СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ ПО ТОЛЩИНЕ ФЕРРИТОВОЙ ПЛЁНКИ Российский патент 2019 года по МПК G01R33/05 

Изобретение относится к микро- и нанотехнологии, и может быть использовано для неразрушающего контроля слоистой структуры эпитаксиальных ферритовых пленок на немагнитных подложках, в частности – на стадии разработки режимов эпитаксиального роста и на стадии финишного контроля готовой продукции.

Проблемой эпитаксиальных ферритовых пленок является неоднородность химического состава по толщине пленки, что обуславливает неоднородность по толщине магнитных свойств. В частности, в процессе эпитаксиального роста на границе пленка-подложка, возникает диффузионный переходный слой, который характеризуется пониженной намагниченностью. Наличие этого слоя оказывает существенное влияние на характеристики спин-волновых, магнитооптических и магнитоакустических устройств. Это обуславливает актуальность оперативного контроля слоистой структуры ферритовых пленок.

Известен способ исследования слоистой структуры эпитаксиальной ферритовой пленки, использующий методы послойного стравливания и спектрального анализа химического состава пленки (Ющук С.И. //ЖТФ. 1999. Т.69. В.12. С. 62-64). Однако этот способ дает лишь качественное представление о намагниченности слоев. К тому же сама пленка при этом полностью разрушается.

Известны магнитооптические способы неразрушающего контроля намагниченности, основанные на визуальном наблюдении перестройки доменной структуры ферритовой пленки.

Так, известен способ измерения намагниченности насыщения ферритовой плёнки (см., например, А.С. СССР №1539698, G 01 R 33/05, опубл. 30.01.90), заключающийся в воздействии на плёнку постоянным магнитным полем, перпендикулярным поверхности плёнки, и высокочастотным магнитным полем, параллельным поверхности плёнки. На плёнку дополнительно воздействуют низкочастотным магнитным полем, направленным перпендикулярно поверхности плёнки, регистрируют производную сигнала поглощения ферромагнитного резонанса по постоянному магнитному полю, измеряют разность напряжённостей постоянного магнитного поля, соответствующих пиковым значениям указанной производной и намагниченность определяют при выбранном значении отношений этих производных.

Известен также способ определения параметров тонких магнитных плёнок (см. патент РФ №2047183, G01R 33/05, опубл. 27.10.1995), включающий воздействие на образец постоянным магнитным полем смещения, переменным модулирующим полем и фотоэлектрическую регистрацию переменной компоненты намагниченности, при этом переменное магнитное поле создают с помощью двух синхронных противофазных источников с градиентом, перпендикулярном плоскости образца, и устанавливают образец в положение, при котором смена знака фазы результирующего поля модуляции происходит в заданном слое образца.

Однако эти способы сложны и трудоемки. К тому же они применимы только для одноосных ферритовых пленок.

Известны магниторезонансные способы неразрушающего контроля намагниченности, основанные на измерении характеристик ферромагнитного резонанса ферритовых пленок. В частности, известен способ определения параметров эпитаксиальных магнитных плёнок (см., например, А.С. СССР №1649479, G01R 33/05, опубл. 15.05.91), заключающийся в определении амплитуды резонансного поглощения электромагнитной энергии магнитного поля и определении параметров плёнок из определённых математических выражений.

Однако этот способ позволяют измерять только усредненное значение намагниченности пленки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является спин-волновой способ неразрушающего контроля намагниченности ферритовых пленок, основанный на возбуждении дипольно-спиновых (магнитостатических) волн и измерении их дисперсионных характеристик (см., А.С. №1755220, G01R 33/05, опубл.15.08.92), при этом способ предусматривает одновременное воздействие постоянного магнитного поля и СВЧ магнитного поля на две параллельно расположенные области плёнки. Используя дисперсионное уравнение, получают значение намагниченности насыщения пленки.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности анализа распределения намагниченности по толщине эпитаксиальной ферритовой пленки.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа неразрушающего контроля ферритовых пленок с возможностью определения распределения намагниченности по толщине.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения определения распределения намагниченности по толщине пленки.

Указанная проблема достигается тем, что в способе неразрушающего контроля намагниченности эпитаксиальной ферритовой пленки на немагнитной подложке, включающем одновременное воздействие на пленку постоянного магнитного поля и СВЧ магнитного поля, измерение СВЧ сигналов на выходе пленки и определение намагниченности пленки расчетным путем, согласно решению, постоянное магнитное поле ориентируют по нормали к поверхности ферритовой пленки, воздействие СВЧ магнитным полем осуществляют в импульсном режиме, регулируя величину постоянного магнитного поля и/или частоту заполнения радиоимпульсов до возбуждения в ферритовой пленке радиоимпульсов обменных спиновых волн, бегущих вглубь ферритовой пленки и отражающихся от ее противоположной поверхности, измеряют время задержки отраженных эхоимпульсов обменных спиновых волн и соответствующие величины частоты заполнения радиоимпульса и постоянного магнитного поля , подставляют измеренные значения в уравнение для группового времени задержки обменных спиновых волн , где - дисперсионное выражение для волнового числа обменных спиновых волн, =2.83МГц/Э – гиромагнитное отношение, =3.5^.10^-11 см² – постоянная неоднородного обмена, - функция распределения намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки, - координата толщины ферритовой пленки, - параметр распределения намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки, вычисляют значение параметра из уравнения группового времени задержки обменных спиновых волн, подставляют вычисленный параметр в формулу функции распределения намагниченности насыщения, строят график зависимости намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки .

Изобретение поясняется иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 представлена схема измерительной установки для реализации заявляемого способа,

- на фиг. 2 – осциллограмма эхоимпульсов и результаты измерения относительного времени задержки обменной спиновой волны,

- на фиг. 3 – график зависимости времени задержки отраженных эхоимпульсов обменных спиновых волн от параметра распределения намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки,

- на фиг. 4 – график функции распределения намагниченности по толщине переходного слоя,

- на фиг.5 – результаты расчета дисперсии ОСВ пределах толщины переходного слоя,

- на фиг. 6 – получено значение рассчитанной фазовой и групповой скорости.

На иллюстрациях позициями обозначено:

1 – эпитаксиальная пленка железоиттриевого граната (ЖИГ);

2 – подложка гадолиний-галлиевого граната (ГГГ);

3 – закороченная на конце микрополосковая линия;

4 – ферритовый циркулятор;

5 – генератор радиоимпульсов;

6 – измерительный осциллограф.

Способ реализуется следующим образом.

В качестве зондирующей волны используется обменная спиновая волна (ОСВ), которая при нормальном намагничивании ферритовой пленки и при наложении однородного СВЧ магнитного поля возбуждается в тонком переходном слое на границе пленка-подложка, распространяется вглубь пленки и отражается от ее противоположной поверхности. В переходном слое отраженные волны частично преобразовываются в СВЧ сигнал, а частично отражаются вглубь ферритовой пленки. Эти процессы повторяются многократно. При импульсном возбуждении ОСВ это проявляется в виде серии задержанных эхоимпульсов, следующих с равными временными интервалами , пропорциональными длине пробега эхоимпульса ОСВ , где - толщина ферритовой пленки. Существенно, что при заданных значениях частоты и намагничивающего поля длина волны и, соответственно, скорость распространения излучаемых ОСВ существенно зависит от распределения намагниченности внутри переходного слоя.

В данном изобретении распределение намагниченности по толщине ферритовой пленки определяется по результатам измерения относительного времени задержки эхоимпульсов, которое может быть осуществлено, например, с помощью установки на фиг. 1.

Для расчета намагниченности в слое используется выражение группового времени задержки ОСВ на длине пробега эхоимпульса

, (1)

где

- (2)

дисперсионное выражение для волнового числа ОСВ, полученное из уравнения Ландау-Лифшица, записанного с учетом неоднородного обмена, - круговая частота, - напряженность постоянного намагничивающего поля, МГц/Э - гиромагнитное отношение, см² - постоянная неоднородного обмена, - функция распределения намагниченности по толщине переходного слоя, которая согласно законам диффузии в твердых телах имеет экспоненциальный характер и записывается в виде

, (3)

где - намагниченность насыщения чистого феррита, - феноменологический параметр.

Параметр определяется в результате решения трансцендентного уравнения, которое получается при подстановке в выражение (1) фиксированных значений и , при которых была измерена задержка эхоимпульса . Подстановка в (3) найденного значения определяет функцию распределения намагниченности по толщине ферритовой пленки.

Ниже приведен пример реализации изобретения. Для наблюдения эффектов импульсного возбуждения обменной спиновой волны (ОСВ) использовалась эпитаксиальная пленка железоиттриевого граната (ЖИГ) 1, выращенная методом жидкофазной эпитаксии на немагнитной подложке гадолиний - галлиевого граната (ГГГ) 2. Предварительно пленка подвергалась химико-механической полировке на глубину 1-2 мкм. Конечная толщина пленки составляла мкм. Экспериментальный образец пленки ЖИГ был выполнен в виде диска диаметром 2.5мм. В качестве преобразователя ОСВ использовалась закороченная на конце микрополосковая линия (МПЛ) 3. Ширина МПЛ составляла 3.0 мм. Образец пленки вместе с преобразователем помещался в постоянное магнитное поле Э, ориентированное по нормали к поверхности пленки. На вход МПЛ 3 от генератора радиоимпульсов 5 через циркулятор 4 подавался радиоимпульс длительностью 20нс с частотой заполнения 3ГГц. С помощью осциллографа 6 измерялось время относительной задержки эхоимпульсов ОСВ.

Осциллограмма эхоимпульсов и результаты измерения относительного времени задержки ОСВ представлены на фиг.2.

Учитывая, что толщина пленки составляла , нетрудно было посчитать групповую скорость ОСВ . В нашем случае она составляла , что на порядок меньше скорости звука в ЖИГ.

Обработка результатов измерений проводилась по следующей методике. В формулу (1) подставлялись фиксированные значения =3 ГГц и =2350 Э, проводился расчет зависимости . Расчеты проводились численными методами. По результатам вычислений строился график зависимости , представленный на фиг.3. По графику фиг.3 определялось значение параметра =82093 см^-1, которое соответствовало измеренному времени задержки эхоимпульсов =49.45нс. Найденное значение подставлялось в формулу (3), рассчитывалась функция распределения намагниченности по толщине переходного слоя , график которой представлен на фиг.4.

Аналогично при подстановке в (2) фиксированного значения =2350 Э и найденного значения параметра рассчитывался закон дисперсии ОСВ . На графике фиг.5 представлены результаты расчета дисперсии ОСВ пределах толщины переходного слоя.

Видно, что в переходном слое волновые числа ОСВ возрастают от нуля до максимального значения, характерного для пленки чистого ЖИГ на заданной частоте .

Для сравнения на фиг.6 представлены графики частотной зависимости групповой и фазовой скоростей, рассчитанные вдали от переходного слоя.

Из графика фиг.6 было получено значение рассчитанной групповой скорости =5.37⋅10⁴ см/с, которое с точностью 99% совпадало с =5.31⋅10⁴ см/с, измеренным по задержке эхоимпульсов на фиг.2.

Изобретение относится к микро- и нанотехнологии. Способ неразрушающего контроля намагниченности эпитаксиальной ферритовой пленки на немагнитной подложке включает одновременное воздействие на пленку постоянного магнитного поля и СВЧ магнитного поля, измерение СВЧ сигналов на выходе пленки и определение параметров намагниченности пленки расчетным путем, при этом постоянное магнитное поле ориентируют по нормали к поверхности ферритовой пленки, воздействие СВЧ магнитным полем осуществляют в импульсном режиме, регулируя величину постоянного магнитного поля и/или частоту заполнения радиоимпульсов до возбуждения в ферритовой пленке радиоимпульсов обменных спиновых волн, бегущих вглубь ферритовой пленки и отражающихся от ее противоположной поверхности, измеряют время задержки отраженных эхоимпульсов обменных спиновых волн и соответствующие величины частоты заполнения радиоимпульса и постоянного магнитного поля. Технический результат – расширение функциональных возможностей способа неразрушающего контроля. 6 ил.

Способ неразрушающего контроля намагниченности эпитаксиальной ферритовой пленки на немагнитной подложке, включающий одновременное воздействие на пленку постоянного магнитного поля и СВЧ магнитного поля, измерение СВЧ сигналов на выходе пленки и определение параметров намагниченности пленки расчетным путем, отличающийся тем, что постоянное магнитное поле ориентируют по нормали к поверхности ферритовой пленки, воздействие СВЧ магнитным полем осуществляют в импульсном режиме, регулируя величину постоянного магнитного поля и/или частоту заполнения радиоимпульсов до возбуждения в ферритовой пленке радиоимпульсов обменных спиновых волн, бегущих вглубь ферритовой пленки и отражающихся от ее противоположной поверхности, измеряют время задержки отраженных эхоимпульсов обменных спиновых волн и соответствующие величины частоты заполнения радиоимпульса и постоянного магнитного поля , подставляют измеренные значения в уравнение для группового времени задержки обменных спиновых волн ,

где - дисперсионное выражение для волнового числа обменных спиновых волн, =2.83 МГц/Э – гиромагнитное отношение, =3.5^.10^-11 см² – постоянная неоднородного обмена, - функция распределения намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки, - координата толщины ферритовой пленки, - параметр распределения намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки, вычисляют значение параметра из уравнения группового времени задержки обменных спиновых волн, подставляют вычисленный параметр в формулу функции распределения намагниченности насыщения, строят график зависимости намагниченности насыщения по толщине ферритовой пленки .