Затухание спиновых колебаний и волн в пленках феррошпинелей

Физика твердого тела

УДК 537.035

Л.А. Митлина, Ю.В. Великанова, М.Р. Виноградова, Г.С. Бадртдинов

ЗАТУХАНИЕ СПИНОВЫХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН В ПЛЕНКАХ ФЕРРОШПИНЕЛЕЙ

Анализируются результаты исследований ферромагнитного резонанса и распространения поверхностных магнитостатических волн в монокристаллических пленках марганцевых и магний-марганцевых феррошпинелей. Показано, что параметры, характеризующие затухание спиновых колебаний и волн, зависят от химического состава, дефектности структуры и технологических условий получения пленок. Эффективный параметр затухания а составляет ~(10'2 +10 3), время релаксации т~(10~ ч-10' ) с, затухание МСВ на единицу времени распространения Ь~(10 +10 ) дБ/мкс.

Исследование магнитных резонансов и бегущих магнитостатических волн (МСВ) дает важную информацию о физических свойствах пленок и протекающих в них спиновых процессах. Параметры ферромагнитного резонанса (ФМР) и МСВ являются интегральной характеристикой качества образца. Знание зависимостей затухания спиновых колебаний и волн от состава и технологических условий синтеза пленок необходимо для выяснения возможностей разработки СВЧ - устройств на основе пленок феррошпинелей и для изучения процессов релаксации.

Эпитаксиальная технология ограничивает получение бездефектных пленок феррошпинелей, так как макронапряжения, возникающие из-за различия в периодах решеток и коэффициентов термического расширения пленки и подложки приводят к генерации дислокаций, дислокационных скоплений, малоугловых границ в пленке в процессе выращивания и охлаждения. Кроме того, в условиях хлоридного процесса синтеза пленок феррошпинелей трудно осуществить получение точного стехиометрического состава, так как он достигается лишь при строго определенном сочетании температуры и парциальных давлений в газовой среде. Отклонение от стехиометрии эквивалентно присутствию в кристалле точечных дефектов. По данным работы [1] в пленках феррошпинелей концентрация тепловых вакансий и деформационных ~1023 м-3,

1 а26 -3

концентрация доноров по кинетическим явлениям ~10 м , что превышает расчетную концентрацию вакансий. Это означает, что в пленках феррошпинелей содержатся химические примеси, в частности избыточные ионы Fe2+ из-за диссоциации Fe2O3 в процессе синтеза и охлаждения.

Точечные дефекты: вакансии; внедренные атомы, возникшие в результате пластической деформации; вакансии, образовавшиеся при закалке от высоких температур; примесные атомы - сегрегируют на дислокациях. Все это приводит к магнитной неоднородности пленок феррошпинелей.

Наибольшие взаимодействия спиновых волн с магнитными дефектами происходят в том случае, когда размеры дефектов порядка длины спиновой волны. Протяженные магнитные неоднородности, размеры которых соизмеримы с размерами образца, приводят к возбуждению длинноволновых типов колебаний, обусловленных диполь-дипольным взаимодействием спинов, называемых магнитостатическими. В этом случае взаимодействие между узлами решетки имеет дальний порядок и поскольку во взаимодействии принимают участие сразу много узлов кристаллической решетки, магнито-дипольное взаимодействие часто называют коллективным. В ближнем порядке между соседними атомами имеет место обменное взаимодействие, превосходящее по порядку величины магнито-дипольное. Обменные силы являются короткодействующими. Они хорошо описывают колебания при длине волны порядка постоянной решетки.

Наличие диполь-дипольного и обменного взаимодействий спинов приводит к распространению в магнитоупорядоченных кристаллах двух видов волн - спиновых магнитостатических волн и спиновых обменных волн [2].

При рассмотрении пленок феррошпинелей, имеющих неоднородное распределение напряжений и дефектов структуры по толщине пленки [1], наведенную магнитную анизотропию [3],

различные условия закрепления спинов на свободной поверхности и на границе пленка-подложка [4], необходим одновременный учет обоих видов взаимодействия.

Объекты и методы исследования. Пленки толщиной й?~(15^47) мкм исходного состава М-ё0,25М^0,75рЄ2О4 и МПхРЄз-х04 с х=1;0,65 выращены методом химических транспортных реакций на (001) плоскости оксида магния с последующей закалкой от температуры синтеза в атмосфере воздуха. По данным рентгеноструктурного и микроструктурного анализов исследуемые образцы однофазны и имеют структуру шпинели.

Металлографические исследования поверхности пленок показали, что все образцы имеют блочную структуру. Размер блока 1 ~(1,5^300)-10-4 см зависит от толщины пленки, состава и технологических условий (рис.1 а, б). Разориентация блоков составляет величину порядка (10'^24') [1], увеличивается с повышением температуры синтеза и ростом марганца в составе.

Методом химического травления в кипящем растворе ИС1:И20=1:1 обнаружено, что степень дефектности структуры пленок различна. Наблюдается хаотическое распределение дислокаций с плотностью и~(106^107) см-2 (рис.2 а) и короткие скопления дислокаций (рис.2 б,в).

Для наблюдения доменной структуры пленок феррошпинелей использовался порошковый метод. При нанесении на пленку магнитной суспензии частицы взвешенного в ней магнитного порошка под действием полей рассеяния оседают на междоменных стенках, что при наблюдаемой доменной структуре (рис.3а,б,в) позволяет оценить ширину доменной стенки.

Исследования блочной, дислокационной и доменной структур проводились на микроскопе МБИ-6.

Рис .1 Блочная структура пленок состава М§0д5Мп0>75Ге2О4 : а - образец 1 - размер блоков 1 ~(163+189) мкм; б - образец 2 - размер блоков 1 ~(1,6+4,4) мкм

Г

Гг

Г *

І ? ;г

- / -

:тг ". ;

* /

Ьгл

. , ч/-' 1 4 -ч ' *; ;

.ЧТ-Л; Л Л- > : р р&М :

^Вп5  Л.-'- .. ; *

а б в

Р и с. 2. Дислокационная структура пленок феррошпинелей: а - хаотическое распределение дислокаций; б - короткие скопления; в- скопления дислокаций

Й/ ' V

"К:; • " •Д: 7 : Г]

ИЬ * > # •  ' ’ I

• ;г -

ї . Ї. ь ': 1  -

лет/

р

-« . ї'І

1 <Ж '

4 І НІ

б

Рис .3. Доменная структура пленок феррошпинелей

-л

ї : : 1 Г- 1

*1 и

IV . -х

а

в

Р и с. 4. Зависимость микротвердости (Н) от глубины внедрения индентера для пленок состава М§0д5Мп0>75Ге2О4:

1 - образец 1; 2 - образец 2; 3 - образец 3

Методом микроидентирования [5] установлено, что поведение механических свойств поверхностного слоя ~(0,8-ь3) мкм отличается от поведения внутренних объемов материала: в области нагрузок (1,47^0,78) Н при уменьшении глубины внедрении индентера к наблюдается

линейный рост микротвердости Н, что не противоречит результатам исследований объемных феррошпинелей; в области малых нагрузок (0,78^0,2) Н микротвердость уменьшается (рис.4). Глубина поверхностного слоя зависит от химического состава пленок и технологических условий получения и последующей обработки. Импульсный отжиг в атмосфере воздуха ведет к упрочнению пленок и уменьшению глубины поверхност -ного слоя. Вакуумный отжиг приводит к разупрочнению пленок и росту глубины поверхностного слоя, что обусловлено изменением вакансионного состояния поверхностного слоя.

Повышение концентрации вакансий должно привести к уменьшению намагниченности. Наличие поверхностного слоя с низкой намагниченностью эквивалентно существованию одноосной наведенной анизотропии. В монокристаллических пленках феррошпинелей наряду с кристаллографической анизотропией наблюдается анизотропия в плоскости пленки, а также магнитная анизотропия с осью легкого намагничивания, нормальной к плоскости пленки [3]. В данной работе количественные оценки констант анизотропии получены методом ферромагнитного резонанса, методом вращательных моментов, а также из анализа дисперсионных зависимостей магнитостатических волн [6]. Параметры ферромагнитного резонанса измерялись резо-наторным методом на частоте (8,8^11,7) ГГц. Анализируются данные исследований 25 пленок феррошпинелей.

Результаты эксперимента и их обсуждения. Константа обменного взаимодействия, радиусы магнитно-дипольного и обменного взаимодействия. На магнитные потери, т.е. на расширение резонансной кривой, на затухание спиновых волн оказывают влияние как неоднородности, размеры которых превышают эффективные радиусы обменного и дипольного взаимодействия - крупномасштабные неоднородности, так и мелкомасштабные неоднород-ности, имеющие размеры меньше указанных радиусов.

Для расчета радиуса обменного взаимодействия необходимо найти константу обменного взаимодействия Аобм. Константа обменного взаимодействия для рассматриваемых пленок феррошпинелей может быть оценена по экспериментально найденным значениям температуры Кюри - температуре, при которой разрушается ферримагнитный порядок.

В случае феррошпинелей-ферримагнетиков с двумя подрешетками обменное взаимодействие определяется взаимодействием ионов со спинами БА, находящихся в позициях А (тетраэдрических), и ионов со спинами БВ, находящихся в позициях В (октаэдрических). Взаимодействие (В-В) и (А-А) в шпинелях существенно слабее взаимодействия (А-В). Если пренебречь обменным взаимодействием внутри подрешеток, то согласно [7]

3

кТ,

\7 • £

Г АВ\ °А

£в

2(а • ХВ )12

'х

• ХА +

:),

где Тк - температура Кюри; к - постоянная Больцмана; гАВ и гВА - число соседей типа В у иона А и типа А у иона В; JАВ - обменный интеграл, характеризующий взаимодействие (А-В); БА и БВ -спины магнитных ионов; хА и хВ - число ионов сорта А и В на молекулу.

Каждый ион А связан с гАВ ионами В взаимодействием, характеризующимся обменным интегралом JАВ, точно также, как каждый ион В связан таким же взаимодействием с JАВ ионами А.

Если сделать замену 2(хА • хВ ) » (хА + хВ),

то величина

2

* Ха +

• Хр

т = -

ха + Хв

лв

означает количество взаимодействий, приходящееся на один магнитный ион, а величина

3

Е =

обм

2

кТ,

,

т

- = 1 1 I • 1^ I • 1^1

г ав\ га °в

представляет собой энергию каждого взаимодействия. Согласно [7] для шпинелей хА=1, хВ=2, 2ав=12, 2ва=6, и по формуле (2) т=8. Разделив Еобм на среднее расстояние между ближайшими ионами (Ь) для (А-В) взаимодействия рассматриваемых феррошпинелей, полечим значение константы обмена Аобм (см. табл. 1). Согласно [8] преобладающим является сверхобменное

взаимодействие Ме3+ (А) - О2 - Ме3+ (в) при угле ф~125 °, расстояние Ь = ^а^. ^2 .

Температура Кюри (Т,) для исследуемых образцов MgхMnl-хFe2O4 определялась по зависимости 1пр = Т^ , где р - удельное сопротивление.

Константа обмена Аобм для пленок Mgo,25Mno,75Fe2O4 полечена методом экстраполяции по графику Аобм= /(х) для состава MgхMn1-хFe2O4, для пленок Mn0,65Fe2,35O4 - по графику для состава MnхFe3-хO4, где Тк для Fe3O4 взята из литературных данных [8].

Таблица 1

Параметры пленок толщиной й ~ 20 мкм исходного состава М§хМп!-хРе204

Исходный состав кТк, эрг 3 кТк, эрг а, см Ь=0,35а, см Аобм, эрг/см

MnFe2O4 Mgo,4Mno,6Fe2O4 Mgo,6Mno,4Fe2O4 Mgo,8Mno>2Fe2O4 Fe3O4 8 -10'14 8,16 -10"14 8,32 -10'14 8,64 -10'14 11,85 -10"14 1,5- 10'14 1,53 -10'14 1,56 -10-14 1,62 -10'14 2,22 -10"14 8,52 -10'8 8,47 -10'8 8,46 -10'8 8,43 10-8 8,40 -10'8 3,01-10-8 2,964-10'8 2,96 -10'8 2,95 10-8 2,94 -10'8 0,502-10'6 0,517 -10"6 0,527-10'6 0,546-10'6 0,754-10'6

а = 5

Константа обменного взаимодействия А может быть определена по ширине доменной стенки [9]

"А К '

Для пленки Mg0,6Mn0,4Fe2O4 константа наведенной анизотропии Ки~4-103 эрг/см3, ширина доменной стенки а~5,27-10-5 см (рис.3 в), параметр обмена А~5,25 -10-7 эрг/см, что удовлетворительно совпадает с расчетом по температуре Кюри (табл. 1).

Для пленок с блочной структурой эффективный радиус обменного взаимодействия соглас-

но [10]

а

обм

т

2-А

где аобм =-

обм

- обменная константа, т=

2- Ки

М 0

- безразмерная констан-

та наведенной одноосной анизотропии, Ки - константа наведенной анизотропии, М0 - намагниченность насыщения.

Методом ФМР были оценены намагниченность насыщения, константы кристаллографической (К]) и наведенной (Ки) анизотропии и из указанных формул аобм, Т , Я для пленок рассматриваемых составов (см. табл.2,3).

Таблица 2

Параметры пленок исходного состава М§025Мп075Ее2О4, синтезированных при 1с ~ 990 °С

№ образ- 1 , й, й, Мо, К], Ки, а, т Я,

ца мкм мкм мкм Гс эрг/ см3 эрг/ см3 см-1 см

2 1,6^4,4 15 1,73 394 -4,3-104 1,5 -104 6,57 -10"12 1,93 -10'1 2,03 -10'6

4 5,4-9,4 30 2,25 350 -2,7 -104 9 -103 8,28 -10"12 1,46 -10'1 2,62 -10'6

Все рассмотренные параметры зависят от состава и температуры синтеза. Поскольку размер блоков 1 >>Я, обменное взаимодействие между блоками мало и практически не должно сказываться на ориентации намагниченности внутри отдельного блока. Поэтому при изучении магнитных свойств пленок феррошпинелей можно считать блоки невзаимодействующими.

Таблица 3

Пределы изменения параметров пленок исходного состава МпхЕе3_х04, синтезированных при различных температурах и скоростях роста

Параметры МпРе2О4 МП0,65рЄ2,35О4

ґс~1060 °С ґс~935 °С, ир ~3 мкм/мин Ґс~1100 °С, ир ~3 мкм/мин 4-980 °С, ир ~1,2 мкм/мин

ир ~2,2 мкм/мин ир ~5-6 мкм/мин

Л, мкм Мо, Гс К], эрг/см3 Ки, эрг/ см3 а, см-1 / Я, см 17-20 198-226 -(2,6-2,9)-104 (4,4-5,2)-103 (5,4-25,4)-10"12 (1,7-2,7)-10-1 (2,9-3,5)-10"6 30-47 212-250 -(3,3-3,7)-104 (4,4-8)-103 (16-22,3)-10-12 (1,7-3,6)-10-1 (2,9-3,5)-10"6 30 215-218 -(3,1-3,6)-104 (1,4-1,9)-103 (21,1-21,8>10'12 (5,8-8,3)-10-2 (5,3-6,5)-10-6 18-34 233-365 -(3,6—8,1 )• 104 (0,9-2,9)-103 (12,6—17,7)-10-12 (1,7-2,7)-10-2 (7,1—9,4)-10"6 18-34 216-323 -(3,6-3,3)-104 (1,5-2,1 )• 103 (11,1-25,4)-10-12 (2,9-8,87)-10"2 (5,3-8,3)-10-6

Кривая резонансного поглощения при касательном намагничивании пленок феррошпинелей отличается по форме от обычной (лоренцевой) резонансной кривой. Экспериментальная кривая (см. рис.5) для пленок состава Mgo,25Mno,75Fe2O4, как и для марганцевых ферритов [11], кроме основного пика имеет дополнительные максимумы поглощения с убывающей интенсивностью в сторону уменьшения намагничивающего поля вдоль кристаллографического направления [100] и два пика малой интенсивностью со стороны сильных полей. Все это также свидетельствует о справедливости модели независимых зерен (блоков) для пленок феррошпинелей.

2.5

а

б

Рис . 5. Кривые резонансного поглощения пленок состава М§0д5Мп<),75ре2О4: а - для образца 1; б - для образца 2

В касательном поле дополнительные резонансные пики со стороны больших полей могут быть связаны с возбуждением мод, локализованных в поверхностном слое, они имеют а <а0, и резонансные поля больше поля основного резонанса. Поверхностные спины, в отличие от внутренних объемных спинов, находятся в структуре с более низкой симметрией, т.к. они имеют соседей только со стороны пленки, и силы обменного взаимодействия действуют на них только с одной стороны. Поэтому спектр спиновых колебаний и волн существенно зависит от реальных физических условий, в которых находятся спины на поверхности: поверхностные спины свободны, частично закреплены, жестко закреплены. Параметр закрепления спинов Л* определяется [10] значениями а, / и к - толщиной поверхностного слоя:

/2 • к

л* =

а

Оценки показывают, что для пленок состава М^о^Мпо^РегО^ характеристики которых указаны в табл. 2, параметр закрепления спинов составляет й!! ~(4,4-6,34)-106 см-1.

При частоте о < 2пуМ0 эффективное поле закрепления спинов

4—М,

о 0

й— * й— *

Для указанных образцов--------0,5 при / ~9,87 ГГц. Так как---< 1, то волновой вектор должен

быть равен к = —Р, р=1,2,3..., то есть тем значениям, которые имеют место в пленке при й

полной свободе поверхностных спинов, а следовательно, амплитуда основного пика будет превышать амплитуды следующих пиков, что и наблюдается экспериментально. При й~ (15-30) мкм волновой вектор к~(2-1)-103 см-1, т.е. должны возбуждаться дипольные спиновые волны. Анализ распространения МСВ [6,12] в пленках феррошпинелей даст значения волновых чисел ~(100-800) см-1.-

Оценим радиус магнитодипольного взаимодействия согласно [10]:

Я ~ М 0 й т на ’

где й - толщина пленки; На - поле анизотропии, М0 - намагниченность насыщения. Значение поля анизотропии и Ят приведены в табл. 4 и 5, намагниченности насыщения - в табл. 2,3. Поле анизотропии для пленок состава Mg0 25Мп0 75Бе2О4 найдено из спектров ФМР на частоте 9,87 ГГц.

Таблица 4

Пределы изменения магнитных параметров пленок исходного состава МпхГез_х04, синтезированных при различных температурах и скоростях роста

Параметры МпРе2О4 на частоте 8,82 ГГц Мп0,65Ре2,з5О4 на частоте ’ 10,89 ГГц

4-1060 °С 4-935 °С, ир ~3 мкм/мин 4-1100 °С, ир ~3 мкм/мин 4-980 °С, ир ~1,2 мкм/мин

ир ~2,2 мкм/мин ир ~5-6 мкм/мин

На, Э 139-153 119-146 120-160 193-246 148-199

Ят, см (2,2-3,2)-10-3 (5,8-6,8)-10-3 (3,6-4,7)-10-3 (1,7-7,3)-10-3 (2,3-7,4)-10-3

Ан[100]; Э 19-20 3 4 -6 2 9 4 - 7 2 11-77 16-38

НР[100]5 Э 1912-2042 1970-2529 2120-2250 1920-2562 1936-2545

Нр[110], Э 1655-2428 1732-2271 1880-1930 1429-2182 1641-2175

ДЯ[110], Э 19-39 8 9 - 2 8 28-53 18-99 31-73

а[100] (0,97-1,12)-10-2 (1,1-2,0)-10-2 (1,2-2,2)-10-2 (0,5-2,6)-10-2 (0,8-3,5)-10-2

а[110] (1,2-2,2)-10-2 (4,3-5,7)-10-2 (1,5-2,8)-10-2 (0,9-5,0)-10-2 (1,4-4,0)-10-2

Т[100] , с (10,1-9,3)-10-9 (4,1-7,9)-10-9 (4,2-7,7)-10-9 (0,6-2,8)-10-9 (0,4-1,5)-10-9

*[110] , с (5,2-9,8)-10-9 (1,3-2,5)-10-9 (3,4-5,1)-10-9 (0,3-1,7)-10-9 (0,4-1,0)-10-9

Таблица 5

Структурные и магнитные параметры пленок исходного состава М§0,25Мп0,75Ее2О4

№ об- Ят, см 1, мкм -2 п, см На, Э -^[100^ Hр[110], ДН[100Ь а т, с

разца Э Э Э

2 2,78-10-3 1,6-4,4 9,5-106 213 2030 1605 60 3,2 -10-2 0,5 -10-9

4 9,7-10-3 5,4-9,4 5,3-106 110 1990 1770 30 1,5 -10-2 1,1-10-9

Анализируя данные (см. табл. 4,5) можно видеть, что радиусы магнитодипольного взаимодействия слабо зависят от состава и технологических условий получения и составляют ~ 10-3 см. Наибольшее значение Ят~10'2 см соответствует крупноблочной пленке (см. рис.1 а) с плот-

ностью дислокаций п~10 см- . Размеры блоков либо превышают радиус магнитодипольного взаимодействия, либо соизмеримы.

Эффективный параметр затухания и время релаксации. Экспериментальные данные из спектров ферромагнитного резонанса позволяют рассчитать [10] эффективный параметр затухания а = АН, где АН - полуширина резонансной кривой; Нр - резонансное поле, а эффектив-

И,

ное время релаксации т =

1

аа

где а - частота, на которой проводилось исследование.

Результаты исследований (см. табл. 4,5) показали, что для образцов с хаотическим распределением дислокаций и высоким удельным сопротивлением р~106 Ом • см наблюдается минимальное значение а~(5,1-8,5) -10-3 и соответствующее им время релаксации г~(2,86-1,72) -10-9 с. Уменьшение скорости роста при одной и той же температуре ведет к снижению коэффициента затухания и степени дефектности структуры. С увеличением частоты (8,8-11,4) ГГц, на которой проводились исследования ФМР, коэффициент затухания растет, оставаясь в пределах одного порядка.

Потери магнитостатических волн характеризуются параметром диссипации [2] а г = у • АНк , где АНк - ширина резонансной кривой. При малых потерях, когда к"<к' , параметр затухания

ґ

а = а

1 +

Л

и 0

где ам = у- 4РМ 0, а аИ = у

И о -

2К1

м,

ат =°гр -к" , °гр

групповая скорость МСВ. Оценки

о 0

величин АНк, К], М0 из исследований дисперсионных зависимостей поверхностных МСВ и интерферрограмм для состава Mg0,25Mno,75Fe2O4 по методике, изложенной в работе [6], приведены в табл. 6.

Релаксационное затухание волн Дэймона-Эшбаха вычислялось по формуле [13]

АН к

2лМ 0

а

где коэффициент г)0 = 2---+1 также приведен в табл. 6.

аМ

Таблица 6

Параметры пленок исходного состава М§0,25Мп0,75Ее2О4

№ образца Но, Э Г, ГГц Мо, Гс Кі, эрг/см3 ^Ик, Э ДН к Ь=76,4 - ДНЬ дБ/мкм а из данных по ФМР на частоте 9,87 ГГц

2лМ 0

2 700 5,2 5,49 394 -9,5 -104 5 9 2,2 -10'3 4,0 -10'3 382 687 3,2 -10'2

3 600 3,99 4,6 224 -2,1-104 35 55 3,2 -10'2 5,0 -10'3 2674 4202

5 700 5,6 6,0 268 -1,3104 8 10 8.3 -10'3 10.3 - 10-3 634 787

6 400 3,3 3,99 278 -2,2 -104 27 38 1,8 -10'2 2,5 -10'2 2062 2903 7,5 -10'2

1 400 3,69 3,99 216 -0,98 -104 37 43 3,4 -10'2 3,9 -10-2 2827 3285 3,7 -10'2

Статья [12] 620 4.4 358 -6.09 -104 20 1,1-10-2 1528

Релаксационное затухание волн Дэймона-Эшбаха для рассматриваемых образцов составляет ~ (10- -10-), причем 10- соответствует образцам с высокой степенью пластической деформации (рис.2 б,в). Для сравнения в табл. 6 приведены оценки релаксационного затухания для пленки состава Mn0.8Fe2.2O4, результаты исследования распространения МСВ в которой

описаны в работе [12]. Затухание МСВ на единицу времени распространения [14] составляет L~(400-4000) дБ/мкс. Минимальные значения L=102 дБ/мкс соответствуют образцам с размером блока ~10- см (рис. 1 б) и хаотическим распределением дислокаций (рис.2 а).

Для образцов со свободными спинами на поверхности DHk ~const, тогда как с закрепленными спинами DHk возрастает с частотой. Результаты исследований (см. табл. 6) позволяют сделать вывод о закреплении спинов на поверхности для пленок исходного состава Mg0>25Mn0>75Fe2O4.

Объяснить рост DHk с увеличением частоты можно, предположив, что рост DHk связан с изменением эффективности возбуждения обменных волн. Обменные волны приводят к дополнительному обменному вкладу в декремент ПМСВ (k"). Величина дополнительных потерь определяется эффективностью возбуждения обменных волн, которая в свою очередь определяется условиями закрепления спинов на поверхности.

Направление намагниченности в объеме и на поверхности пленки могут различаться на некоторый угол в, поскольку могут быть различными эффективные магнитные поля в объеме и на поверхности пленки. В этом случае эффективность возбуждения обменных волн будет определяться степенью перекрытия эллипсов прецессии намагниченности в объеме и поверхностном слое пленки. Величина угла в будет уменьшаться с ростом Н0, что приведет к более эффективному возбуждению обменных волн, росту обменных добавок в затухание, росту DHk от частоты ПМСВ.

Таким образом, для монокристаллических пленок марганцевых и магний-марганцевых феррошпинелей можно сделать следующие выводы:

размеры блоков 1 ~(10-4-10-2) см превышают радиусы обменного взаимодействия Яобм ~10-6 см и соизмеримы с радиусами магнитнодипольного взаимодействия Rm~10-3 см;

константа наведенной магнитной анизотропии Кг~103 эрг/см3, параметр закрепления спинов на свободной поверхности ~ 106 см-1, что свидетельствует о слабом закреплении спинов и возбуждении дипольных спиновых колебаний и волн с k<104 см-1;

эффективный параметр затухания спиновых колебаний и волн а ~10- , время релаксации т~10-9 с, затухание МСВ на единицу времени распространения L~(102-103) дБ/мкс, значения а~10-3 и т~0,1-10-9 с, L~102 дБ/мкс могут быть получены путем снижения степени дефектности структуры, изменением химического состава и технологических условий: уменьшением температуры синтеза и скорости роста;

рост DHk с частотой для магнитостатических волн, по-видимому, связан с изменением эффективности возбуждения обменных волн.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Митлина Л.А. Физико-химические основы получения, дефектности структуры и свойств монокристаллических пленок феррошпинелей (обзор) // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. 2004. № 30. С. 114-149.

2. ВашковскийА.В., СтальмаховВ.С., ШараевскийЮ.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Изд-во Саратовск. ун-та.1993, 315 с.

3. Митлина Л.А, Пец А.В., Молчанов В.В. Анизотропия пленочных монокристаллов магний-маргнанцевого феррита наведенная пластической деформацией.// Изв. Вузов. Физика. 1982. № 3. С. 31-34.

4. Паршин А.С., Чистяков Н.С. Объемные и поверхностные спиновые волны в монокристаллических пленках марганцевого феррита. // ФТТ. 1978. Т. 20. Вып. 11. С. 3513-3515.

5. Митлина Л.А., Левин А.Е., Великанова Ю.В., Кривошеева Е.В, Виноградова М.Р. Влияние границ блоков на сопротивление деформации в эпитаксиальных феррошпинелях // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. 2003. № 19. С. 111-117.

6. Митлина Л.А., ВеликановаЮ.В., Ерендеев Ю.П., Ляшенко С.В., Сидоров А.А., КривошееваЕ.В.Анализ характеристик МСВ, распространяющихся в ферритовых пленках // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. 2004. № 27. С. 25-32.

7. Крупичка С. Физика ферритов и родственных им магнитных окислов. М.: Мир, 1976. 353 с.

8. Смит Я., Вейн Х. Ферриты. М.: Изд-во иностр. лит.-ры, 1962. 498 с.

9. ПраттонМ. Тонкие ферромагнитные пленки. Л.: Судостроение, 1967. 265 с.

10. Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш. Физические свойства и применение магнитных пленок. Новосибирск: Наука, 1975, 219 с.

11. Митлина Л.А, Сидоров А.А., Харламов А.Д. Неоднородные моды ФМР в пленках марганцевых феррошпинелей. // Изв. вузов. Физика, 1987. № 11. С. 57-61.

12. Анфиногенов В.Б., Митлина Л.А., Попков А.Ф., Сидоров А.А., Сорокин В.Г., Тихонов В.В. Магнитостатические волны в пленках феррошпинели. // ФТТ. 1988. Т.30. № 7. С. 2032-2039.

13. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е, Луговской А.В. Влияние неоднородного обмена и диссипации на распространение поверхностных волн Дэймона-Эшбаха в ферромагнитной пластине // ФТТ. 1981. Том 23.Вып. 4. С. 1136-1142.

14. Вапнэ Г.М. СВЧ устройства на магнитостатических волнах // ЦНИИ Электроника. Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ. 1984. Вып. 8. 80 с.

Поступила 2.02.2005 г.

УДК 621.373.826

Г.Д. Гуреев, Д.М. Гуреев

ЛАЗЕРНОЕ И ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН

Экспериментально исследовано влияние толщины металлической пластины на глубину зоны закалки ее поверхности непрерывным лазерным излучением. Из сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими зависимостями, основанными на моделях полубесконечной среды, тонкой пластины и промежуточной модели, получено эмпирическое аналитическое соотношение, связывающее глубину зоны закалки с параметрами лазерного воздействия, теплофизическими характеристиками материала пластины и ее толщиной. Показано, что предварительное ультразвуковое деформирование поверхности пластины ведет к дополнительному возрастанию глубины зоны ее последующей лазерной закалки.

Введение. К настоящему времени проведены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования процессов, протекающих в поверхностных слоях металлов при кратковременном воздействии на них лазерного излучения, и получены результаты, имеющие важное фундаментальное и прикладное значение [1-4]. Вместе с тем использование этих результатов в применении к лазерной термообработке поверхности металлических пластин в инженерной практике не всегда оказывается успешным. Одной из основных причин этого является отсутствие простого аналитического соотношения, связывающего геометрические размеры зон лазерной термообработки с параметрами лазерного воздействия, теплофизическими характеристиками материала пластин и их толщиной в явном виде.

В соответствии с этим цель данной работы состояла в выводе такого аналитического соотношения на основе собственных экспериментальных исследований и в дополнительном изучении возможностей совмещенного лазерно-ультразвукового воздействия в процессах локального термомеханического упрочнения поверхности металлических пластин.

Методика эксперимента. В качестве образцов нами использовались пластины из стали 40Х в исходном отожженном состоянии. Толщина пластин варьировалась от 1 до 7 мм. Для уменьшения коэффициента отражения лазерного излучения поверхность пластин покрывалась ~ 40 мкм слоем черной типографской краски.

Лазерная обработка поверхности пластин осуществлялась непрерывным излучением твердотельного УАО:К^лазера ЛТН-103 (длина волны излучения 1.06 мкм). Излучение мощностью 135 и 145 Вт с помощью оптической системы СОК-1 фокусировалось в пятно диаметром 1 мм. Скорость перемещения луча по поверхности пластин составляла 4 мм/с.

При совмещенной лазерно-ультразвуковой обработке поверхности пластин предварительное пластическое деформирование поверхности осуществлялось путем ввода в нее ультразвуковых колебаний через конусообразный концентратор полуволновой длины, который крепился к торцу подключенного к выходу ультразвукового генератора УЗГ1-1 магнитострикционного преобразователя ПМС1-1 и поджимался к поверхности вблизи пятна фокусировки лазерного излучения с усилием 50 Н. Частота ультразвуковых колебаний составляла 22 кГц, амплитуда -до 45 мкм, мощность - до 1 кВт.

Схемы лазерной и лазерно-ультразвуковой обработок поверхности пластин приведены на рис. 1.

Геометрические параметры, микромеханические характеристики и структурно-фазовый состав формирующихся при лазерной и лазерно-ультразвуковой обработках зон исследовались с применением методов металлографии, микродюриметрии и рентгеновского фазового анализа.

90