Магниторефрактивный эффект и магнитооптические спектры нанокомпозитов в видимой и ИК области спектра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Юрасов, Алексей Николаевич

• Юрасов, Алексей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Юрасов, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Оптические спектры гранулированных сплавов. Методы эффективной среды и их обобщение

1.1.1 Методы эффективной среды в оптике дисперсных сред

1.1.2 Определение методов эффективной среды.

1.1.3 Приближение Максвелла-Гарнетта.

1.1.4 Приближение Бруггемана (ЕМА).

1.1.5 Симметризованное приближение Максвелла-Гарнетта (СМГ).

1.1.6 Размерный эффект в оптических спектрах.

1.2 Магнитооптические спектры гранулированных сплавов

1.2.1 Магнитооптические эффекты.

1.2.2 Расчет полного тензора диэлектрической проницаемости в приближениях МГ, ЕМА и СМГ.

1.2.3 Магнитооптические свойства гранулированных сплавов.

1.2.4 Влияние магнитного поля на оптические свойства. Магниторефрактивный эффект

Глава 2. ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ГРАНУЛ НА ОПТИЧЕСКИЕ И МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ

ГРАНУЛИРОВАННЫХ СПЛАВОВ

2.1 Учет конфокальности эллипсоидальных частиц в симметризованном приближении Максвелла-Гарнетта (СМГ).

2.2 Влияние размерного эффекта на диагональные и недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости.

2.3 Расчет оптических и магнитооптических спектров нанокомпозитных систем с учетом размерного эффекта.

2.4 Выводы к Главе 2.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ И МАГНИТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ГИБРИДНЫХ

МУЛЬТИСЛОЕВ Co/Si

3.1 Оптические спектры гибридных мультислоев

3.2 Магнитооптические спектры гибридных мультислоев

3.3 Выводы к Главе 3.

Глава 4. МАГНИТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЛЕНКАХ С ТУННЕЛЬНЫМ

МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕМ

4.1 Особенности частотной зависимости МРЕ для нанокомпозитов.

4.2 Модель полубесконечного пространства и бесконечно тонкой пленки.

4.3 Зависимость МРЭ при малых углах падения света от магнитосопротивления нанокомпозита.

4.4 Сравнение рассчитанного эффекта с экспериментальными данными

4.5 Выводы к Главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магниторефрактивный эффект и магнитооптические спектры нанокомпозитов в видимой и ИК области спектра»

Магнитные нанокомпозиты, в которых ферромагнитные гранулы с размером, близким к однодоменному, хаотически расположены в диэлектрической матрице, представляют собой класс наноструктурных магнитных материалов с необычными и перспективными для практических приложений свойствами. Наличие в таких системах гигантского [1-3] и туннельного [4] магнитосопротивления, гигантского аномального эффекта Холла [5-7], большой магнитооптической активности [8-11], аномального оптического поглощения [12] и др. представляет как фундаментальный, так и практический интерес. Магнитные гранулированные сплавы находят применение в средах для магнитной записи, в том числе с магнитооптическим считыванием информации. Они используются, как высокочувствительные магниторезистивные датчики и миниатюрные • магнитосчитывающие головки [3], селективные усилители и модуляторы света [13], приемники теплового излучения [14-21] и электрохромные дисплеи [22-23].

Принципиальным отличием нанокомпозитов от гранулированных систем металл-металл является наличие перехода металл-диэлектрик при определенной концентрации металла, называемой порогом перколяции. Вблизи этого перехода кардинально меняются все свойства нанокомпозитов. Наличие туннельных контактов вблизи порога перколяции, классического и квантового размерного эффекта приводит к многообразию наблюдаемых эффектов.

Наряду с трехмерными нанокомпозитами металл-диэлектрик, большой интерес представляют трехмерные системы ферромагнитный металл - немагнитный полупроводник и ферромагнитный металл — антиферромагнетик, а также квазидвумерные гибридные мультислои, в которых ультратонкие слои нанокомпозитов разделены диэлектрическими прослойками.

К настоящему времени отсутствует теоретическое описание оптических и особенно магнитооптических свойств таких систем. Создание теории является необходимым для интерпретации экспериментальных результатов, для поиска новых материалов, для разработки методов оптической спектроскопии неоднородных материалов, а также в связи с общей задачей описания взаимодействия электромагнитного излучения с неоднородными средами.

В данной работе проведено теоретическое исследование оптических и магнитооптических свойств ферромагнитных нанокомпозитов и систем на их основе, типа гибридных мультислоев (слои металла и диэлектрика). А также в ней предпринята попытка объяснения ряда экспериментальных k данных недавно полученных на кафедре магнетизма МГУ. В частности решались следующие задачи:

1.Рассчитывались оптические и магнитооптические спектры ферромагнитных нанокомпозитов в рамках методов эффективной среды с учетом квазиклассического размерного эффекта и производилось сравнение с экспериментом.

2. Проводилось исследование оптических и магнитооптических свойств гибридных мультислоев

3. Для ферромагнитных нанокомпозитов рассчитывался новый эффект-магниторефрактивный эффект. Исследовалась его поляризационная и угловая зависимости.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Юрасов, Алексей Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведем основные результаты диссертации

1. Квазиклассический размерный эффект оказывает существенное влияние на оптический отклик гранулированной системы вблизи порога перколяции в ближней ИК области, но не существенен для оптических спектров разбавленных систем.

2. Показано, что размерный эффект изменяет амплитуду, профиль и даже знак магнитооптического сигнала в ближней ИК области спектра. Размерный эффект ярко выражен в системах с большим аномальным эффектом Холла. Учет всех поправок, связанных с размерным эффектом, позволяет лучше описать имеющиеся экспериментальные данные для оптических и магнитооптических свойств гранулированных сплавов.

3. МРЭ в нанокомпозитах обусловлен наличием туннельного магнитосопротивления, значительно больше чем в металлических слоях с гигантским магнитосопротивлением и может на два порядка превышать традиционные магнитооптические явления. Спин-зависящее туннелирование существует вплоть до оптических частот. Максимального значения МРЭ на отражении достигает для р- поляризованного света при угле падения близком к углу падения Брюстера.

4. В условиях интерференции света МРЭ значительно возрастает, что позволяет усилить МРЭ.

5. Рассчитаны оптические и магнитооптические спектры гибридных систем в рамках макроскопической френелевской магнитооптики с использованием модифицированного метода эффективной среды. Аномально высокое оптическое поглощение и высокая магнитооптическая активность в гибридных мультислоях связаны с близостью композиционного состава слоев к порогу перколяции и наличием интерференции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Юрасов, Алексей Николаевич, 2003 год

1. . А. Е. Berkowitz, А. Р. Young. Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 3745.

2. J. G. Xiao, J. S. Jiang. Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 3749.

3. A. B. Ведяев, A. Б. Грановский. Природа. 8 (1995) 72.

4. A. Miller, A. Gerber. Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 475.

5. A. Pakhomov, X. Yan and Y. Xu. Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 3497.

6. A. Granovsky, F. Brouers, A. Kalitsov, M. Chiev. J. Magn, Magn. Mat. 166(1997) 193.

7. A.B. Ведяев, А.Б. Грановский, A.B. Калицев, Ф. Брауерс. ЖЭТФ. 112(1997)2198.

8. H.R. Khan, А. Granovsky, F. Brouers, E. Ganshina, J.P. Clerc, M.Kuzmichev. JMMM. 183 (1997) 127.

9. E. Ganshina, A. Granovsky, V. Gushin, M. Kuzmichov, P. Podrugin, A.Kravetz, E. Shipil. Physica A. 241 (1997) 45.

10. E. Ganshina, R. Kumaritova, A. Bogoroditsky, M. Kuzmichov, S. J.Ohnuma. Magn. Soc. Japan. 23 (1999) 379.

11. A.Granovsky, M. Kuzmichov, J.P. Clerc. J. Magn. Soc. Japan. 23 (1999)382.

12. А.Н.Драченко, А.Н.Юрасов, И.В.Быков, Е.А.Ганьшина,А.Б.Грановский, В.В.Рыльков, Д.В.Смирнов, Ж.Леотен, Б.Диени. Физика Твердого Тела 45 (2001) 897

13. R.W. Tokarski, J. P. Marton. J. Vac. Sci. And Technol. 12 (1975) 643.

14. L. Harris, R.T. McGinnes, B.M. Sigel. J. Opt. Soc. Amer. 38 (1948) 582.

15. E.K. Plyer, J.J. Ball. J. Opt. Soc. Amer. 38 (1948) 988.

16. L. Harris, J.K. Beasley. J. Opt. Soc. Amer. 42 (1952) 134.

17. B.H. Синцов. Журнал прикл. Спектроскопии, 4 (1966) 503.

18. Е. Ando. Jar. J. Appl. Phys. 11 (1972) 986.

19. D.R. McKenzie. J. Opt. Soc. Amer. 66 (1976) 249.

20. P. Strimer, X. Gerbaux. Infrared. Phys. 21 (1981) 37.

21. R.E. Anderson, J.R. Crawford. Appl. Opt. 20 (1981) 2041.

22. E.K. Sichel, J.I. Gittleman, J. Zelez. Appl. Phys. Lett. 31 (1977) 109.

23. E.K. Sichel, J.I. Gittleman. Appl. Phys. Lett. 33 (1978) 564.

24. J. С M. Gamett. Philos. Trans. R. Soc. London 203 (1904) 385.

25. G.A. Niklasson, C.G. Granqvist. J. Appl. Phys. 55 (1984) 3382.

26. D. A, G. Bruggeman. Ann. Phys. (Leipzig) 24 (1935) 636.

27. P. Sheng. Phys. Rev. Lett. 45 (1980) 60.

28. B.Dieny, S.Sankar, M.R.Mc.Cartney, D.J. Smith, P. Bayle-Guillemaud,A.E. Berkowitz. J. Magn. Magn Mat. 185 (1998) 283.

29. И.В.Быков, E.A. Ганьшина, А.Б. Грановский, B.C. Гущин. ФТТ. 42(1999) 487.

30. D. Bozec, V.G. Kravets, J.A.D. Matthew, S.M. Thompson, J. Appl. Phys.91 (2002) 8795.

31. A. Грановский, В. Гущин, И. Быков, А. Козлов, Н. Кобаяши, Онума, Т. Масумото, М. Инуе. Физика твердого тела, 45 (2003) 867.

32. А. Грановский, В. Гущин, И. Быков, А. Козлов, А. Юрасов, Ю.Калинин, М. Инуе. ЖЭТФ, 123 (2003) 1256. 33., Ю. и. Петров. Физика малых частиц. М.: Наука (1982) 359 с.

33. J. Vlieger, D. Bedeaux. Thin SoHd Films. 69 (1980) 107.

34. P. Sheng. Phys. Rev. В - Solid State. 22 (1980) 6364.

35. L.J. Bergman. Phys. Rev. Lett. 44 (1980) 1285.

36. J.M. Gerady, M. Ausloos. Phys. Rev. В - Solid State. 22 (1980)4950.

37. J.M. Gerady, M. Ausloos. Surface Sci. 106 (1981) 319.

38. P.J. Price. IBM J. Res. Develop, 4 (1960) 152.

39. М.И. Каганов, М.Я. Азбель. ЖЭТФ 27 (1954) 00.

40. А.Б. Грановский, М.В. Кузьмичев, А.Н. Юрасов. Вестник МГУ. Серия

41. Физика. Астрономия. 6 (2000) 67.

42. G. Fahsold, А. Bartel, О. Krauth, N. Magy and А. Pucci. Phys, Rev. В. 61(2000) 14108.

43. A.B. Соколов, Оптические свойства металлов,М.,1961

44. М. Фарадей, Экспериментальные труды по электричеству. Т.З Пер. сангл.- Л.: Ленинградское из-во АН СССР, 1959

45. А.К. Звездин, В.А. Котов, Магнитооптика тонких пленок, М., 1988

46. Н. В. Старостин, Феофилов П. П., Магнитная циркулярнаяанизотропия в кристаллах, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 4

47. Smith S. D., Magneto-Optics in crystals, в книге: Encyclopedia of Physics(Handbuch der Physik), v. 25, pt. 2a, B. - a. c . , 1967.

48. C.B. Вонсовский, Магнетизм, М.: Наука, 1971

49. Физическая энциклопедия, М.: Большая Российская энциклопедия,1990-98

50. Г.С. Кринчик. Физика магнитных явлений. М.: Изд-во МГУ (1985).

51. Г. Кринчик, Л. В. Никитин, О. В. Касаткина. Поверхность. Физика,химия, механика. 7 (1985) 140.

52. Р. М. Xui and D. Stroud. Appl. Phys. Lett. 50 (1987) 950.

53. T. K. Xia, P. M. Xui, D. Stroud. J. Appl. Phys. 67 (1990) 2736.

54. J.C. Jacquet, T. Valet. MR5 Symposium Proceeding 384 (1995) 477.

55. A. Грановский, М.В. Кузьмичев, J.P. Clerc. ЖЭТФ. 116 (1999) 1762.

56. M.Gester,A.Schlapka, R.A.Pickford, S.M. Thompson, J.P.Camplin,J.K.Eve, E.M. McCash, J.Appl. Phys. 85 (1999)5045.

57. Н.Ф.Кубраков, А.К.Звездин, К.А.Звездин, В.А.Котов, ЖЭТФ 114(1998)1101.

58. G.M. Genkin, Phys. Lett., A 241 (1998) 293.

59. S.Uran, M. Gnmsditch, E.Fullerton, S.D. Bader, Phys.Rev.B 57 (1998)2705.

60. V.G. Kravets, D. Bosec, J.A.D. Matthew, S.M. Thompson, H. Menard,A.B. Horn, A.F. Kravets, Phys. Rev. В 65 (2002) 054415.

61. Т. Yoshida, К. Nishimura, M Inoue, Book of Abstracts 47* МММConference, Tampa, Florida, Nov. 2002, p. 103.

62. J. Camplin, S. Thompson, D. Loraine, D. Pugh, J. Collingwood, E.McCash, A. Horn J.Appl. Phys. 87 (2000) 4846.

63. J.A. Osbom. Phys.Rev. 67 (1945) 351.

64. A.B. Ведяев, А.Б. Грановский, O.A. Котельникова. Кинетическиеявления в неупорядоченных сплавах. М.: Изд-во МГУ (1992).

65. F. Brouers, А. Granovsky, А. Sarychev, А. Kalitsov. Physica А. 241 1997284.

66. М.М. Кириллова, Б.А.Чариков. Оптика и спектроскопия.17 (1964)254.

67. А.В. Granovsky, A.B. Khanikaev, N. Kioussis, A.V. Kalitsov JMMMMagma (2003) 13823

68. A. Ханикаев, A. Грановский, Ж.П. Ютерк Физика твердого тела 44(2002) 1537.

69. E.A. Ганьшина, А.Б. Грановский, Б. Диени, Р.Ю. Кумаритова, А.Н.Юрасов ФТТ. 42 (2000) 1860.

70. В.М. Маевский. ФММ. 59 (1985) 213.

71. А. Granovsky and М. Inoue. J. Magn. Soc. Korea 8 (2002) 45.

72. Г.С. Кринчик, M.B. Четкий. ЖЭТФ 36 (1959) 1924.

73. Г.А. Болотин. ФММ 39 (1975) 731.

74. Г.С. Кринчик, B.C. Гущин. Письма в ЖЭТФ 10 (1969) 1969.

75. М. Buttiker, R.Landauer, Phys.Rev.Lett. 49 (1982) 1739.

76. А. Granovsky, А. Kozlov, А. Yurasov, М. Inoue, J.P. Clerc inNanostructured Magnetic Materials and their Applications, ed. Kluwer Academic Publishers, B. Aktas, L. Tagirov (2004) (in press).