Краткий отчёт по Проекту РНФ № 14-22-00279 за 2017-2018 гг.

"Фундаментальные поисковые исследования в области магнетизма, фазовых превращений, магнитоэлектроники и микросистемной техники"

В ходе проекта научными группами, входящими в состав коллектива, выполнялись теоретические и экспериментальные исследовательские работы в области новых магнитных материалов и их физических свойств, которые, как предполагается, могут послужить  основой для расширения областей их применения в информатике, связи, нанотехнологии, фотонике, электронике и т.д.

В частности, теоретическое изучения волновых процессах в различных магнитных материалах и структурах обусловлены тем, что, расширяющееся проникновение информационных технологий во все области повседневной жизни требует дальнейшего совершенствования устройств обработки цифровой информации, в первую очередь реализуемого представлением такой информации в форме сверхкоротких электрических импульсов. Весьма обещающим здесь является освоение фемтосекундного диапазона длительности импульсов, реализуемого путем воздействия света от фемтосекундного лазера на металлические пленки, обладающие магнитупругими свойствами. Важнейшим вопросом здесь является исследование колебаний намагниченности в магнитоупругой среде при ударном воздействии упругого смещения. Рассмотрено воздействие на магнитную пластину конечной серии последовательно следующих друг за другом упругих импульсов. Выявлено нарастание частоты магнитных колебаний, отражающее рост амплитуды упругого смещения.

Другим важным вопросом является исследование дисперсионных свойств электромагнитных и магнитостатических волн в касательно намагниченной ферритовой пластине. Рассмотрены особенности дисперсии гиромагнитной волны и выявлена полоса частот, где гиромагнитная волна имеет поверхностный характер, а выше и ниже этой полосы – объемный характер.

В ферритовой пластине с диссипацией исследована дисперсия прямых и обратных (диссипативных) поверхностных магнитостатических волн. Приведены дисперсионные кривые, а также характеристики групповой скорости при изменении действительной и мнимой частей волнового числа. В пределах полосы поверхностного характера волны обнаружены две ветви – низкочастотная и высокочастотная, отмечено взаимное расталкивание ветвей этих волн, образующее запрещенную зону, характерную для аномальной дисперсии, известной в оптике.

Еще одним важным материалом для создания информационных устройств являются композиционные гранулированные пленки «металл-диэлектрик», для которых решающее значение имеет СВЧ динамическая проводимость. В качестве физического механизма, лежащего в основе формирования такой проводимости, принята модель внутригранулярных токов.

Другим перспективным композитом для СВЧ применений является графеносодержащий шунгит. В проекте показано, что при малом содержании углерода динамическая проводимость шунгита близка к статической, а при высоком – превышает таковую более чем на порядок. Данные интерпретированы на основе структурного фактора. Выполнено исследование структурных свойств шунгита методом электросиловой спектроскопии. Показано, что статистический анализ полученных бинарных карт позволяет неразрушающим путем определить концентрацию углерода, характерный размер углеродных и кварцевых включений, а также интегральную проводимость материала в целом.

Исследовано влияние магнитоупругого взаимодействия на прецессию положения равновесия в нормально намагниченной двухслойной ферритовой структуре в условиях ориентационного перехода по намагниченности. Показано, что характерная область существования прецессии равновесия значительно расширяется, что сопровождается сильно нелинейными, в том числе квазихаотическими режимами возбуждения.

Выполнено обобщение полученных результатов, касающихся поведения ферромагнитного резонанса и магнитостатических волн в магнитных средах в условиях ориентационных переходов по намагниченности, результатом чего явились две монографии.

Исследованы особенности обратного эффекта Фарадея в структуре графен-диэлектрик металл и влияние упругих статических напряжений на величину обратного эффекта Фарадея. Показано, что внешнее упругое напряжения позволяют изменять величину обратного эффекта Фарадея до нескольких процентов в материалах с высокими значениями постоянных Верде. В структуре графен – антиферромагнитный диэлектрик поверхностной электромагнитной волной, возможно возбуждение спиновых и упругих волн за счет магнитоэлектрического и магнитоупругого взаимодействий в антиферромагнетике. Амплитуды возбуждаемых волн зависят от интенсивности и частоты поверхностной электромагнитной волны и характеристик магнитного материала. Получено условие существования поверхностной электромагнитной волны ТЕ – поляризации. в структуре диэлектрик – графен – диэлектрик. Возможность распространения ТЕ поверхностной волны зависит от диэлектрических проницаемостей диэлектриков и мнимой части проводимости графена. Исследовано возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов в деформированном слое графена в геометрии Отто. Наличие деформаций может приводить к возможности возбуждения поверхностных волн не только TM, но и ТЕ типа падающей электромагнитной волной. В определенных направлениях возбуждение плазмон-поляритонов в деформированном графене происходит более эффективно, чем в недеформированном.

Впервые показано, что в геометрии Фогта уже при нормальном падении квазиплоской волны на асимметричную слоистую структуру  нарушение пространственно-временной инверсии приводит к одновременному формированию и  углового и пространственного эффекта Гуса–Хенхен (незеркальные эффекты первого порядка) причем не только   при отражении, но  и  при прохождении. В частности в этом случае для  осевого луча нормально падающего гауссова пучка нарушается закон Снеллиуса  как при отражении,  так и при прохождении.   Найденные эффекты характеризуются невзаимностью не только к инверсии направления постоянной магнитной индукции, но и к перестановке местами негиротропных слоев окружающих гиротропный слой, а также  к инверсии направления постоянного внешнего электрического поля  нормального к границе раздела слоев.

В проекте продолжено также изучение ферромагнитных функциональных материалов с гигантскими эффектами изменения формы и энтропии, в частности получены следующие наиболее интересные результаты.

Методами индукционной и дуговой плавки с последующим гомогенизирующим отжигом и закалкой изготовлены слитки сплавов системы Fe-Ni-Co-Al-Ta-B. Показан эффект сверхупругости при температуре ниже 330 К. При измерении температурных зависимостей намагниченности обнаружен типичный для ферромагнетиков ход, который при понижении температуры от 335 К до 4 К сменяется неоднозначным гистерезисным поведением. Полученные данные можно объяснить комбинацией состояний «спинового» и «деформационного стекла».

Показано, что добавка  Cu в состав сплавов Гейслера семейства Ni₂MnGa значительно улучшает их функциональные свойства: сужается температурный гистерезис, увеличивается коэффициент сдвига по полю, повышается адиабатический магнитокалорический эффект (МКЭ), также снижается критическое поле структурного фазового перехода. Максимальный МКЭ, измеренный экспериментально в сплаве Гейслера Ni₂Mn_0,74Cu_0,26Ga в импульсном магнитном поле 500 кЭ при Т₀ = 313 К, составляет ΔT= 20,4 К. На основе теории фазовых переходов второго рода Ландау была разработана теоретическая модель, описывающая кинетику фазовых переходов и сопутствующих эффектов в твердотельных магнитных материалах в быстроизменяющихся полях. Применение закона 2/3 (ΔT пропорционально Н^2/3) вблизи точки Кюри совмещенной с мартенситным ФП позволяет судить, что магнитоструктурный ФП из аустенита в мартенсит в данном сплаве завершается в магнитном поле 230 кЭ, а обратный ФП в поле 80 кЭ.

Показано, что после изготовления сплавов Гейслера системы Ni_2,17Mn_0,78Ga_0.98Si_0,07 методом аргонно-дуговой плавки и применения дополнительной вакуумной переплавки в сплаве реализуется мартенситное превращение с относительно малым гистерезисом в 12°С. Термомеханическая обработка методом ковки позволяет за 7 переходов получить мелкозернистую структуру ограниченного объема в виде прослойки между крупными зернами. Формируется структура типа «ожерелье», в которой крупные зерна размером 100-200 мкм окружены прослойкой мелкозернистой структуры толщиной менее 10 зерен.

На синтезированных сплавах Гейслера семейства Ni₄₃Mn_(50-у)In_уCo₇, где 12.35 ≥ y ≥ 12.1 проведена дополнительная термическая обработка: отжиг в вакуумной печи при температуре 1023К продолжительностью 50 часов и охлаждение в вакуумной печи.

Измерение прямыми методами в сильных магнитных полях адиабатического изменения температуры и изотермического выделения тепла показало, что у дополнительно отожжённых образцов величины магнитокалорического эффекта уменьшилось.

С помощью технологии фокусированного ионного пучка была изготовлена серия композитных микро- и наноструктур из магнитного сплава Ni₂Mn_0,74Cu_0,26Ga с эффектом памяти формы. Была проведена серия экспериментов для визуального изучения проявления эффекта памяти формы в микро- и наноразмерных образцах магнитного сплава Ni₂Mn_0,74Cu_0,26Ga. В указанных микрообразцах обнаружен односторонний эффект памяти формы.

В ходе проекта, на этапе 2018 года продолжено исследование новых материалов для нанофотоники. Предложена и разработана принципиально новая технология кристаллизационного отжига тонких и сверхтонких пленок феррит-гранатов с толщинами от единиц до 100 нм, полученных методом магнетронного радиочастотного распыления.

Практическая реализация нового подхода к проведению кристаллизационного отжига аморфных пленок феррит-гранатов различных составов основана на использовании защитных слоев, препятствующих испарению гранатообразующих компонентов в процессе кристаллизационного отжига.

В результате проведенных работ и перехода от нанокристаллических феррит-гранатовых материалов к нанокомпозитным материалам было достигнуто снижение уровня оптического поглощения в пленках иттриевых феррит-гранатов и висмутсодержащих феррит-гранатов в видимой и ближней инфракрасной области спектра по сравнению с существующими аналогами. Полученные результаты открывают перспективы для применения разработанных нанокомпозитных материалов в интегральной магнитооптике, плазмонике и СВЧ-технике.

Предложенная методика кристаллизационного отжига магнетронных пленок феррит-гранатов экспериментально опробована на пленках висмутсодержащих феррит-гранатов и иттриевых феррит-гранатов. В качестве защитных слоев использовались тонкие пленки оксида иттрия или оксида висмута толщиной 2, 5 и 10 нм. В результате использования разработанной методики одновременно достигается снижение уровня оптических поглощения в области прозрачности и в области частичной прозрачности феррит-гранатов, достигается более высокая однородность пленки по ее толщине и увеличение магнитооптических характеристик пленок висмутсодержащих феррит-гранатов с номинальными толщинами в 5, 10 и 20 нм.

В ходе исследования сверхчувствительных магнитометров на основе феррит-гранатовых пленок, работающих при комнатной температуре, показана возможность применения магнитометров на основе феррит-гранатовых пленок для построения систем ориентирования и связи в океане и под землей на глубине до 1000 метров. Получены оценки для предельной глубины при заданной частоте передачи данных. 

Исследовано распределения элементов по профилю интерфейса подложка-пленка в феррит-гранатовых структурах полученных различными технологическими методами. Полученные данные свидетельствуют о существенном, порядка 1 ф.е. нарушении стехиометрии по кислороду в объеме феррит-гранатовых пленок, полученных раствор-расплавными методами.