Наиболее значимые результаты исследований лаборатории научного приборостроения

Особенности поведения магнитных характеристик вблизи
краев тонких пермаллоевых пленок

Авторы: Б. А. Беляев, Н. М. Боев, А. В. Изотов, Г. В. Скоморохов, П. Н. Соловьев.

 Методом локальных измерений на разработанном в ИФ СО РАН сканирующем спектрометре ферромагнитного резонанса (ФМР) исследованы магнитные характеристики нанокристаллических тонких пленок NiFe, изготовленных магнетронным распылением мишеней. Проведен анализ особенностей поведения основных магнитных характеристик пленок вблизи их краев. Обнаружено сильное отклонение поля одноосной магнитной анизотропии, резкое увеличение ширины линии ФМР и небольшое уменьшение эффективной намагниченности насыщения на краях пленок относительно их центральных участков. Показано, что на краях пленок возникает дополнительный эффективный вклад в одноосную анизотропию, причем механизмы, отвечающие за формирование этого дополнительного вклада и формирование одноосной анизотропии в центральной области пленки, имеют различную природу. Важным практическим результатом исследования является установление того факта, что наблюдаемые краевые эффекты увеличивают дисперсию поля одноосной анизотропии для всей пленки размером 10×10 мм примерно в два раза. В работе получены абсолютные значения магнитных характеристик и их относительные изменения на краях для пленок пермаллоя различного состава. Результаты будут полезны для разработчиков и исследователей устройств на тонких магнитных пленках, в частности, датчиков слабых магнитных полей.

Распределения магнитных характеристик по площади пленок Ni₈₀Fe₂₀. H_a – поле одноосной магнитной анизотропии, M_S – эффективная намагниченность насыщения. Белые штрихи показывают распределение осей легкого намагничивания.

Беляев, Б. А., Боев, Н. М., Изотов, А. В., Скоморохов, Г. В., Соловьев, П. Н.,
Особенности поведения магнитных характеристик вблизи краев тонких пермаллоевых пленок //
Известия высших учебных заведений. Физика. – 2020. – Т. 63. – №1. – С. 17–23.
DOI: 10.17223/00213411/63/1/17. (Impact Factor WoS – 0.616, Q4)

Измерительные головки сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса

Авторы ИФ СО РАН: Б. А. Беляев, Н. М. Боев, А. А. Горчаковский, Р. Г. Галеев

 Финансирование: работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства. Соглашение № 075-11-2019-054 от 22.11.2019.

Разработанные конструкции измерительных головок для сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса (ФМР) обладают чувствительностью примерно на порядок выше, чем у прототипа. Это позволило повысить качество визуализации распределений неоднородностей магнитных характеристик по площади образцов за счет существенного повышения точности их измерения на локальных участках. Степень локальности измерений определяется диаметром отверстия в экране миниатюрного резонатора в пределах 0.1–1.0 мм, которое одновременно служит источником высокочастотного магнитного поля и каналом связи измеряемого участка пленки с резонатором. Отношение сигнал/шум для головки с диаметром отверстия 0.8 мм, измеренное на пермаллоевой пленке толщиной 5 нм, не менее 10 дБ.

Эффективность использования разработанных головок для исследования природы и особенностей распределения магнитных неоднородностей по площади образцов продемонстрирована измерениями параметров одноосной магнитной анизотропии на пермаллоевой пленке толщиной 50 нм и размером 10×10 мм. Пленка сканировалась по всей площади с шагом 0.5 мм двумя головками с различными частотами, но с одинаковыми измерительными отверстиями диаметром 0.8 мм. Продемонстрирована высокая точность измерения величины и направления одноосной магнитной анизотропии H_a. Представленные в работе результаты будут полезны при решении ряда технологических, технических и многих научных задач, связанных с созданием новых магнитных материалов с заданными свойствами и разработкой устройств на их основе.

Распределения поля H_a (а) одноосной магнитной анизотропии по площади образца, измеренные с шагом 0.5 мм на частоте СВЧ-головки f = 2.96 ГГц и внешний вид (б) разработанной СВЧ-головки сканирующего спектрометра ФМР.

Беляев, Б. А., Боев, Н. М., Горчаковский, А. А., Галеев, Р. Г.
Измерительные головки сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса //
Приборы и техника эксперимента. – 2021. – №2. (DOI: 10.31857/S0032816221010249).

Широкополосный магнитометр слабых магнитных полей на основе микрополоскового резонатора с тонкой магнитной пленкой

Авторы: Бабицкий А. Н., Беляев Б. А., Боев Н. М., Изотов А. В., Бурмитских А. В.

Разработана и исследована новая конструкция магнитометра слабых магнитных полей на основе микрополоскового резонатора с тонкой магнитной пленкой, обладающей одноосной магнитной анизотропией. Разработанный датчик является универсальным магнитометрическим устройством и может использоваться при решении широкого круга научно-технических и исследовательских задач, например, при реализации различных методов электромагнитных геофизических исследований, в системах магнитной связи в качестве широкополосной антенны, в военных целях, в медицине и в охранной сигнализации. Разработанный датчик имеет малые массу и габариты, является простым и сравнительно дешевым при серийном производстве, при этом он обладает чувствительностью, превышающей более чем на порядок чувствительность известных конструкций тонкопленочных датчиков. Уровень собственных шумов датчика на частоте 1 Гц составляет 10^-11 Тл/Гц^1/2; на частотах более 10² Гц чувствительность датчика превышает чувствительность лучших феррозондовых преобразователей, а на частотах выше 10⁴ Гц, вплоть до частоты до 10⁶ Гц, уровень шумов снижается до 10^-13 Тл/Гц^1/2.

Слева на рисунке фотографии опытной партии разработанных магнитометров слабых магнитных полей и феррозонд английской компании Bartington Mag-13MCL100. Справа – измеренные зависимости уровней собственных шумов разработанных устройств и феррозонда Bartington Mag-13MCL100.

Датчик слабых магнитных полей: пат. 2682076 Российская Федерация: МПК7 G01R 33/24, G01R 33/02 /
Бабицкий А. Н., Беляев Б. А., Боев Н. М., Изотов А. В., Бурмитских А. В.;
заявитель и патентообладатель ФИЦ КНЦ СО РАН – №2018116292; заявл. 28.04.2018. опубл. 14.03.2019, Бюл. №8.