ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №11

УДК: 537.632.4, 539.23

МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ В НАНОРАЗМЕРНЫХ
СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ BiY₂Fe₅O₁₂, ПОЛУЧЕННЫХ
МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

М.С. Артемьев¹, Ю.П. Сухоруков¹, А.В. Телегин¹, С.В. Наумов¹,
С.С. Дубинин¹, А.П. Носов^1,2

¹Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН
620108, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

²Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова,
119991, Москва, Ленинские горы д. 1

Статья поступила в редакцию 28 марта 2025 г.

Аннотация. В настоящей работе исследованы особенности фарадеевского вращения света в видимой области спектра в тонкопленочных структурах на основе BiY₂Fe₅O₁₂ толщиной от 5 до 55 нм. Пленки Bi-допированного железоиттриевого граната, полученные методом магнетронного распыления на монокристаллических подложках из иттрий-алюминиевого (Y₃Al₅O₁₂) и гадолиний-галлиевого граната (Gd₃Ga₅O₁₂), демонстрируют магнитооптическое качество, сопоставимое с таковым для объемных образцов BiY₂Fe₅O₁₂. Установлено, что для исследованных наноструктур вклад подложек в спектральные и полевые зависимости эффекта Фарадея является определяющим. Определение магнитооптических параметров и постоянной Верде подложек позволило выделить вклад подложки и изучить особенности эффекта Фарадея для магнитных пленок с толщиной, меньшей или равной толщине релаксационного слоя на границе пленка/подложка. Отмечается, что в пленках BiY₂Fe₅O₁₂ с толщиной, меньшей толщины магнитно-мертвого слоя (около 5 нм), эффект Фарадея отсутствует. В то же время в пленках с толщиной более 25 нм удельное фарадеевское вращение составляет около 25 град/(мкм Тл) при комнатной температуре, что сопоставимо с данными для толстых пленок железоиттриевого граната, полученных, например, стандартным методом жидкофазной эпитаксии.

Ключевые слова: эффект Фарадея, железоиттриевый гранат, постоянная Верде, тонкие пленки, критическая толщина, магнитно-мертвый слой, интерфейсные явления.

Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России для ИФМ УрО РАН

Автор для переписки: Артемьев Михаил Сергеевич, mihailifmuroran@mail.ru

Литература

1. A.K. Zvezdin, V.A. Kotov. Moden magnetooptics and magnetooptical materials. Edit by J.M.D. Coey and D.R. Tilley in Institute of Physics Publishing: Bristol, Philadelphia, USA, 1997, p.381. https://doi.org/10.1887/075030362X.

2. Stadler B. J. H., Mizumoto T. Integrated magneto-optical materials and isolators: a review //IEEE Photonics Journal. – 2013. – Т. 6. – №. 1. – С. 1-15. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2013.2293618.

3. Kharratian S., Urey H., Onbaşlı M. C. Advanced materials and device architectures for magnetooptical spatial light modulators //Advanced Optical Materials. – 2020. – Т. 8. – №. 1. – С. 1901381. https://doi.org/10.1002/adom.201901381.

4. Alisafaee H., Ghanaatshoar M. Optimization of all-garnet magneto-optical magnetic field sensors with genetic algorithm //Applied optics. – 2012. – Т. 51. – №. 21. – С. 5144-5148. https://doi.org/10.1364/AO.51.005144.

5. Tan C. Z., Arndt J. Faraday effect in silica glasses //Physica B: Condensed Matter. – 1997. – Т. 233. – №. 1. – С. 1-7. https://doi.org/10.1016/s0921-4526(97)80001-t.

6. Qiu J., Hirao K. The Faraday effect in diamagnetic glasses //Journal of materials research. – 1998. – Т. 13. – №. 5. – С. 1358-1362. https://doi.org/10.1557/JMR.1998.0192.

7. Munin E., Roversi J. A., Villaverde A. B. Faraday effect and energy gap in optical materials //Journal of Physics D: Applied Physics. – 1992. – Т. 25. – №. 11. – С. 1635. https://doi.org/10.1088/0022-3727/25/11/011.

8. Starobor A. V. et al. Magnetoactive media for cryogenic Faraday isolators //Journal of the Optical Society of America B. – 2011. – Т. 28. – №. 6. – С. 1409-1415. https://doi.org/10.1364/JOSAB.28.001409.

9. Zvezdin S. V. et al. Anomalous field dependence of the Faraday effect in paramagnetic Gd₃Ga₅O₁₂ at 4.2 K //JETP lett. – 1983. – Т. 37. – №. 7.

10. Novotný P., Křižánková M., Boháček P. Investigation of Gd₃Ga₅O₁₂ by Micropolarimetry //Journal of Analytical Sciences, Methods and Instrumentation. – 2013. – Т. 3. – №. 1. – С. 13-16. http://doi.org/10.4236/jasmi.2013.31003.

11. Van der Merwe J. H., Francomber M. H., Sato H. Lattice mismatch and bond strength at the interface between oriented films and substrates //Single-crystal Films. – 1964. – С. С. 172.

12. Suturin S. M. et al. Role of gallium diffusion in the formation of a magnetically dead layer at the Y₃Fe₅O₁₂/Gd₃Ga₅O₁₂ epitaxial interface //Physical Review Materials. – 2018. – Т. 2. – №. 10. – С. 104404. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.104404.

13. Berzhansky V. et al. Magneto-optics of nanoscale Bi: YIG films //Applied optics. – 2013. – Т. 52. – №. 26. – С. 6599-6606. http://doi.org/10.1364/AO.52.006599.

14. Veis M. et al. Polar and longitudinal magneto-optical spectroscopy of bismuth substituted yttrium iron garnet films grown by pulsed laser deposition //Thin Solid Films. – 2011. – Т. 519. – №. 22. – С. 8041-8046. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.06.007.

15. Han Z. et al. Investigation on the growth and properties of six garnet single crystals with large lattice constants //Crystal Research and Technology. – 2021. – Т. 56. – №. 5. – С. 2000221. https://doi.org/10.1002/crat.202000221.

16. Euler F., Bruce J. A. Oxygen coordinates of compounds with garnet structure //Acta Crystallographica. – 1965. – Т. 19. – №. 6. – С. 971-978. https://doi.org/10.1107/S0365110X65004747.

17. Сизов Ф.Ф., Уханов Ю. И. Магнетооптические эффекты Фарадея и Фогта в применении к полупроводникам. Киев : Наукова думка, 1979.

18. Jesenska E. et al. Optical and magneto-optical properties of Bi substituted yttrium iron garnets prepared by metal organic decomposition //Optical Materials Express. – 2016. – Т. 6. – №. 6. – С. 1986-1997. https://doi.org/10.1364/OME.6.001986.

19. Iori F. et al. Bismuth iron garnet: Ab initio study of electronic properties //Physical Review B. – 2019. – Т. 100. – №. 24. – С. 245150. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.245150.

20. Kahl S., Popov V., Grishin A. M. Optical transmission and Faraday rotation spectra of a bismuth iron garnet film //Journal of applied physics. – 2003. – Т. 94. – №. 9. – С. 5688-5694. https://doi.org/10.1063/1.1618935.

21. Hasanpour A. et al. Preparation and magneto-optical properties of BiY₂Fe₅O₁₂ organic nanocomposite films //Journal of Magnetism and magnetic Materials. – 2007. – Т. 317. – №. 1-2. – С. 41-45. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2007.04.016.

22. Deb M. et al. Magneto-optical Faraday spectroscopy of completely bismuth-substituted Bi₃Fe₅O₁₂ garnet thin films //Journal of Physics D: Applied Physics. – 2012. – Т. 45. – №. 45. – С. 455001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/45/455001.

23. Wittekoek S. et al. Magneto-optic spectra and the dielectric tensor elements of bismuth-substituted iron garnets at photon energies between 2.2-5.2 eV //Physical review B. – 1975. – Т. 12. – №. 7. – С. 2777. https://doi.org/10.1103/physrevb.12.2777EP.

24. Hansen P., Krumme J. P. Magnetic and magneto-optical properties of garnet films //Thin solid films. – 1984. – Т. 114. – №. 1-2. – С. 69-107. http://doi.org/10.1016/0040-6090(84)90337-7.

25. Rubinstein C. B., Van Uitert L. G., Grodkiewicz W. H. Magneto‐optical properties of rare earth (III) aluminum garnets //Journal of Applied Physics. – 1964. – Т. 35. – №. 10. – С. 3069-3070. http://doi.org/10.1063/1.1713182.

26. Casals B. et al. Untangling the contributions of cerium and iron to the magnetism of Ce-doped yttrium iron garnet //Applied Physics Letters. – 2016. – Т. 108. – №. 10. https://doi.org/10.1063/1.4943515.

27. Krichevtsov B. B. et al. Substrate induced magnetic anisotropies and magneto-optical response in YIG nanosized epitaxial films on NdGG (111) //arXiv preprint arXiv:1901.10800. – 2018. https://doi.org/10.48550/arXiv.1901.10800.

Для цитирования:

Артемьев М.С., Сухоруков Ю.П., Телегин А.В., Наумов С.В., Дубинин С.С., Носов А.П. Магнитооптический эффект Фарадея в наноразмерных структурах на основе BiY₂Fe₅O₁₂, полученных методом магнетронного распыления. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.10