ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ ВХОДНОГО СИГНАЛА НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПЛЁНКАХ ЖЕЛЕЗО-ИТТРИЕВОГО ГРАНАТА НА ПОДЛОЖКАХ КРЕМНИЯ

 

Интерес к изучению плёнок железо-иттриевого граната на подложках кремния обусловлен совместимостью процесса их изготовления с полупроводниковыми технологиями, что делает возможной интеграцию на одном чипе устройств магноники и электроники. Однако особенности распространения спиновых волн в плёнках железо-иттриевого граната на полупроводниковых подложках, в частности, с ростом входной мощности сигнала, остаются слабоизученными.

В данной работе при помощи векторного анализатора цепей и СВЧ зондовой станции было исследовано влияние мощности входного сигнала на распространение поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в макете типа линия задержки на основе плёнки железо-иттриевого граната на кремниевой подложке, полученной ионно-лучевым распылением.

Обнаружено, что характер зависимости мощности выходного сигнала ПМСВ (Pout) от уровня падающей мощности (Pin) существенно определяется положением частоты ПМСВ относительно частоты fmax, соответствующей максимуму прохождения ПМСВ в спектре передачи макета. Для частот f > fmax зависимость Pout(Pin) демонстрирует спад с ростом мощности, тогда как на частотах f < fmax наблюдается максимум, что качественно отличается от характера зависимостей Pout(Pin) для случая эпитаксиальных пленок железо-иттриевого граната на подложках гадолиний-галлиевого граната.

Указанная особенность связывается с более высоким (на два порядка) уровнем затухания спиновых волн в пленках железо-иттриевого граната на подложках кремния, по сравнению с эпитаксиальными структурами «железо-иттриевый гранат–гадолиний-галлиевый гранат». В результате в пленках железо-иттриевого граната на подложках кремния пороги параметрической неустойчивости ПМСВ существенно возрастают, и на характер зависимости Pout(Pin) оказывает заметное влияние сдвиг спектра ПМСВ «вниз» по частоте, связанный с влиянием эффектов динамического размагничивания и термического нагрева пленки СВЧ-мощностью волны. Указанный эффект необходимо учитывать при определении порога параметрической неустойчивости спиновых волн в пленках железо-иттриевого граната на подложках кремния.

 

DOI: 10.18500/0869-6632-2017-25-1-35-51

 

Ссылка на статью: Сахаров В.К., Хивинцев Ю.В., Высоцкий С.Л., Стогний А.И., Дудко Г.М., Филимонов Ю.А. Влияние мощности входного сигнала на распространение поверхностных магнитостатических волн в плёнках железо-иттриевого граната на подложках кремния // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2017. Т. 25, No 1. P. 35–51.

 

Литература

1. Harris V.G., Geiler A., Chen Y., Yoon S. D., Wu M., Yang A., Chen Z., He P., Parimi P.V., Zuo X., Patton C.E., Abe M., Acher O., Vittoria C. Recent advances in processing and applications of microwave ferrites // JMMM. 2009. Vol. 321. P. 2035–2047.

2. Chen Z., Harris V.G. Ferrite film growth on semiconductor substrates towards microwave and millimeter wave integrated circuits // J. Appl. Phys. 2012. Vol. 112. 081101.

3. Glass H. Ferrite films for microwave and millimeter-wave devices // Proc. IEEE. 1988. Vol. 76. Issue 2. P. 151–158.

4. Андреев А.С., Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Кравченко В.Б., Луговской А.В., Огрин Ю.Ф., Темирязев А.Г., Филимонова Л.М. Распространение магнитостатических волн в плёнках железо-иттриевого граната субмикронной толщины // ЖЭТФ. 1984. Т. 86. Вып. 3. С.1005.

5. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Никитов С.А., Темирязев А.Г. Неустойчивость интенсивных магнитостатических волн в нормально намагниченных тонких ферромагнитных пленках // ФТТ. 1987. Т. 29, вып. 6. С. 1794–1798.

6. Adam J. D., Owens J.M., Collins J.H. Studies of FMR Linewidth in Thick YIG Films Grown by Liquid Phase Epitaxy // AIP Conference Proceedings. 1974. Vol. 18. P. 1279.

7. Syvorotka I.I., Syvorotka I.M., Ubizskii S.B. Thick Epitaxial YIG Films with Narrow FMR Linewidth // Solid State Phenomena. 2013. Vol. 200. P. 250–255.

8. Neusser S., Grundler D. Magnonics: Spin Waves on the Nanoscale // Advanced materials. 2009. Vol. 21. P. 2927–2932.

9. Kruglyak V.V., Demokritov S.O., Grundler D. Magnonics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43. 264001 (14 pages).

10. Sun X.Y., Du Q., Goto T., Onbasli M.C., Kim D.H., Aimon N.M., Hu J., Ross C.A. Single-step deposition of cerium-substituted yttrium iron garnet for monolithic onchip optical isolation // ACS Photonics. 2015. Vol. 2. P. 856–863.

11. Karim R., Oliver S.A., Vittoria C. Laser ablation deposition of YIG films on semiconductor and amorphous substrates // IEEE Trans. Magn. 1995. Vol. 31. Issue 6. P. 3485–3487.

12. Zheng H., Qin H., Zheng P., Deng J., Zheng L., Han M. Preparation of low ferromagnetic resonance linewidth yttrium iron garnet films on silicon substrate // Appl. Surf. Sci. 2014. Vol. 307. P. 661–664.

13. Yang Q., Huaiwu Z., Yingli L., Qiye W. Effect of post-annealing on the magnetic properties of Bi:YIG film by RF magnetron sputtering on Si substrates // IEEE Trans. On Magn. 2007. Vol. 43. Issue 9. P. 3652–3655.

14. Boudiar T., Payet-Gervey B., Blanc-Mignon M.-F., Rousseau J.J., Le Berre M., Joisten H. Magneto-optical properties of yttrium iron garnet (YIG) thin films elaborated by radio frequency sputtering // JMMM. 2004. Vol. 284. P. 77–85.

15. Stognij A.I., Lutsev L.V., Bursian V.E., Novitskii N.N. Growth and spin-wave properties of thin Y3Fe5O12 films on Si substrates // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 118. 023905.

16. Bandyopadhyay A.K., Rios S.E., Fritz S., Garcia J., Contreras J., Gutierrez C.J. Ion beam sputter-fabrication of Bi-YIG films for magnetic photonic applications // IEEE Trans. on Magn. 2004. Vol. 40. P. 2805–2807.

17. Yao S., Sato T., Kaneko K., Murai S., Fujita K., Tanaka K. Preparation of yttrium iron garnet thin films by mist chemical vapor deposition method and their magnetooptical properties // Jap. Jour. Appl. Phys. 2014. Vol. 53. 05FB17 (5 pages).

18. Rehspringer J.-L., Bursik J., Niznansky D., Klarikova A. Characterization of bismuthdoped yttrium iron garnet layers prepared by sol-gel process // JMMM. 2000. Vol. 211. P. 291–295.

19. Todorovska R., Groudeva-Zotova St., Todorovsky D., Tzvetkov G., Stefanov P. Highly crystalline Y3Fe5O12 thin films by citric spray pyrolysis // Jour. Mat. Synth. Proc. 2002. Vol. 10. Issue 5. P. 283–288.

20. Gurevich A.G., Melkov G.A. Magnetization Oscillations and Waves. Boca Raton. CRC Press, Inc. 1996. P. 445.

21. Stancil D.D., Prabhakar A. Spin waves. Theory and application. New York, USA. Springer Science + Business Media, LLC. 2009. P. 355.

22. Мелков Г.А. Влияние параметрических возбужденных спиновых волн на процессы релаксации в ферритах // Физика твердого тела. 1975. Т. 17, вып. 6. С. 1728–1733.

23. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Влияние параметрически возбуждённых спиновых волн на дисперсию и затухание поверхностных магнитостатических волн в ферритовых плёнках // ЖЭТФ. 1999. Т. 115. Вып. 1. С. 318–332.

24. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Четырёхмагнонный распад поверхностных магнитостатических волн в плёнках железо-иттриевого граната // ФТТ. 1997. Т.39. No2. С. 330–338.

25. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферримагнетики/ Пер. с англ. А.Г. Гуревич. М.: Мир. 1965. 676 с.

26. Khivintsev Y., Kuanr B., Fal T.J., Haftel M., Camley R.E., Celinski Z., Mills D.L. Nonlinear ferromagnetic resonance in permalloy films: A nonmonotonic power- dependent frequency shift // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 81. 054436 (6 pages).

27. Hurben M.J., Patton C.E. Theory of two magnon scattering microwave relaxation and ferromagnetic resonance linewidth in magnetic thin films // Jour. Appl. Phys. 1988. Vol. 83. P. 4344–4365.

28. Landeros P., Arias R.E., Mills D.L. Two magnon scattering in ultrathin ferromagnets: The case where the magnetization is out of plane // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 77. 214405.

29. Damon R.W. and Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab // J. Phys. Chem. Solids. 1961. Vol. 19. P. 308.

30. Schilz W. Spin-wave propagation in epitaxial YIG films // Philips Res. Reports. 1973. Vol. 28. P. 50–65.

31. Chikazumi S. Physics of Ferromagnetism. Second edition. Oxford University Press. 1997. See page 128 of total 655 pages.

32. Anderson E.E., Muhson H.J., Arajs S., Stelmach A.A., Tehan B.L. Critical Exponent β for the Magnetization of YIG. // J. Appl. Phys. 1970. Vol. 41. Issue 3. P. 1274– 1276.

33. Яковлев Ю.М. Генделев С.Ш. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике. М.: Советское радио. 1975. 360 с.; Стародубцев Ю.. Магнитные материалы: Энциклопедический словарь-справочник. М.: Техносфера. 2011. 640 с.

Статус: 
одобрено к публикации
Краткое содержание (PDF):