Особенности магниторефрактивного эффекта в нанокомпозитах Co–Si

Цели. Целью работы является исследование спектров магниторефрактивного эффекта (МРЭ) в нанокомпозитах «кобальт–кремний» (Co–Si) с учетом вклада размерного эффекта, а также сравнение полученных результатов при изменении параметров размерного эффекта. Данное исследование является важным для практического применения бесконтактных методов, т.к. оно направлено на расширение их возможностей и создание новых подходов к неразрушающему контролю и исследованию магнитооптических свойств нанокомпозитов, что может значительно повысить эффективность их использования в различных областях, включая спинтронику и оптику.
Методы. Применялось компьютерное моделирование в рамках перспективного метода эффективной среды – приближения Бруггемана, согласно которому исследуемая структура заменяется средой с эффективными свойствами.
Результаты. В рамках моделирования получены спектры МРЭ в диапазоне 0.5–3.5 эВ. При этом моделирование проводилось для МРЭ без учета и с учетом квазиклассического размерного эффекта. Конечным результатом стало моделирование спектральных зависимостей МРЭ на примере нанокомпозита Co–Si при различных значениях размера частиц и форм-фактора кобальта. Показано влияние размерных эффектов на вид спектров МРЭ. Достоверность методик хорошо подтверждается сравнением полученных результатов с эмпирическими данными, а ценность полученных результатов обусловлена тем, что все рассчитанные параметры обсуждаемого нанокомпозита и форма спектральных зависимостей МРЭ хорошо согласуются с результатами различных экспериментов.
Выводы. В рамках моделирования показано, что учет размеров и форм-фактора гранул оказывает значительное влияние на вид спектров МРЭ, демонстрируя перспективные свойства нанокомпозита при определенных размерах частиц. Представленные результаты подчеркивают возможность оптимизации характеристик материала для улучшения чувствительности в магнитных сенсорах и устройствах бесконтактного исследования наноструктур.

1. Shkurdoda Yu.O., Dekhtyaruk L.V., Basov A.G., Chornous A.M., Shabelnyk Yu.M., Kharchenko A.P., Shabelnyk T.M. The giant magnetoresistance effect in Co/Cu/Co three-layer films. J. Magn. Magn. Mater. 2019;477:88–91. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.040

2. Jacquet J.C., Valet T. A New Magnetooptical Effect Discovered on Magnetic Multilayers: The Magnetorefractive Effect. In: Magnetic Ultrathin Films, Multilayers and Surfaces: MRS Symposium Proc. 1995. V. 384. P. 477–490. https://doi.org/10.1557/PROC-384-477

3. Granovsky А., Sukhorukov Yu., Gan’shina E., Telegin A. Magnetorefractive effect in magnetoresistive materials. In:Magnetophotonics: From Theory to Applications. Berlin Heidelberg: Springer; 2013. Р. 107–133. http://doi.org/10.1007/978-3-642-35509-7_5

4. Kelley C.S., Naughton J., Benson E., Bradley R.C., Lazarov V.K., Thompson S.M., Matthew J.A. Investigating the magneticfield-dependent conductivity in magnetite thin films by modelling the magnetorefractive effect. J. Phys.: Condens. Matter. 2014;26(3):036002. http://doi.org/10.1088/0953-8984/26/3/036002

5. Кринчик Г.С., Артемьев В.А. Магнитооптические свойства Ni, Co, и Fe в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1967;53(6):1901–1912.

6. Юрасов А.Н., Сайфулина Д.А., Бахвалова Т.Н. Магниторефрактивный эффект в металлических наноструктурах Co/Pt. Russian Technological Journal. 2024;12(2):57–66. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2024-12-2-57-66

7. Ganshina E., Granovsky A., Gushin V., Kuzmichov M., Podrugin P., Kravetz A., Shipil E. Optical and magneto-optical spectra of magnetic granular alloys. Physica A: Statistical Mechanics Application. 1997;241(1–2):45–51. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(97)00057-5

8. Domashevskaya E.P., Ivkov S.A., Sitnikov A.V., et al. Influence of the relative content of the metal component in the dielectric matrix on the formation and size of cobalt nanocrystals in Coх (MgF₂)100−х film composites. Phys. Solid State. 2019;61(2): 71–79. https://doi.org/10.1134/S1063783419020112

9. Reig C., Cardoso de Freitas S., Mukhopadhyay S.C. Giant Magnetoresistance (GMR) Sensors. From Basis to State-of the-Art Applications. In Series: Smart Sensors, Measurement and Instrumentation. Berlin, Heidelberg: Springer; 2013. V. 6. 301 р. ISBN 978-3-642-37172-1

10. Юрасов А.Н. Магниторефрактивный эффект как бесконтактный метод исследования функциональных материалов. Материаловедение. 2014;6:32–37.

11. Юрасов А.Н., Яшин М.М. Методы эффективной среды как оптимальные методы моделирования физических свойств наноструктур. Russian Technological Journal. 2020;8(5):68–77. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-5-68-77

12. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of transition metals: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Pd. Phys. Rev. B. 1974;9: 5056–5070. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.9.5056

13. Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем. УФН. 2007;177(6):619–638. https://doi.org/10.3367/UFNr.0177.200706b.0619

14. Вахрушев А.В., Федотов А.Ю., Северюхина О.Ю., Сидоренко А.С. Исследование влияния структуры кобальта на магнитные свойства нанопленок. Chemical Physics and Mesoscopy. 2022;24(4):436–453. https://doi.org/10.15350/17270529.2022.4.36

15. Demirer F.E., Lavrijsen R., Koopmans B. An investigation of the interface and bulk contributions to the magneto-optic activity in Co/Pt multi-layered thin films. J. Appl. Phys. 2021;129(16):163904. https://doi.org/10.1063/5.0047093