Structural, optical and magnetic properties of iron-garnet films after ionic etching

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The experimental results of studying the influence of ion etching of cation-substituted iron-garnets single-crystal films on their structural, magnetic, optical and magneto-optical properties are presented in article. It has been shown, that the ionic etching of the surface of single-crystallin garnets significantly decrease the surface roughness. An analysis of the domain structure, ferromagnetic resonance spectra, and magneto-optical hysteresis loops in a bismuth-substituted iron-garnet epitaxial film during layer-by-layer ion etching showed the presence of three different layers, the state of which changes relative to the compensation point, and the interlayer interfaces correspond to the transition through the compensation point. It has been shown, that the position of interlayer interfaces can be changed by the sample temperature changing. The investigation of optical and magneto-optical characteristics showed that in single-crystallin (epitaxial) films of iron-garnets the ion etching does not impair optical transmission and does not destroy the garnet structure up to a thickness of tens of nanometers (the Faraday effect is retained).

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. V. Tomilin

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Author for correspondence.
Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

А. А. Syrov

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: anatoly199824@rambler.ru
Russian Federation, Simferopol

Т. V. Mikhailova

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tatvladismikh@cfuv.ru
Russian Federation, Simferopol

S. D. Lyashko

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

А. N. Shaposhnikov

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

А. G. Shumilov

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

Е. Yu. Semuk

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

А. А. Fedorenko

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

V. N. Berzhansky

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

О. А. Tomilina

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

Email: tomilin_znu@mail.ru
Russian Federation, Simferopol

References

  1. Golubev L.V., Kirin D.V., Polozov A.Yu., Popkov A.F., Red’ko V.G., Vorotnikova N.V., Zvezdin K.A. // Proceeding of the Institute of Physics and Technology HAS. 1997. V. 13. P. 1.
  2. Tang D.D., Wang P.K., Speriosu V.S., Le S., Kung K.K. // IEEE Trans. Magn. 1995. V. 31. № 6. P. 3206. https://www.doi.org/10.1109/20.490329
  3. Мокляк В.В. // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015. Т. 18. № 1. C. 62 https://www.doi.org/10.17073/1609-3577-2015-1-62-68
  4. Бучельников В. Д., Даныпин Н. К., Линник А. И., Цымбал Л. Т., Шавров В. Г. // ЖЭТФ. 2002. Т. 122. № 1. С. 122.
  5. Bogun P.V., Gusev M.Yu., Kandyba P.E., Kotov V.A., Popkov A.F., Sorokin V.G. // Solid State Phys. 1985. V. 27. № 6. P. 2776.
  6. Тихонов В.В., Литвиненко А.Н., Садовников А.В., Никитов С.А. // Известия РАН. Сер. физ. 2016. Т. 80. № 10. С. 1389. https://www.doi.org/10.7868/S0367676516100252
  7. Изотов А.В., Беляев Б.А., Соловьев П.Н., Боев Н.М. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2018. Т. 61. № 12. С. 153.
  8. Adachi N., Denysenkov V.P., Khartsev S.I., Grishin A.M., Okuda T. // J. Appl. Phys. 2000. V. 88. № 5. P. 2734.
  9. Тихонов В.В., Губанов В. А. // Известия высших учебных заведений. ПНД. 2022. Т.30. № 5. C. 592. https://www.doi.org/10.18500/0869-6632-003005
  10. Зигерт А.Д., Дунаева Г.Г., Сдобняков Н.Ю. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2021. № 13. С. 134. https://www.doi.org/10.26456/pcascnn/2021.13.134.
  11. Ткалич А.К. Влияние точечных дефектов и концентрационных неоднородностей на свойства монокристаллических пленок магнитных гранатов: Дис. канд. физ.-мат. наук. Москва, 1992. 153 с.
  12. Арзамасцева Г.В., Балбашов А.М., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г., Темирязева М.П., Темирязев А.Г. // ЖЭТФ. 2015. Т. 147. № 4. С. 793.
  13. Костишин В.Г., Морченко А.Т., Читанов Д.Н., Трухан В.М. // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2012. № 3. C. 29. https://www.doi.org/10.17073/1609-3577-2012-3-29-34
  14. Протасов Е.А. //. Журнал технической физики. 2019. Т. 89. C. 1130. https://www.doi.org/10.21883/jtf.2019.07.47812.428-18
  15. Вишневский В.Г., Михерский Р.М., Дубинко С.В. // Журнал технической физики. 2002. Т. 72. № 2. C. 96.
  16. Lugovskoy N., Berzhansky V., Glechik D., Prokopov A. // J. Phys.: Conf. Series. 2018. V. 1124. P. 051063. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1124/5/051063
  17. Ветошко П.М., Гусев Н.А., Чепурнова Д.А., Самойлова Е.В., Звездин А.К., Коротаева А.А., Белотелов В.И. // Медицинская техника. 2016. № 4 (298). С. 15.
  18. Томилина О.А., Сыров А.А., Томилин С.В., Бержанский В.Н. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 10. С. 29. https://www.doi.org/10.31857/S1028096022100156
  19. Ветошко П.М., Гусев Н.А., Чепурнова Д.А., Самойлова Е.В., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Звездин А.К., Коротаева А.А., Белотелов В.И. // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. № 16. С. 64. https://www.doi.org/10.1134/S1063785016080289
  20. Малоземов А., Слонзуски Дж. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами. Перевод с английского. М.: Мир, 1982. С. 384.
  21. Кузмичев А.Н., Ветошко П.М., Князев Г.А., Белотелов В.И., Буньков Ю.М. // Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 112. № 11. С. 749. https://www.doi.org/10.31857/S1234567820230068
  22. Мамонов E.A., Новиков В.Б., Майдыковский А.И., Темирязева М.П., Темирязев А.Г., Федорова А.А., Логунов М.В., Никитов С.А., Мурзина Т.В. // ЖЭТФ. 2023. Т. 163. № 1. С. 41. https://www.doi.org/10.31857/S0044451023010054
  23. Ветошко П.М., Звездин А.К., Скиданов В.А., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Белотелов В.И. // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. № 9. С. 103.
  24. Vetoshko P.M., Valeiko M.V., Nikitin P.I. // Sensors and Actuators. A: Phys. 2003. V. 106. P. 270.
  25. Буньков Ю.М. // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 8. С. 884. https://www.doi.org/10.3367/UFNe.0180.201008m.0884
  26. Буньков Ю.М., Клочков А.В., Сафин Т.Р., Сафиуллин К.Р., Тагиров М.С. // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 109. № 1. С. 43. https://www.doi.org/10.1134/S0021364019010065
  27. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений. М.: МГУ, 1976. C. 367.
  28. Шапошников А.Н., Бержанский В.Н., Прокопов А.Р., Милюкова Е.Т., Каравайников А.В. // Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского Серия “Физика”. 2009. Т. 22 (61). № 1. С. 127.
  29. Томилин С.В., Федоренко А.А., Бержанский В.Н., Томилина О.А. // Известия РАН. Серия физическая. 2022. Т. 86. № 5. С. 655. https://www.doi.org/10.31857/S0367676522050271
  30. Федоренко А.А., Бержанский В.Н., Каравайников А.В., Шапошников А.Н., Прокопов А.Р. // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 2. С. 352. https://www.doi.org/10.1134/S1063784221020110

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. AFM images of the surface morphology of a GGG substrate 500 μm thick before ion treatment (a) and after ion etching of a layer 200 (b) and 600 nm (c) thick.

Download (57KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Spatially non-uniform etching through a mask: diagram of etching using a cylindrical mask (a), profile of BIG film after etching (b).

Download (29KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. AFM images of the surface morphology of BIG (YBi)3(FeAlGa)5O12 (h = 2 μm) after ion etching at various points of the profile with a step of 2.5 mm (a–g — from center to edge).

Download (78KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Optical (a) and magneto-optical (b) characteristics of BIG at different points of the etching profile (coordinates in millimeters are shown in the legend, corresponding to Fig. 2b).

Download (32KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Domain structure of BIG (YBi)3(FeAlGa)5O12 at different remaining thicknesses: a) h = 7.6 μm (before etching); b) h = 6.3 μm; c) h = 5.1 μm; d) h = 3.8 μm; e) h = 2.5 μm; f) h = 1.3 μm; g) h → 0 μm; h) dependence of domain period d on film thickness (dots — experimental data, line — fit to Eq. (2)).

Download (69KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. FMR resonance curves of (YBi)3(FeAlGa)5O12 film under perpendicular (B||n) and parallel (B⊥n) resonance during step-by-step ion etching: h = 7.6 μm (a); h = 6.3 μm (b); h = 5.1 μm (c); h = 3.8 μm (d); h = 2.5 μm (e); h = 1.3 μm (f); h → 0 μm (g); dependence of Bres on etched layer thickness (h).

Download (274KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Hysteresis loops of (YBi)3(FeAlGa)5O12 film during step-by-step ion etching: h = 7.6 μm (a); h = 6.3 μm (b); h = 5.1 μm (c); h = 3.8 μm (d); h = 2.5 μm (e); h = 1.3 μm (f); h → 0 μm (g).

Download (72KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Scheme of layer formation due to compensation point gradient along cross profile of film (a), boundary of etched zone at room temperature (b) and after heating by 20°C (c), etching depth difference of 1.3 μm at top (areas A and A’) and 3.8 μm at bottom (areas B and B’).

Download (46KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Sample with a round-shaped 3D profile ((YLa)3Fe5O12 film, h = 2.4 μm): a — photo of the structure with round profile; b — profile of the formed surface.

Download (21KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. FMR resonance curves ((YLa)3Fe5O12 film, h = 2.4 μm) for perpendicular (B||n) and parallel (B⊥n) resonance: a — before etching, square 4 × 4 mm; b — after etching a round disk of d = 2 mm; c — d = 1.5 mm.

Download (43KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences