Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриковНИР

Magnetic

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
4 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа: Теоретически исследованы аномальные зарядовый и спиновый эффекты Холла в ряде наногетероструктур. В том числе, был исследован аномальный эффект Холла в двухслойной системе немагнитный металл/ферромагнитный изолятор с намагниченностью, вращающейся с заданной постоянной частотой. Это вращение вместе со спин-орбитальным взаимодействием типа взаимодействия Рашбы создает зарядовый и спиновый холловские токи, текущие вдоль межслойной границы. Амплитуда холловских токов рассчитана как функция частоты вращения и величины обменного расщепления в ферромагнитном изоляторе. 4.2. В рамках диффузной модели были рассчитаны спин-поляризованный ток и спиновая аккумуляция в гетероструктуре Cu/Pt/Fe, вызванные возникающем в парамагнитном металле спиновым эффектом Холла. Посредством численных расчетов была продемонстрирована возможность изменения направления намагниченности ферромагнитных квантовых точек с помощью поля спинового эффекта Холла. 4.3 Выполнены комплексные экспериментальные исследования магнитных, магнитооптических и магнитокалорических свойств тройных и четверных сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In, а также тройных сплавов Ni-Mn-Ga. Исследовались поликристаллические и монокристаллические объемные образцы, микропровода, полученные методом Улитовского –Тейлора, пленки и ленты. Магнитокалорический эффект определялся прямым и косвенным методом. Показано, что путем варьирования состава можно достичь значительных значений изменения температуры образцов в магнитном поле в окрестности мартенситного перехода. Комбинируя состав путем легирования различными элементами возможно перекрытие широкого температурного диапазона магнитного охлаждения. Показана высокая чувствительность основных параметров данных сплавов к составу, технологии изготовления, предистории, режимов измерения. Впервые достигнут большой магнитокалорический эффект в тройных сплавах Ni50Mn35In15. Показано, что добавление Co приводит к увеличению магнитокалорического эффекта только до 2% Co, а при дальнейшем увеличении концентрации Co эффект уменьшается. Впервые получены магнитооптические спектры лент Ni-Mт-In и монокристаллов Ni-Mn-Ga в мартенситном и аустенитном состоянии. 4.4. Установлены особенности структурных и магнитных свойств аморфных железо-обогащенных микропроводов, полученных с помощью модернизированного метода Улитовского-Тейлора. 4.5. Исследована дисперсия магнитоиндуктивных волн в дискретных магнитных метаматериалах в ГГц диапазоне. Исследовано различие в механизмах влияния магнитного и электрического взаимодействия на ширину пропускания МИ волн в ГГц диапазоне. 4.6. Произведен ремонт и отладка высокотемпературной рентгеновской камеры-приставки для дифрактометра «Гейгерфлекс». Расчитаны несоразмерные кристаллические фазы, наблюдающиеся в нестехиометрических сплавах Гейслера Ni-Mn-In в мартенситной фаз
5 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа:
6 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа: 1. Теоретически исследован новый механизм возникновения шума за счет флуктуаций вектора неравновесной намагниченности в латеральных спин-вентильных структурах. Показано, что отношение сигнал/шум убывает при уменьшении длины рассеяния электронов с переворотом спина. Таким образом, применение подобных структур в устройствах спинтроники наиболее эффективно при использовании сверхчистых материалов с большой длиной рассеяния электронов с переворотом спина. По результатам исследования сделан доклад на Ломоносовских чтениях (2016г.) и подготовлена статья в печать. 2. Теоретически исследован обратный спин-Холл эффект в латеральных спин-вентильных структурах. Показано, что данный эффект зависит от направления намагниченности ферромагнитного электрода анализатора, и, таким образом, подобные структуры могут использоваться как новый тип сенсоров магнитного поля. По результатам исследования сделан доклад на Международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника», Нижний Новгород, 14-18 марта 2016г.(Материалы симпозиума, том 1, стр. 151). Также подготовлена статья в печать. 4.3. Выполнены экспериментальные исследования магнитных, магнитокалорических, транспортных, магнитооптических свойств ряда тройных и четверных сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In в виде поликристаллических объемных образцов. В поле 14 Т методом экстракции проведены прямые измерения адиабатического изменения температуры трех образцов с различными температурами мартенситного перехода и установлено, что магнитокалорический эффект возрастает когда температура перехода приближается к температуре Кюри аустенитной фазы. В сильном поле эффект насыщается. Обнаружен эффект сильного влияния на величину адиабатического изменения температуры скорости нагрева образцов до приложения поля. Для образцов допированных бором и хромом получены полевые зависимости сопротивления Холла и определены коэффициенты нормального и аномального эффекта Холла. Обнаружено два пика изменения адиабатической температуры при легировании алюминием. Методом ЭПР подтверждено двойникование в мартенситной фазе. Проведено теоретическое исследование магнитокалорического эффекта в ферро- антиферромагнетиках с выходом за приближение среднего поля. Получены дополнительные вклады в теплоемкость за счет спин-спиновой корреляции. 4. Исследованы магнитооптические (МО) и оптические свойства разбавленных магнитных полупроводников (РПМ) Ga(In)MnAs c концентрацией Mn до 10%, полученных методом ионной имплантации и импульсным лазерным отжигом. Для всех образцов был обнаружен сильный магнитооптический отклик в области низких температур, температура появления ЭЭК (эффективная температура Кюри) зависела от концентрации Mn. Вид спектров ЭЭК имплантированных образцов существенно отличался от вида спектров ЭЭК, для систем Ga(In)MnAs, приготовленных методом лазерной абляции с температурами Кюри вблизи комнатной, магнетизм которых связан с присутствием кластеров MnAs. По данным магнитооптической и оптической спектроскопии вычислены спектры действительной, ’1(E), и мнимой, ’2(E), частей недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости. Положение особенностей в спектрах ЭЭК и ’2(E) изучаемых образцов сопоставляется с энергией переходов в критических точках зонной структуры полупроводниковых матриц GaAs и InAs. Наблюдаемые особенности в МО спектрах отнесены к переходам между обменно-расщеплеными валентной зоной и зоной проводимости. Сделан вывод о собственной природе ферромагнетизма в РПМ Ga(In)MnAs, полученных методом ионной имплантации и импульсным лазерным отжигом. Для серии GaMnAs слоев, выращенных лазерным напылением изучены магнитооптические и оптические свойства, также как и сопротивление, эффект Холла и намагниченность. Для некоторых образцов обнаружено появление ферромагнетизма в области температур ниже 80К. Установлено, что распределение Mn в них сильно неоднородно и что МО сигнал наблюдается от ферромагнитных включений (Ga,Mn)As с повышенной концентрацией марганца. Наблюдаемые особенности МО спектров связываются со значительным сдвигом уровня Ферми вглубь валентной зоны. Измерены магнитооптические спектры нанокомпозитов: (CoFeB) xC1-x в широкой области концентраций х. 5. Проведена разработка и сборка двумерного координатного стола и экспериментально получено распределение токов в метаатомах 2D магнитного метаматериала из 25 элементов с резонансной частотой 50.9 МГц. Методом обратной матрицы импедансов проведен расчет возбуждения магнитоиндуктивных волн в 2D магнитном метаматериале и получено хорошее согласие с результатами эксперимента. Впервые получены распределения поверхностных зарядов, распределение электрического и магнитного полей для одного и двух элементов вблизи резонансных частот, а также для линейной структуры, состоящей из большого числа элементов, представляющих собой дважды расщепленные кольцевые резонаторы с щелями, направленными друг к другу. Экспериментально и методами численного моделирования подтвержден преобладающий электрический характер взаимодействия элементов данного типа, а также с помощью аналитических расчетов были получены коэффициенты магнитного и электрического взаимодействия.
7 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа: 1. Построена теория анизотропного туннельного магнетосопротивления в туннельной спин – вентильной структуре. Показано, что величина анизотропного магнетосопротивления прямо пропорциональна туннельному магнетосопротивлению и меняет знак при изменении ориентации намагниченностей ферромагнитных электродов с параллельной на антипараллельную. Выполнен расчет величины обратного спинового эффекта Холла в бислое парамагнитный металл/ферромагнитный изолятор при возбуждении ферромагнитного резонанса в последнем слое. 2. Теоретически исследован новый механизм магнитооптических явлений в ферромагнитном металле при учете спин-орбитального взаимодействия в поле электромагнитной волны. Показано, что величина эффекта за счет этого механизма сравнима с его величиной за счет спин-орбитального взаимодействия в ферромагнетике. 3. Выполнены экспериментальные исследования магнитных, структурных, магнитокалорических и магнитотранспортных свойств ряда тройных и четверных сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In, легированных хромом и бором. Проведены исследования магнитокалорического эффекта при циклировании в магнитном поле до 14 Т и обнаружены кинетические эффекты, связанные с необратимостью при магнитоструктурном переходе. Методом магнитного силового микроскопа исследована микромагнитная структура поверхностной области образца в окрестности магнитоструктурного перехода и найдены двойники. Исследованы полевые и угловые зависимости микроволнового поглощения в условиях ферромагнитного резонанса для сплава Ni45Cr5Mn37In13 и обнаружена аномально широкая ширина линии ферромагнитного резонанса в несколько килоэрстед. Для образца легированного бором коэффициент нормального эффекта Холла меняет знак, что указывает на смену носителей тока при магнитоструктурном переходе. Корреляция между коэффициентом аномального эффекта Холла и сопротивлением в сплавах легированных хромом и бором не имеет места, что свидетельствует о важной роли вырожденных состояний в электронном спектре. По результатам исследований сплавов Гейслера опубликовано 4 статьи и 3 статьи принято в печать. 4. Изучены магнитооптические свойства наноструктур на основе переходных металлов с углеродом. Пленки углеродосодержащих гетерогенных систем Co41Fe39B20)Х(С)100-Х, (Co45Fe45Zr10)Х(C)100-Х и (Co)Х(C)100-Х были получены ионно-лучевым распылением составной мишени на ситалловые подложки, в широком диапазоне концентраций металлической фазы. Осаждение композитов осуществлялось как в среде чистого аргона, так и в смешанной среде аргона с добавлением водорода. Исследование структуры полученных композитов показало, что все композиты представляют собой трехфазные гетерогенные структуры, причем количество и вид углеродосодержащей фазы сильно зависит не только от концентрации С, но и от элементного состава металлических гранул. Анализ полевых зависимостей экваториального эффекта Керра (ЭЭК) показал, что в отличии от исследованных ранее композитов ферромагнитный металл - диэлектрик, в изучаемых композитах значения порога перколляции (пп), определенные по появлению ФМ порядка в композите не коррелируют со значениями пп определенными из транспортных измерений. Добавление Н в процессе напыления приводило к сдвигу порога перколяции в область больших х, и к росту величины ЭЭК. Вид спектров ЭЭК для Co41Fe39B20)Х(С)100-Х слабо зависел от х. Эволюция спектров ЭЭК для (Co)Х(C)100-Х с изменением концентрации металлических гранул свидетельствует о переходе от аморфных гранул СоС к кристаллическим гранулам Со в матрице углерода, что согласуется со структурными измерениями. Исследованы магнитооптические и оптические свойства разбавленных магнитных полупроводников GaMnAs, полученных методом ионной имплантации и импульсным лазерным отжигом. Положение особенностей в спектрах ЭЭК и МСД изучаемых образцов сопоставляется с энергией переходов в критических точках зонной структуры полупроводниковой матрицы GaAs. Наблюдаемые особенности в МО спектрах отнесены к переходам между обменно-расщеплеными валентной зоной и зоной проводимости. Эволюция особенностей МО спектров с ростом концентрации Mn объясняется с учетом неоднородности в распределении дырочных носителей и сдвигом уровня Ферми вглубь валентной зоны в областях с повышенной концентрацией носителей. 5. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование дисперсионных характеристик магнитоиндуктивных волн в магнитных метаповерхностях. Получены данные о влиянии величины коэффициентов взаимодействия метаатомов на ширину и направление каналов возбуждения метаповерхностей при центральном и угловом возбуждении. Показано, что возбуждение магнитоиндуктивных волн в метаповерхностях приводит к неоднородному распределению локальной магнитной восприимчивости вблизи резонансной частоты элементов, когда теория эффективной среды не может быть использована.
8 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа: 4.1. Построена теория шума в латеральных спин-вентильных структурах за счет флуктуаций вектора спиновой аккумуляции в парамагнитном спиновом канале. В рамках спин-диффузионной модели рассчитана восприимчивость данной структуры, и при использовании флуктуационно-диссипативной теоремы рассчитана амплитуда шума в этой системе. Показано, что эта амплитуда зависит от значения спин-диффузионной длины и при определенных значениях параметров модели шум за счет исследованного механизма может превосходить джонсоновский шум. 4.2. Разработана теория магнитооптических явлений в ферромагнитных металлах при учете нового механизма, ответственного за эти явления, а именно спин-орбитального взаимодействия с полем падающей электромагнитной волны. Рассчитана недиагональная компонента тензора проводимости, и показано, что ее величина сравнима с соответствующей величиной при учете спин-орбитального взаимодействия с полем ионов металлов. Также показано различие частотной зависимости этой компоненты проводимости для этих двух механизмов спин-орбитального взаимодействия. 4.3. Выполнены экспериментальные исследования магнитных, структурных, магнитокалорических и магнитотранспортных свойств ряда четверных сплавов Гейслера на основе Ni-Mn-In. Найдены зависимости основных магнитных параметр микропроволок в стеклянной оболочке Ni-Mn-Ga от термообработки. Выявлены релаксационные механизмы поведения магнитокалорического эффекта при циклировании в магнитном поле. Проведены исследования магнитосопротивления нанокомпозитов в импульсных магнитных полях до 20 T и обнаружено положительное магнитосопротивление, связанное с влиянием сильного магнитного поля на высоту туннельного барьера. Изучены транспортные, магнитные и мемристивные свойства наногранулированного композита (CoFeB)х(LiNbOy)100-х . На примере тонких пленок железа проведено сравнение двух методик измеренрия высокочастотной магнитной проницаемости - ФМР и метода короткозамкнутой линии. Изучены высокочастотные магнитные свойства стеклотекстолита с нанокомпозиционным функциональным тонкопленочным покрытием (Co40Fe40B20)60(SiO2)40. По результатам этих исследований сплавов опубликовано 8 статей.
9 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа: 1. Выполнено теоретическое исследование динамики формирования спинового сигнала в спин-вентильных структурах в условии сверхбыстрого изменения магнитной конфигурации данной структуры. 2. Построена теория нелинейных магнитооптических эффектов при учете спин-орбитального взаимодействия с полем падающей электромагнитной волны. 3. Выполнены исследования магнитных свойств, магнитокалорического эффекта, сопротивления, магнитосопротивления, Холловского сопротивления сплавов Гейслера NiMnIn-Cr в широком интервале магнитных полей до 20 кЭ и температур 70-350 К, включающем области мартенситной и аустенитной фаз. На основе этих данных выделены коэффициенты нормального и аномального эффекта Холла и проанализированы их температурные зависимости в рамках существующих теорий. Обнаружено, что коэффициент нормального эффекта Холла меняет знак в области мартенситного перехода, что указывает на смену знака основных носителей тока и двухзонный характер электронного транспорта, а поведение коэффициента аномального эффекта Холла не описывается известными соотношениями для корреляции этого эффекта с сопротивлением. 4. Развита теория распространения магнонов в одной и двух параллельных цепочках сферических частиц железо-иттриевого граната. В результате расчета спектра магнонов для двух параллельных цепочек при дипольном взаимодействии между ними найдены симметричная и антисимметричная мода, и при этом возможна перекачка энергии из одной цепочки в другую. 5. Исследованы структурные, магнитные, оптические и магнитооптические свойства нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)X(Al2O3)100–X, полученных методом ионного распыления в атмосфере Ar или Ar+N2, в исходном состоянии и после термомагнитного отжига. 6. Изучена концентрационная зависимость магнитооптических (ЭЭК) и оптических свойств образцов разбавленных магнитных полупроводников In1-xMnxAs (x=0.019-0.105) и In(Ga)MnAs, полученных ионной имплантацией с последующим импульсным лазерным отжигом. Обнаружен сильный магнитооптический отклик при низких температурах. Подтверждено отсутствие в образцах вторичных магнитных фаз и собственная природа низкотемпературного ферромагнетизма. Температурные и магнитополевые зависимости ЭЭК указывают на магнитную неоднородность слоёв в исследованном диапазоне концентраций Mn, что может быть связано как с неоднородным распределением ионов Mn, так и с электронным фазовым разделением. Методы магнитооптической спектроскопии при исследовании разбавленных магнитных полупроводников позволяют подтвердить собственную природу ферромагнитного упорядочения в них и получить информацию о магнитном и электронном фазовом разделении. 7. Получены экспериментальные и теоретические данные о частотных зависимостях и пространственном распределении локальной магнитной проницаемости метаматерилов при возбуждении однородным полем. Исследованы особенности поведения однослойной и двухслойной метаповерхностей при возбуждении однородным полем и отличие от отклика при локальном возбуждении. Показано, что при возбуждении двухслойных метаповерхностей (с планарным расположением метаатомов в виде расщепленных кольцевых резонаторов), происходит смещение полосы пропускания в область низких частот по сравнению с откликом однослойной поверхности, что объясняется положительным знаком коэффициента взаимодействия элементов обоих слоев. 8. Проведено экспериментальное и численное исследование возможности управления параметрами Стокса света, отраженного от магнитофотонных кристаллов, при помощи возбуждения в них блоховских поверхностных волн во внешнем магнитном поле. 9. Проведено исследование сверхбыстрой динамики оптических состояний на границе раздела фотонный кристалл/металлическая пленка, а также дифракционных эффектов в метаповерхностях на основе наноантенн арсенида галлия, при возбуждении в них магнитных дипольных резонансов.
10 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Магнитные, магнитотранспортные и магнитооптические свойства микро и макронеоднородных металлов, полупроводников и диэлектриков
Результаты этапа: 1. Построена схема расчёта частотной зависимости магнитооптических эффектов при учёте спин-орбитального взаимодействия электронов с полем падающей электромагнитной волны для конкретной модели электронной структуры ферромагнитного металла. Показано, что данный механизм является определяющим по сравнению с традиционно используемым механизмом, учитывающем спин-орбитальное взаимодействие с полем иона металла в рентгеновском диапазоне частот. В рамках этой же модели оценена величина обратного эффекта Фарадея квадратичного по напряжённости электрического поля падающей волны. 2. Исследовано сопротивление, магнетосопротивление, анормальный и аномальный эффект Холла в пленках сплава Гейслера NiMnGa c памятью формы. Обнаружены особенности в полевых зависимостях коэффициента аномального эффекта Холла, которые связаны с антиферрмагнитными корреляциями и влиянием магнитного поля на электронную структуру. 3. Предложен основанный на аппроксимации Паде метод расчета поля, действующего на частицы в одномерной цепочке плазмонных частиц. Рассчитан спектр магнонов и их распространение в цепочке эллиптических однодоменных частиц. Предложен магнонный переключатель на основе двух параллельных цепочек. Исследовано влияние магнон-плазмонного взаимодействия на распространение спиновых волн в цепочке ферромагнитных и антиферромагнитных частиц и полосках, показано, что оно сильно зависит от затухания магнонов. 4. Проведены исследования магнитных и магнитооптических свойств нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)Х(MgF2)100-Х с полиэлементной ферромагнитной фазой в бескислородной диэлектрической матрице из фторида магния на подложках из стекла и ситалла. Методами магнитооптической спектроскопии выявлены особенности, соответствующие фазовым структурным переходам в магнитных гранулах при переходе от аморфного сплава CoFeZr к нанокристаллическому сплаву CoFeZr на основе гексагональной решетки α-Co и при перестройке нанокристаллов CoFeZr от гексагональной плотноупакованной к кубической объемноцентрированной структуре. 5. Выявлено различие в поведении магнитооптического отклика в композитах на подложках из стекла и ситалла. При совместном анализе спектральных, полевых и концентрационных зависимостей экваториального эффекта Керра и рентгенодифрактограмм образцов нанокомпозитов на разных подложках установлено, что процессы самоорганизации при росте нанокомпозитов с увеличением концентрации металлической фазы зависят от материала и структурного состояния подложки. 6. Разработана и апробирована на экспериментальных результатах модель расчета локальной магнитной проницаемости метаповерхностей из расщеплённых кольцевых резонаторов, с учетом конечных размеров метаатомов в МГц диапазоне. Получено хорошее согласие экспериментальных, численных и теоретических результатов. 7. Исследование сверхбыстрой динамики оптических состояний на границе раздела фотонный кристалл/металлическая пленка, а также дифракционных эффектов в метаповерхностях на основе наноантенн арсенида галлия, при возбуждении в них магнитных дипольных резонансов. 7. Проведено исследование магнитных и гидродинамических свойств магнитоактивных микрочастиц, включающих наночастицы магнетита, методом магнито-оптического пинцета. Изготовлены образцы полимерных микроманипуляторов со встроенной магнитоактивной микрочастицей 8. Продемонстрирована энергоэффективная сверхбыстрая модуляция оптического сигнала за счет полностью оптического управления волновым фронтом света, рассеянного метаповерхностью из арсенида галлия при селективном возбуждении магнитных дипольных резонансов в ее метаатомах

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
2. Техническое задание по теме 01201154429 на 2017г TZ_2_magn_2017.pdf 142,9 КБ 21 декабря 2016 [granov]
3. аннотационный отчет по теме 01201154429 за 2016г otchet_2_magn_2016.pdf 214,7 КБ 21 декабря 2016 [granov]