способ уменьшения намагниченности магнитных оксидных материалов

Формула изобретения

Способ уменьшения намагниченности магнитных оксидных материалов путем их освещения светом, отличающийся тем, что, с целью обеспечения перехода пленок EuO и Eu_1-xSm_xO из ферромагнитного в парамагнитное состояние, освещение проводят светом с длиной волны 0,4 0,7 мкм при температуре жидкого азота с интенсивностью h, исключающей нагрев пленок и удовлетворяющей условию



где I₀ начальный темповый ток, мА;

n коэффициент, равный 1,2 1,5,

и изменение магнитного состояния фиксируют по изменению энергии активации E(эВ).л

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в микроэлектронике и оптоэлектронике для записи и считывания информации.

Известен способ фотонамагничивания марганецсодержащих ферритов [1] при их освещении лазерным светом в постоянном магнитном поле (=632,8 нм) при комнатной температуре. Установлено большое время релаксации этой намагниченности (10³ часов), что может быть использовано для оптической записи информации. Недостатком данного способа является необходимость использования постоянного магнитного поля.

Известен способ реализации фотоферромагнитного эффекта в магнитном полупроводнике CdCr₂Sl₄ [2] Регистрировались изменения частоты f автогенератора, в LС-контур которого в качестве индуктивности включена катушка с сердечником из CdCr₂Sl₄. В качестве недостатка данного способа следует указать необходимость изготовления сердечника из полупроводникового материала, что накладывает условия на площадь полупроводника и ограничивает применение способа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ уменьшения намагниченности в кристаллах литиевого феррита под действием света, описанный в [3] Сущность способа заключается в том, что происходит уменьшение магнитной проницаемости путем их освещения вольфрамовой лампой при температуре жидкого азота. Измерения проводились посредством записи временной зависимости выходного напряжения катушки, намотанной на образец. Недостатком является то, что уменьшение магнитной проницаемости нестабильно во времени.

Целью настоящего изобретения является обеспечение перехода пленок EuO; Eu_1-xSm_xO из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

Указанная цель достигается тем, что проводят освещение образцов светом с длиной волны 0,4 0,7 мкм при температуре жидкого азота с интенсивностью L (лк), исключающей нагрев пленок и удовлетворяющей условию6 ,

где I_o начальный темновой ток, мА;

n коэффициент, равный 1,2 1,5.

Изменение магнитного состояния фиксируют по изменению энергии активации.

При выполнении указанного соотношения освещение магнитной пленки вызывает переход ионов европия из магнитного состояния Eu²⁺ в немагнитное Eu³⁺, т. е. пленка под действием света размагничивается. Температура соответствует температуре Кюри выбранных материалов.

В известной авторам научно-технической и патентной литературе не обнаружено описание фотоспособа уменьшения намагниченности, в котором обеспечивается переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние при использовании следующего режима освещения: длина волны 0,4 0,7 мкм, интенсивность такова, что логарифм отношения освещенности к темновому току по модулю меньше или равно 25, но больше или равно 2,5.

В связи с изложенным можно сделать вывод о соответствии заявленного решения критерию существенные отличия.

На фиг. 1 представлена структура энергетических зон для магнитного атома европия, на фиг. 2 для немагнитного. При освещении магнитной пленки имеют место два процесса, протекающие навстречу друг другу фиг. 3:

появление фотоэлектронов усиливает косвенный обмен, обуславливая тем самым спиновое упорядочивание, спиновую ориентацию, намагниченность пленки растет;

если энергия поглощаемого фотона относительно мала, т.е. нет нагрева пленки, то при фотовозбуждении электрона в зону проводимости 4 f оболочка переходит из магнитного (фиг. 1) в немагнитное (фиг. 2) состояние. Следовательно, при поглощении света ионы Eu²⁺ переходит в немагнитное состояние Eu³⁺, тем самым намагниченность пленки падает.

Если выбрать пленку с сопротивлением, обеспечивающим ток I_o, и интенсивность освещения L, то можно добиться того, что первый процесс (ориентационный) уступает второму (размагничивающему). Доказательством являются следующие результаты.

Многочисленными измерениями, проведенными в лаборатории, установлено, что энергия активации процесса проводимости магнитной пленки EuO или Eu_1-xSm_xO равна 0,3 эВ, а немагнитной Eu₂O₃ 0,03 эВ. При освещении магнитной пленки в указанном режиме энергия активации процесса проводимости уменьшается с 0,3 до 0,03 эВ, т.к. уровень 5 d занят, переходы электронов (0,3 эВ) на него невозможны и энергия активации (0,03 эВ) отражает переходы внутри зоны проводимости или температурную зависимость подвижности. Следовательно, имеет место процесс, ведущий к размагничиванию пленки.

Способ реализуется следующим образом. Выбирают магнитную пленку с сопротивлением, обеспечивающим протекание тока I_o, именно тока, т.к. важным является число темновых электронов в пленке. Далее освещают белым полихроматическим светом с =0,4 0,7 мкм, что соответствует h=3,1 1,8 ЭВ и обуславливает переходы с 4 f в зону проводимости.

Величина интенсивности света L выбирается такой, чтобы пленка при освещении не нагревалась. Мы выбрали L=4 x 10³ лк. Считаем, что у нас источник типа А, для которого справедливо соотношение

1 Вт 683 лм (при l=0,554 мкм).

Интенсивности света в 4 х 10³ лк соответствует поток 4 x 10³ лк x 10^-6 м²=4 x 10^-3 лм, где площадь S=10^-6 м². При этом выделяется энергия, равная

.

Известно (Фотоиндуцированный магнетизм, УФН, 1986, т. 148, вып. 4, стр. 561 602), что при энергии света, равной 6 х 10^-4 дж/см², теплового эффекта нет, а при 3 х 10^-2 дж/см² есть нагрев. Из расчета следует, что падающая на наш образец мощность не вызывает нагрева образца фотонами, т.к. 6 х 10^-6 дж/см² меньше 3 х 10^-2 дж/см² на четыре порядка величины.

Указанному в формуле условию может быть дано следующее объяснение. Известно, что

I_ф=I_oe^-E/kT (1)

где I_ф фототок,

I_o темновой ток,

E энергия активации,

k постоянная Больцмана,

T температура.

С другой стороны I_ф=aLⁿ (2), где L интенсивность света в лк, n коэффициент, равный для халькогенидов европия 1,5 1,2, a - коэффициент, имеющий размерность [a/лм] равен 1.

Приравнивая (1) и (2), получаем

Lⁿ= I_oe^-E/kT.

Проведя несложные преобразования, будем иметь



Известно, что E изменяется от 0,3 эВ для магнитного материала до 0,03 эВ для немагнитного. Следовательно,

.

Разделив левую и правую части равенства на кТ (при Т=100 К, кТ=0,008 эВ) и взяв выражение для средней части неравенства по модулю, получаем

.

Логарифм числа безразмерная величина, слева и справа после деления на кТ также получим безразмерные величины. Пределы равенства заданы энергиями электронных переходов и обсуждать в данном случае запредельные значения не имеет смысла.

Параметр, по которому контролируются свойства, энергия активации E.. Предварительно надо измерить температурную зависимость электропроводимости, т.е. произвести градуировку образца.Один раз измеренную зависимость строят в координатах ln 10³/T, представленную на фиг. 3. Получают график, на котором имеется семейство прямых: верхняя для L=0 (освещение отсутствует), образец магнитный, поэтому величина энергии активации или наклон этой прямой равен 0,3 эВ в соответствии с формулой. При освещенности и дальнейшем ее увеличении наклон прямых уменьшается (соответственно прямые для L₁, L₂, L₃ L_n). При освещенности, равной 4 х 10³ лк, получаем нижнюю прямую с наклоном 0,03 эВ в соответствии с формулой изобретения.

Таким образом, все получаемые при эксплуатации материала значения электропроводности (и намагниченности) ограничены этими двумя прямым. Зная температуру и электропроводность, найдем точку на плоскости и узнаем, какому магнитному состоянию материала она соответствует. Или обратная задача: задаем необходимое магнитное состояние материала и выбираем на графике, какие для этого надо взять значения температуры и освещенности.

Была проведена проверка способа. Изготовлены магнитные пленки Eu_1-xSm_xO толщиной 0,2 мкм, темновой ток I_o=10^-2 мА, энергия активации 0,3 эВ. После освещения светом от монохроматора Y2-7 (l=0,7 мкм) энергия активации уменьшилась на порядок и стала равной 0,03 эВ. Пленка размагнитилась.

Следует отметить, что в технической и научной литературе в качестве параметра, характеризующего магнитное состояние материала, используется либо температурная зависимость квантового выхода, либо фоточувствительность. Эти параметры так же, как и в нашем случае, определяются электронными переходами. Однако нами выбран наиболее чувствительный параметр, т.к. наклон кривой, скорость изменения величины (производная функция), каковой является энергия активации DE, всегда изменяются сильнее, чем абсолютное значение величины. К тому же измерить E гораздо проще, чем перечисленные выше параметры. Это одно преимущество предлагаемого способа. Другим является простота. Известно, что большинство методов размагничивания состоит либо в нагреве, либо в приложении переменного электрического и магнитного полей.