. and Stognei O. V. Properties of Nanogranular Metal-Dielectric Composites in Strong Electric Fields and Claster Electronic States // Physics of the Solid State. -2005. - 47, N11. - Р.2169-2179. 19. Вансовский С. В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1030 с. 20. Стогней О. В., Ситников А. В., Калинин Ю. Е. и др. Изо- тропное положительное магнитосопротивление нано- гранулированных композиционных материалов Co-Al2On // Физика твердого тела. - 2007. - 49, №1. - С.158-164. 21. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред - М.: Наука, 1982. - 8. - С.37-44. 22. Китель Ч. Ферромагнитный резонанс // М.: Изд-во иностр. лит. 1962. - 46. - 489. с. 23. Eckhard Limpert, Werner А. Stahel, and Markus Abbt. Log- normal distributions across the sciences: Keys and Clues // BioScience. - 2001. - 51, N5. - Р.341-352. 24. Багмут Т. В. Магниторезонансная миллиметровая спектро- скопия гранулированных наноструктур Cox(NbLiO3)1-x // Пя- тая Харьков. конфер. молодых ученых «Радиофизика и СВЧ электроника» Харьков. - 2005. - С.55. PHENOMENOLOGICAL MODELLING OF MAGNETIC ORDER IN GRANULAR NANOSTRACTURE ON THE BASIS OF RESULTS OF ESR – EXPERIMENT T. V. Bagmut The phenomenological model describing the phenome- non of ferromagnetic resonance (FMR) in granular magnetic nano- structure is submitted. The model is verified on the example of study of magnetic properties of nanostructure amorphous dioxide of silicon with nanoparticles cobalt (SiO2) 100-хCoх/GaAs in the wide area of Co - concentration (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 and 85% Co). It is shown, that magnetic clusters having the shape depended on the Co – concentration can be formed in granular nanostructure. Key words: ferromagnetic resonance, granular magnet- ic nanostructure, magnetic clusters. ФЕНОМЕНОЛОГІЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ МАГНІТНОГО ПОРЯДКУ В ГРАНУЛЯРНІЙ НАНОСТРУ КТУРІ НА ОСНОВІ РЕЗУЛЬТАТІВ ЭСР – ЕКСПЕРИМЕНТУ Т. В. Багмут Подана феноменологічна модель, яка описує явище феромагнітного резонансу (ФМР) в гранулярній магнітній наноструктур, на прикладі дослідження магнітних властивос- тей – аморфної двоокисі кремнію з наночастками кобальту (SiO2)100-хCoх/GaAs в широкій області концентрацій кобальту (х = 20, 30, 45, 49, 54, 63, 75 и 85% Со). Показано, що в грану- лярній наноструктурі можуть формуватися магнітні кластери, форма яких залежить від концентрації магнетика. Ключові слова: феромагнітний резонанс, грануля- рна магнітна наноструктура, магнітні кластери. Рукопись поступила 2 октября 2007 г.

Феноменологическое моделирование магнитного порядка в гранулярной наноструктуре на основе результатов ЭСР - эксперимента

Репозитарії

Схожі ресурси