Поверхностные упругие, магнитостатические и магнитоупругие волновые процессы в неоднородных твердых телах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Кайбичев, Игорь Апполинарьевич

• Кайбичев, Игорь Апполинарьевич
• доктор физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Кайбичев, Игорь Апполинарьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Волны Рэлея в неоднородных материалах

1.2. * Волны Стоунли

1.3. ПАВ горизонтальной поляризации

1.4. Магнитостатические волны в однородных и неоднородных материалах

1.5. Поперечные поверхностные магннтоупругие волны

1.6. Вращательно - инвариантная теория магнитоупругих волновых процессов вдали и вблизи точки ориентационного фазового перехода

1.7. Выводы 119 2= ПОВЕРХНОСТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ОДНОРОДНЫХ И НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ

2.1. Волны Язва

2.2. Обобщенные волны Лява

2.3. Спектр ПАВ Лява для жесткого слоя и мягкого полупространства

2.4. Спектр обобщенных волн Лява для жесткого слоя между двумя мягкими полупространствами

2.5. Волны Лява в неоднородном приповерхностном слое

2.6. Поперечные ПАВ в неоднородном слое на границе контакта упругих изотропных сред

2.7. Волны типа Лява при точке поворота спектральной функции на поверхности среды

2.8. Обобщенные волны Лява при точке поворота спектральной функции на границе раздела двух сред

2.9. Выводы

3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ В СРЕДАХ С

ПРИГРАНИЧНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

3.1. ПАВ Рэлся в среде с приповерхностными неоднородностями

3.2. Дисперсионное соотношение волн Стоунли в средах с приграничными неоднородностями

3.3. Выводы

4. ЩЕЛЕВЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ

4.1. Щелевые магнитостатические волны в ферромагнетиках

4.2. Щелевые магнитостатические волны в ферромагнетиках с противоположным направлением намагниченностей

4.3. Магнитостатический аналог поверхностных упругих волн Лява

4.4. Поверхностные магнитостатические волны в ферромагнетике с неоднородностью магнитной одноосной анизотропии

4.5. Поверхностные магнитостатические волны при точке поворота спектральной функции на поверхности ферромагнетика

4.6. Выводы

5. МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ВДАЛИ

ОТ ТОЧКИ ОРИЕНТАЦИОННОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

5.1. Щелевые магнитоупругие волны в ферромагнетиках

5.2. Поперечные ПМУВ в системе полуограниченный ферромагнетик-металлический экран

5.3. Спектр ГЕМУВ Лява для жесткого диэлектрического или металлического слоя и мягкого ферромагнитного полупространства

Поперечные ПМУВ на границе раздела диэлектрик-ферромагнетик и металл-ферромагнетик Поперечные ПМУВ на границе раздела двух ферромагнетиков

Поверхностные магнитозвуковые волны в пьезомагнетиках Щелевые магнитозвуковые волны в пьезомагнетиках Выводы

6. МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ВДАЛИ

И ВБЛИЗИ ТОЧКИ ОРИЕНТАЦИОННОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА В РАМКАХ ВРАЩАТЕЛЬНО-ИНВАРИАПТНОЙ ТЕОРИИ

6.1. Спектр поперечных магнитоупругих волн и акустический эффект Фарадея в ферромагнетике

6.2. Вращательнс-инвариантная теория акустического двулучепреломления в ферромагнетике

6.3. Спектр поперечных магнитоупругих волн и акустический эффект Фарадея в тетрагональном антиферромагнетике

6.4. Выводы г» 4 тл ттгт/'"чт тт гтт"П зАКЛЮ чгттг,

СПИСОК АВТОРСКИХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ЛЛ1 / и •

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поверхностные упругие, магнитостатические и магнитоупругие волновые процессы в неоднородных твердых телах»

В физике твердого тела одной из центральных проблем является исследование характеристик упругих, магнитостатических и магнитоупругих волновых процессов. Находясь на границе науки и техники, этот раздел физики имеет огромную область технических приложений, В первую очередь это акустоэлек-троника, развитие которой обусловлено возможностями использования многообразных операций преобразования звуковых сигналов. Вторая, не менее важная область - ультразвуковая дефектоскопия, сделавшая доступным неразру-шающий контроль объема к поверхности материала. Третье - СВЧ техника, получившая большое развитие за последние 10 лет. Разнообразные устройства основаны на использовании магнитостатических и магнитоупругих волн.

Актуальность проблемы обусловила большое внимание к исследованию упругих, магнитостатических и магнитоупругих волновых процессов. Многие вопросы успешно решены, тем не менее, отмечается незавершенность и противоречивость суждений. Это мешает обобщению полученных результатов, снижает их значимость и ограничивает область использования. В значительной мере это откосится к распространению поверхностных акустических волн (ПАВ) в средах с приграничными неоднородностями произвольной функциональной формы; виду спектра обычных и обобщенных волк Лява для жесткого слоя и мягкого полупространства; спектру щелевых магнитостатических волн (1ДМСВ) при произвольных параметрах ферромагнетиков с противоположным направлением намагниченностей; существованию поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) Лява; ПМСВ в неоднородном слое; виду спектра поверхностных магнитоупругих волн (ПМУВ) Лява в жестком диэлектрическом или металлическом слое и мягком ферромагнитном полупространстве; к аналитическому построению кривых дисперсии щелевых магнитоупругих волн (ЩМУВ) в ферромагнетиках, ПМУВ в полуограниченном ферромагнетике при наличии металлического экрана на некотором расстоянии от его поверхности, а также на границе раздела двух сред; виду спектров поперечных магнитоупругих волн и акустическому эффекту Фарадея, Коттона-Мутона вдали и вблизи точки ориентадионного фазового перехода.

Целью диссертационной работы является исследование возможностей существования новых типов упругих, магнитостатических и магнитоупругих волновых процессов в твердых диэлектриках, уточнение ранее известных характеристик.

Задачи исследования:

- изучение существования ПАВ Лява в неоднородном приповерхностном слое произвольной функциональной формы, варианта обобщенных волн Лява в неоднородном слое в области контакта двух тел; а также спектра данных волн в однородном жестком слое и мягком полупространстве;

- рассмотрение ПАВ Рэлея и Стоунли в средах с приграничными неодно-родностями вертикального типа с произвольным функциональным видом, их особенностей для длинноволновой области;

- учет однонаправленности спектра ЩМСВ, магнитостатического аналога ПАВ Лява, а также ПМСВ в неоднородном слое;

- аналитическое построение кривых дисперсии ЩМУВ волн в ферромагнетиках; ПМУВ на границе раздела двух сред; ПМУВ в полуограниченном ферромагнетике при наличии металлического экрана на некотором расстоянии от его поверхности, спектр ПМУВ Лява для жесткого диэлектрического или металлического слоя и мягкого полупространства;

- изучение спектра поперечных магнитоупругих волн и акустического эффекта Фарадея, акустического двулучепреломления.

Решение перечисленных задач позволит обобщить имеющиеся результаты и дополнить существующие положения новыми представлениями.

Научная новизна работы . Разработаны теоретические положения по распространению волн Рэлея и Стоунли в средах с вер шкальными приграничными неоднородностями произвольной функциональной формы для длинноволновой области. Доказано существование обычных и обобщенных волн Лява в неоднородном слое произвольной функциональной формы с локальной скоростью поперечного звука, меньшей её значения в однородной среде. Предсказано существование единственной бездисперсионной волны Лява в материале с приповерхностными неоднородностями и точкой поворота на поверхности или границе раздела двух сред.

Показана близость спектра обычных, обобщенных и магнитоупругих волн Лява к поперечным нормальным модам при высоких частотах для ситуации жесткого слоя и мягкого полупространства.

В теории щелевых МСВ проведен корректный учет однонаправленности. Предсказан магнитостатический аналог ПАВ Лява в однородном и неоднородном ферромагнетике.

Аналитически определен спектр щелевых магнитоупругих волн в ферромагнетиках, кривые дисперсии ПМУВ волн в полуограниченном ферромагнетике с металлическим экраном на некотором расстоянии от его поверхности, ПМУВ на границах раздела ферромагнетик-диэлектрик, ферромагнетик-металл, двух ферромагнетиков.

Разработана вращательно-инвариантная теория акустических эффектов Фарадея в ферро- и антиферромагнетике, Коттона-Мутона в ферромагнетике.

Практическая ценность. Полученные в диссертации теоретические результаты могут быть использованы для экспериментальной оценки по дисперсии обычных и обобщенных волн Лява следующих величин: в длинноволновой области - интегральных параметров неоднородного слоя с локальной скоростью поперечного звука в среднем меньшей, чем в однородном материале; в коротковолновом диапазоне - определения монотонности квадрата локальной скорости поперечного звука или наличия точки минимума, поверхностных значений локальной скорости поперечного звука и ее первой производной, разности первых производных локальных скоростей поперечного звука двух сред на плоскости контакта или значения локальной скорости поперечного звука в точке минимума и ее второй производной. Результаты по распространению волн Рэлея и Стоунли в средах с вертикальными приграничными неоднородностями произвольного функционального вида могут оказаться полезными в акустоэлектронике.

Расширение теоретических представлений о поверхностных акустических и магнитоупругих волнах горизонтальной поляризации необходимо для дальнейших экспериментальных исследований в данной области.

Корректный учет однонаправленности в теории щелевых МСВ, предсказание магнитостатического аналога ПАВ Лява, аналитически построенные кривые дисперсии поверхностных магнитоупругих волн в ферромагнетиках представляют интерес для СВЧ-электроники.

Зависимость эффектов Фарадея, Коттона-Мутона во вращатедьно-инвариантной теории от константы магнитной анизотропии важна для магни-тоакустики. Она может быть причиной существования данных эффектов в ферромагнетиках с малой магнитострикцией, но большой анизотропией.

Автор защищает следующие положения:

- вид дисперсионных соотношений волн Рэлея и Стоунли в средах с вертикальными приграничными неоднородностями произвольного функционального вида для длинноволновой области, для обычных и обобщенных волн Лява в длинно- и коротковолновом диапазоне;

- интегральный тип связи характеристик поверхностных акустических волн с параметрами неоднородностей в длинноволновой области, спектр обычных и обобщенных волн Лява в коротковолновой области;

- критерий апроксимации среды со слабыми вертикальными приграничными неоднородностями произвольного функционального вида однородным материалом с объемными значениями параметров при рассмотрении волн Рэлея и Стоунли. Условия существования обычных и обобщенных волн Лява в длинно- и коротковолновых диапазонах.

- существование в коротковолновой области единственной моды волн Лява, не обладающей дисперсией фазовой скорости в неоднородных средах с точкой поворота спектральной функции на поверхности или границе раздела;

- спектр к распределение механических смещений обычных, обобщенных волн и поверхностных магнитоупругих волн Лява в жестком слое и мягком полупространстве;

- существование нулевой моды обобщенных волн Лява с фазовой скоростью несколько меньшей её значения для полупространств и квадратичной дисперсией в длинноволновой области при равенстве механических параметров полупространств;

- аналитические формулы для двух однонаправленных мод ПМСВ на границе раздела различных ферромагнитных кристаллов, а также щелевых маг-нитостатических волн в ферромагнетиках. Условия возможности разделения мод щелевых МСВ по признаку симметрии распределения магнитного потенциала;

- причины появления магнитостатического аналога ПАВ Лява.

- аналитическое построение кривых дисперсии щелевых магнитоупругих волн в ферромагнетиках, поверхностных магнитоупругих волн в полуограниченном ферромагнетике с металлическим экраном на некотором расстоянии от поверхности, а также на границах раздела металл-ферромагнетик, диэлектрик -ферромагнетик.

- перенормировку и зависимость параметра магнитоупругой связи в акустических эффектах Фарадея, Коттона-Мутона от констант магнитострикции и магнитной анизотропии при уюте вращательной инвариантности;

- изменение зависимости угла вращения плоскости поляризации волны от частоты с квадратичной на корневую вблизи точки потери устойчивости.

- возникновение дополнительного члена в эффекте Коттона-Мутона, связанного с перенормировкой скоростей ультразвуковых волн.

Апробация работы . Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Кишинев, 1989), Всесоюзной конференции «Акусто-электронные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах» (Черкассы, 1990), XII Всесоюзной школе-семинаре «Новые маг

10 нитные материалы микроэлектроники» (Новгород, 1990), Семинаре по магни-томикроэлектронике (Алушта, 1991), V Всесоюзной школе по спин-волновой электронике СВЧ (Звенигород, 1991), XIII Всесоюзной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники (магнитные пленки)» (Астрахань, 1992), семинарах ИРЭ РАН.

Публикации . По теме диссертации опубликовано 32 статьи. Личный вклад. Проведение расчетов, их анализ, выбор и постановка задач исследования с соавторами.

Структура и объем диссертации . Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 583 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Кайбичев, Игорь Апполинарьевич

6.4. Выводы

В исследованиях устойчивости основного состояния кубического ферромагнетика с учетом вращательно-инвариантных слагаемых имелись противоречия между работами Барьяхтара и Турова [520], Барьяхтара, Витебского и др. [548]. Условия устойчивости спектра поперечных МУ волн и основного состояния в [520] совпадают, в точке ОФП происходит смягчение колебаний. По мнению авторов [548] возможно несовпадение условий устойчивости спектра и основного состояния. В случае свободного ферромагнитного тела основное состояние теряет устойчивость раньше, чем смягчается спектр, а при «зажатом» ферромагнетике точки потери устойчивости спектра и основного состояния совпадают. В работе [А30] определены условия устойчивости основного состояния и спектра, показано их несовпадение, установлена возможность фазового перехода раньше, чем смягчается спектр поперечных МУ волн.

Акустический эффект Фарадея экспериментально наблюдали и теоретически исследовали Маттеуе, Ле Кроу, Комсток [549,550], Мотожи [551]. Влияние вращательно-инвариантных слагаемых в свободной энергии ферромагнетика в литературе не исследовано. Учет вращательной инвариантности приводит к перенормировке параметра магнитоупругой связи, последний теперь зависит не только от константы магнитострикции, но и от константы магнитной анизотропии. Для тройных сплавов с участием актинидов, где реализован случай экстремально большой анизотропии, угол вращения плоскости поляризации волны не зависит от параметра магнитоупругой связи. Вблизи точки потери устойчивости он ~ / со , что качественно отлично от классической ситуации.

В антиферромагнетике есть противоречие по виду дисперсионного соотношения поперечных МУ между Пелетминским [519] и Савченко [552], Барьяхтаром и 'Гуровым [520]. В [А32] подтверждены результаты Савченко [552], Барьяхтара и Турова [520].

Устойчивость основного состояния тетрагонального антиферромагнетика с учетом вращательной инвариантности исследована Барьяхтаром и Туровым [520]. Оно совпадает с условием устойчивости спектра поперечных волн. Учет вращательно-ин вариантных слагаемых в плотности термодинамического потенциала тетрагонального антиферромагнетика при жестком закреплении приводит к несовпадению условий устойчивости основного состояния и спектра МУ волн [А32]. В точке потери устойчивости спектра изменяется частотная зависимость утла вращения плоскости поляризации в акустическом

I— эффекте Фарадея с ~ со ~ на ~ V со .В ситуации экстремально большой анизотропии угол вращения плоскости поляризации при низких частотах не зависит от магнитоупругой связи.

Эффект акустического двулучепреломления (Коттона- М у тон а) наблюдали в гранатах гадолиний-железа [553], магнетите ( Ге 3 О 4 ) и никеле [554], гадолиний, иттербий, тербий, диспрозий-гранатах железа [555]. Вращательио-инвариантная теория линейного акустического двулучепреломления разработана Туровым [564-566]. В [А31] показано, что учет вращательно-инвариантных слагаемых в плотности термодинамического потенциала приводит в эффекте Ко нона-Мутона к появлению дополнительного члена, связанного с перенормировкои скоростей ультразвуковых волн, вкладу магнитной кристаллографической анизотропии и может быть причиной его существования в высокоанизотропных кристаллах с малой магнитострикцией. При отсутствии магнитострикции имеет место линейная и квадратичная зависимости от константы магнитной кристаллографической анизотропии.