Моделирование магниторефрактивного эффекта в нанокомпозитах Co-Al₂O₃ в рамках приближения Бруггемана

Цели. Цель работы – изучить магниторефрактивный эффект (МРЭ) в нанокомпозитах, заключающийся в изменении коэффициентов отражения, пропускания и поглощения света образцов с большим магнитосопротивлением (МС) при их намагничивании. Существует ряд материалов, обладающих большой магнитооптической активностью и значительным МС. К таким материалам относятся магнитные нанокомпозиты. Они представляют из себя материалы на основе полимерной матрицы, в которую включены неорганические магнитные частицы, волокна или слоистые частицы, с нанометровыми размерами от 1 до 100 нм хотя бы в одном измерении. Главной целью создания таких нанокомпозитов является совмещение нескольких компонентов с их особыми свойствами в одном материале. Наличие в таких материалах гигантского, колоссального и туннельного МС, гигантского аномального эффекта Холла представляет практический интерес. Данные материалы применяют для магнитной записи, модуляции света, как приемники теплового излучения, а сам МРЭ является перспективным методом неразрушающего контроля любых наноструктур, например, для измерения МС.

Методы. Для описания оптики и магнитооптики дисперсных сред рассмотрена теория эффективной среды, благодаря которой можно решить задачу определения комплексной диэлектрической проницаемости среды через диэлектрические проницаемости составляющих ее компонент или наоборот. В статье этот подход рассматривался на примере нанокомпозита Co-Al₂O₃ с концентрацией ферромагнитного металла Co, равной 0.4, вблизи порога перколяции. Для изучения рассмотрен именно этот случай, т.к. вблизи порога перколяции кардинально меняются все свойства нанокомпозитов.

Результаты. Используя приближение Бруггемана (effective medium approximation, ЕМА) для описания оптических и магнитооптических свойств нанокомпозитов на примере Co-Al₂O₃, авторы получили характеристики МРЭ, а именно: изменение МРЭ на отражение и пропускание света при нормальном падении и при угле падения вблизи угла Брюстера (ниже порога перколяции) или главного угла падения для металлов (выше порога перколяции), что усиливает МРЭ. Преимущество ЕМА заключается в возможности исследовать магнитооптические спектры в диапазоне средних объемных концентраций металлической компоненты.

Выводы. Полученные значения хорошо соответствуют известным экспериментальным данным. Важно отметить, что данный подход позволяет исследовать любые наноструктуры.

1. Юрасов А.Н. Магниторефрактивный эффект в наноструктурах. Приборы. 2022. № 4(262). С. 22–25.

2. Юрасов А.Н. Магнитооптические эффекты и магниторефрактивный эффект в нанокомпозитах. М.: МИРЭА; 2016. 55 с.

3. 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.

4. Niklasson G.A., Granqvist C.G. Optical properties and solar selectivity of coevaporated CoAl2O3 composite films. J. Appl. Phys. 1984;55(9):3382–3410. https://doi.org/10.1063/1.333386

5. Быков И.В., Ганьшина Е.А., Грановский А.Б., Гущин B.C. Магниторефрактивный эффект в гранулированных пленках с туннельным магнитосопротивлением. Физика твердого тела. 2000;42(3):487–491.

6. Гущин B.C., Ганьшина Е.А., Козлов А.А., Быков И.В. Магниторефрактивный эффект в нанокомпозитах. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2005;1:45–58.

7. Yurasov A., Yashin M., Ganshina E., Granovsky A., Garshin V., Semenova D., Mirzokulov K. Simulation of magneto-optical properties of nanocomposites (CoFeZr)x(Al2O3)(1–x). J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1389(1):012113. http://doi.org/10.1088/17426596/1389/1/012113

8. Апресян Л.А., Власова Т.В., Красовский В.И., Крыштоб В.И., Расмагин С.И. Приближения эффективной среды для описания многокомпонентных композитов. Журнал технической физики (ЖТФ). 2020;90(7):1175–1183. https://doi.org/10.21883/JTF.2020.07.49453.446-18

9. Фадеев Е.А., Блинов М.И., Гаршин В.В., Тарасова О.С., Ганьшина Е.А., Прудникова М.В., Прудников В.Н., Ляхдеранта Э., Рыльков В.В., Грановский А.Б. Магнитные свойства нанокомпозитов (Cо40Fe40B20)x(SiO2)(100–x) вблизи порога перколяции. Известия РАН. Серия физическая. 2019;83(7):917–920. https://doi.org/10.1134/S0367676519070159

10. Ганьшина Е.А., Припеченков И.М., Перова Н.Н., Каназакова Е.С., Николаев С.Н., Ситников А.С., Грановский А.Б., Рыльков В.В. Магнитооптическая спектроскопия нанокомпозитов (CoFeB)x(LiNbO3)(100–x) до порога перколяции: от суперпарамагнетизма и суперферромагнетизма до ферромагнетизма. Физика металлов и металловедение. 2023;124(2):134–140.

11. Granovsky А., Sukhorukov Yu., Gan’shina E., Telegin A. Magnetorefractive effect in magnetoresistive materials. In: Magnetophotonics: From Theory to Applications. Berlin Heidelberg: Springer. 2013. P. 107–133.

12. 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. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019;477:88–91. https://www.doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.040

13. Dekhtyaruk L.V., Kharchenko A.P., Klymenko Yu.O., Shkurdoda Yu.O., Shabelnyk Yu.M., Bezdidko O.V., Chornous A.M. Negative and Positive Effect of Giant Magnetoresistance in The Magnetically Ordered Sandwich. 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). Sumy. Ukraine. 2020. P. 01NMM13-1-01NMM13-3. https://www.doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309694

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

15. Yurasov A., Yashin M., Ganshina E., et al. Simulation of magneto-optical properties of nanocomposites (CoFeZr)x(Al2O3)1–x. J. Phys.: Conf. Ser. 2019;1389:012113. http://doi.org/10.1088/1742-6596/1389/1/012113