zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2025-91-12-5-13zldm-2667Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISВлияние состава феррограната иттрия на свойства пленочных структур Y3Fe5O12/GaAsEffect of the elemental composition of yttrium ferrogranate on the properties of film structures Y3Fe5O12/GaAsКоротковаН. А.KorotkovaN. A.

Наталья Александровна Короткова

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31, стр. 1

Nataliya A. Korotkova

31, bld. 1, Leninsky prosp., Moscow, 119991

natalya.korotkova.95@mail.ruДоронинаМ. С.DoroninaM. S.

Марина Сергеевна Доронина

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31, стр. 1

Marina S. Doronina

31, bld. 1, Leninsky prosp., Moscow, 119991

СмирноваМ. Н.SmirnovaM. N.

Мария Николаевна Смирнова

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31, стр. 1

Mariya N. Smirnova

31, bld. 1, Leninsky prosp., Moscow, 119991

КецкоВ. А.KetskoV. A.

Валерий Александрович Кецко

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31, стр. 1

Valery A. Ketsko

31, bld. 1, Leninsky prosp., Moscow, 119991

БарановскаяВ. Б.BaranovskayaV. B.

Василиса Борисовна Барановская

119991, Москва, Ленинский просп., д. 31, стр. 1

Vasilisa B. Baranovskaya

31, bld. 1, Leninsky prosp., Moscow, 119991

Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наукРоссияKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2025241220259112513Copyright © Короткова Н.А., Доронина М.С., Смирнова М.Н., Кецко В.А., Барановская В.Б., 20252025Короткова Н.А., Доронина М.С., Смирнова М.Н., Кецко В.А., Барановская В.Б.Korotkova N.A., Doronina M.S., Smirnova M.N., Ketsko V.A., Baranovskaya V.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2667

Благодаря уникальным электромагнитным и магнитооптическим свойствам железо-иттриевый гранат (Y3Fe5O12, ЖИГ) и твердые растворы на его основе используют при получении пленочных структур для новой области спиновой электроники — магноники. Контроль химического состава синтезируемых ЖИГ необходим как для основных (Fe, Y), так и для примесных элементов (Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Bi, Th, U), так как присутствие примесей на уровне более 10–2 % масс. вызывает значительное уширение линии ферромагнитного резонанса и ухудшает свойства пленочных структур. Показано, что применение двух методов — атомно-эмиссионной (ИСП-АЭС) и масс-спектрометрии с индуктивно- связанной плазмой (ИСП-МС) — при выбранных условиях анализа позволяет обеспечить точность его результатов и широкий перечень определяемых элементов. Изучены особенности получения пленочных структур Y3Fe5O12 на подложке арсенида галлия новым неэпитаксиальным методом, предложенным авторами: показано влияние примесного состава ЖИГ на структуру и свойства получаемых пленок. Для предотвращения взаимодействия между Y3Fe5O12 и GaAs на межфазной границе при кристаллизации пленок на подложку предварительно напыляли барьерный слой AlOx. Изучены спектры ФМР пленок Y3Fe5O12/AlOx/GaAs, полученных различными способами: установлено, что ширина линии ФМР для пленок, полученных распылением монокристаллов ЖИГ, на 30 – 40 Э меньше, чем для содержащих примесные элементы.

Due to unique electromagnetic and magneto-optical properties, iron- yttrium garnet (Y3Fe5O12, YIG) and its solid solutions are used in the production of film structures for a new field of spin electronics, known as magnonics. It is essential to control the chemical composition of synthesized YIG, including both primary (Fe, Y) and trace elements (Li, Be, B, Na, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Bi, Th, U), because the presence of impurities above 10–2 wt.% significantly broadens the ferromagnetic resonance line of the films and deteriorates the properties of the film structures. It is shown that the use of two methods, atomic emission (ICP AES) and mass spectrometry with inductively coupled plasma (ICP MS), under selected conditions of analysis, allows for the accuracy of its results and a wide range of detectable elements. The peculiarities of the synthesis of YIG film structures on a gallium arsenide substrate using a novel none-epitaxial method proposed by the authors have been studied. The effect of YIG impurity composition on the structure and properties of the resulting films is shown. To prevent the interaction between Y3Fe5O12 and GaAs at the interface during film crystallization, a barrier layer of aluminum oxide was pre-sprayed onto the substrate. The ferromagnetic resonance spectra of Y3Fe5O12/AlOx/GaAs films obtained by various methods have been studied. It was found that the width of the FMR line for films obtained by spraying YIG single crystals is 30 – 40 Oe less than for films contained impurity elements.

феррогранат иттрияарсенид галлияпленочные структурыатомно- эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмоймасс- спектрометрия с индуктивно-связанной плазмойредкоземельные металлыферромагнитный резонансyttrium iron garnetfilm structuresinductively coupled plasma atomic emission spectrometryinductively coupled plasma mass-spectrometryrare earth metalsferromagnetic resonanceИсследования проводили с использованием оборудования ЦКП ФМИ ИОНХ РАН. Авторы благодарны ушедшему из жизни А. И. Стогнию за помощь в проведении измерений поперечных сечений и ФМР для пленочных структур. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ИОНХ РАН.ReferencesShen H., Zhao Y., Li L., et al. Recent advances of rare earth iron garnet magneto-optical single crystals / J. Cryst. Growth. 2024. Vol. 631. 127626. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2024.127626Shen H., Zhao Y., Li L., et al. Recent advances of rare earth iron garnet magneto-optical single crystals / J. Cryst. Growth. 2024. Vol. 631. 127626. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2024.127626Субботин И. А., Пашаев Э. М., Беляева А. О. и др. Микроструктура тонких пленок железо-иттриевых гранатов, допированных висмутом / Кристаллография. 2025. Т. 70. 1 3. С. 529 – 540. DOI: 10.31857/s0023476125030206Subbotin I. A., Pashaev E. M., Belyaeva A. O., et al. Microstructure of bismuth doped yttrium iron garnets thin films / Kristallografiya. 2025. Vol. 70. No. 3. P. 529 – 540 [in Russian]. DOI: 10.31857/s0023476125030206Fang Y., Shen H., Ma H., et al. Growth, optical dispersion and magnetic behavior of Dy3+ doped yttrium iron garnet crystals / J. Rare Earths. 2024. Vol. 42. No. 6. P. 1110 – 1117. DOI: 10.1016/j.jre.2023.07.025Fang Y., Shen H., Ma H., et al. Growth, optical dispersion and magnetic behavior of Dy3+ doped yttrium iron garnet crystals / J. Rare Earths. 2024. Vol. 42. No. 6. P. 1110 – 1117. DOI: 10.1016/j.jre.2023.07.025Wang H., Meng J., Guo P., et al. Exploring the mechanism of the photo-excited spin currents in W/Y3Fe5O12 heterostructure / Appl. Surf. Sci. 2025. Vol. 692. 16277. DOI: 10.1016/j.apsusc.2025.162779Wang H., Meng J., Guo P., et al. Exploring the mechanism of the photo-excited spin currents in W/Y3Fe5O12 heterostructure / Appl. Surf. Sci. 2025. Vol. 692. 16277. DOI: 10.1016/j.apsusc.2025.162779Mohammad A. A., Ibrahim N. B. Comprehensive study of Ni-substitution yttrium iron garnet impact of substitution levels annealing temperature on structural and magnetic properties / J. Magn. Magn. Mater. 2025. Vol. 628. P. 173160 – 173167. DOI: 10.1016/j.jmmm.2025.173160Mohammad A. A., Ibrahim N. B. Comprehensive study of Ni-substitution yttrium iron garnet impact of substitution levels annealing temperature on structural and magnetic properties / J. Magn. Magn. Mater. 2025. Vol. 628. P. 173160 – 173167. DOI: 10.1016/j.jmmm.2025.173160Bhargavi M., Kaarthik J., Reddy S. G., Venkateswarlu A. Enhanced optical, dielectric, and magnetic characteristics of praseodymium and bismuth co-doped yttrium iron garnet ceramics / Phys. B. Condens. Matter. 2025. Vol. 703. P. 417019 – 417031. DOI: 10.1016/j.physb.2025.417019Bhargavi M., Kaarthik J., Reddy S. G., Venkateswarlu A. Enhanced optical, dielectric, and magnetic characteristics of praseodymium and bismuth co-doped yttrium iron garnet ceramics / Phys. B. Condens. Matter. 2025. Vol. 703. P. 417019 – 417031. DOI: 10.1016/j.physb.2025.417019Prabhakaran С., Karthikeyan N., Anbarasu V., Vishista K. Interplay of structure — property — dielectric correlations in (x)YFeO3 + (1 – x)Y3Fe5O12 (0 ≤ x ≤ 1) ceramic composite systems / J. Alloys Compd. 2025. Vol. 1043. No. 20. 184234. DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.184234Prabhakaran С., Karthikeyan N., Anbarasu V., Vishista K. Interplay of structure – property – dielectric correlations in (x)YFeO3 + (1 – x)Y3Fe5O12 (0 ≤ x ≤ 1) ceramic composite systems / J. Alloys Compd. 2025. Vol. 1043. No. 20. 184234. DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.184234Ochoa H., Saavedra I., Parra C., Morán O. Dielectric behavior of Ho3+-doped Y3Fe5O12 garnet-type ceramics at high temperatures / Ceram. Int. 2025. Vol. 51. No. 25. P. 44715 – 44728. DOI: 10.1016/j.ceramint.2025.07.198Ochoa H., Saavedra I., Parra C., Morán O. Dielectric behavior of Ho3+-doped Y3Fe5O12 garnet-type ceramics at high temperatures / Ceram. Int. 2025. Vol. 51. No. 25. P. 44715 – 44728. DOI: 10.1016/j.ceramint.2025.07.198Long Z., Yu R., Meng X., et al. Preparation of BaTiO3/ Y3Fe5O12 bilayers and their ferroelectric/magnetic properties / Thin Solid Films. 2024. Vol. 803. No. 30. 140480. DOI: 10.1016/j.tsf.2024.140480Long Z., Yu R., Meng X., et al. Preparation of BaTiO3/ Y3Fe5O12 bilayers and their ferroelectric/magnetic properties / Thin Solid Films. 2024. Vol. 803. No. 30. 140480. DOI: 10.1016/j.tsf.2024.140480Никитов С. А., Сафин А. Р., Калябин Д. В. и др. Диэлектрическая магноника — от гигагерцев к терагерцам / Успехи физических наук. 2020. Т. 190. 1 10. С. 1009 – 1040. DOI: 10.3367/ufnr.2019.07.038609Nikitov S. A., Safin A. R., Kalyabin D. V., et al. Dielectric magnonics: from gigahertz to terahertz / Physics-Uspekhi. 2020. Vol. 190. No. 10. P. 945 – 974. DOI: 10.3367/ufne.2019.07.038609Kuila M., Sagdeo A., Lanuakum A. Robust perpendicular magnetic anisotropy in Ce substituted yttrium iron garnet epitaxial thin films / J. Appl. Phys. 2022. Vol. 131. 20390. DOI: 10.1063/5.0085572Kuila M., Sagdeo A., Lanuakum A. Robust perpendicular magnetic anisotropy in Ce substituted yttrium iron garnet epitaxial thin films / J. Appl. Phys. 2022. Vol. 131. 20390. DOI: 10.1063/5.0085572Barman A., Gubbiotti G., Ladak S., et al. The magnonics roadmap / J. Phys. Condens. Matter. 2021. Vol. 33. P. 413001 – 413073. DOI: 10.1088/1361-648x/abec1aBarman A., Gubbiotti G., Ladak S., et al. The magnonics roadmap / J. Phys. Condens. Matter. 2021. Vol. 33. P. 413001 – 413073. DOI: 10.1088/1361-648x/abec1aSpaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics / Nat. Mater. 2019. Vol. 18. P. 203 – 212. DOI: 10.1038/s41563-018-0275-2Spaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics / Nat. Mater. 2019. Vol. 18. P. 203 – 212. DOI: 10.1038/s41563-018-0275-2Munir A., Abbas M., Wang G. Nonreciprocal cavity magnonics system for amplification of photonic spin Hall effect / Chaos Solitons Fractals. 2025. Vol. 192. 116019. DOI: 10.1016/j.chaos.2025.116019Munir A., Abbas M., Wang G. Nonreciprocal cavity magnonics system for amplification of photonic spin Hall effect / Chaos Solitons Fractals. 2025. Vol. 192. 116019. DOI: 10.1016/j.chaos.2025.116019Никитов С. А., Калябин Д. В., Лисенков И. В. и др. Магноника — новое направление спинтроники и спин-волновой электроники / Успехи физических наук. 2015. Т. 185. 1 10. С. 1099 – 1128. DOI: 10.3367/ufnr.0185.201510m.1099Nikitov S. A., Kalyabin D. V., Lisenkov I. V., et al. Magnonics: a new research area in spintronics and spin wave electronics / Physics- Uspekhi. 2015. Vol. 185. No. 10. P. 1002 – 1028. DOI: 10.3367/ufne.0185.201510m.1099Carter S., Clough R., Fisher A., et al. Atomic spectrometry update: review of advances in the analysis of metals, chemicals and materials / J. Anal. At. Spectrom. 2018. Vol. 33. 1802. DOI: 10.1039/c8ja90039fCarter S., Clough R., Fisher A., et al. Atomic spectrometry update: review of advances in the analysis of metals, chemicals and materials / J. Anal. At. Spectrom. 2018. Vol. 33. 1802. DOI: 10.1039/c8ja90039fBalaram V. Strategies to overcome interferences in elemental and isotopic geochemical analysis by quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometry: A critical evaluation of the recent developments / Rapid Commun. Mass Spectrom. 2021. Vol. 35. e9065. DOI: 10.1002/rcm.9065Balaram V. Strategies to overcome interferences in elemental and isotopic geochemical analysis by quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometry: A critical evaluation of the recent developments / Rapid Commun. Mass Spectrom. 2021. Vol. 35. e9065. DOI: 10.1002/rcm.9065Короткова Н. А., Петрова К. В., Барановская В. Б. Анализ оксида церия масс-спектральным и атомно-эмиссионным методами с индуктивно связанной плазмой / Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. 1 12. С. 1077 – 1088. DOI: 10.31857/s0044450221120069Korotkova N. A., Petrova K. V., Baranovskaya V. B. Analysis of cerium oxide by mass spectrometry and optical emission spectrometry with inductively coupled plasma / J. Anal. Chem. 2021. Vol. 76. P. 1384 – 1394. DOI: 10.1134/s1061934821120066Balaram V., Rahaman W., Roy P. Recent advances in MC-ICP-MS applications in Earth and environmental sciences: Challenges and solutions / Geosyst. Geoenviron. 2022. Vol. 1. No. 2. 100019. DOI: 10.1016/j.geogeo.2021.100019Balaram V., Rahaman W., Roy P. Recent advances in MC-ICP-MS applications in Earth and environmental sciences: Challenges and solutions / Geosyst. Geoenviron. 2022. Vol. 1. No. 2. 100019. DOI: 10.1016/j.geogeo.2021.100019Brenner I., Zander A. T. Axially and radially viewed inductively coupled plasmas — a critical review / Spectrochim. Acta Part B. 2000. Vol. 55. No. 8. P. 1195 – 1240. DOI: 10.1016/s0584-8547(00)00243-3Brenner I., Zander A. T. Axially and radially viewed inductively coupled plasmas — a critical review / Spectrochim. Acta Part B. 2000. Vol. 55. No. 8. P. 1195 – 1240. DOI: 10.1016/s0584-8547(00)00243-3Короткова Н. А., Петрова К. В., Барановская В. Б. Анализ церий- замещенных феррогранатов иттрия методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с предварительным разложением в микроволновой системе / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. No 11. С. 24 – 33. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-24-33Korotkova N. A., Petrova K. V., Baranovskaya V. B. Analysis of cerium-substituted yttrium iron garnet using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry with preliminary decomposition in a microwave system / Inorg. Mater. 2024. Vol. 60. P. 84 – 52. DOI: 10.1134/s0020168524700122Korotkova N. A., Arkhipenko A. A., Smirnova M. N., et al. Development of spectral methods for the analysis of nanocized ferrogarnets of the Y3 – xCexFe5 – yGayO12 composition / Nanosyst. Phys. Chem. Math. 2024. Vol. 15. No. 6. P. 855 – 866. DOI: 10.17586/2220-8054-2024-15-6-855-866Korotkova N. A., Arkhipenko A. A., Smirnova M. N., et al. Development of spectral methods for the analysis of nanocized ferrogarnets of the Y3 – xCexFe5 – yGayO12 composition / Nanosyst. Phys. Chem. Math. 2024. Vol. 15. No. 6. P. 855 – 866. DOI: 10.17586/2220-8054-2024-15-6-855-866Stognij A. I., Lutsev L. V., Bursian V. E., Novitskii N. N. Growth and spin-wave properties of thin Y3Fe5O12 films on silicon substrates / J. Appl. Phys. 2015. Vol. 118. P. 023905 – 023914. DOI: 10.1063/1.4926475Stognij A. I., Lutsev L. V., Bursian V. E., Novitskii N. N. Growth and spin-wave properties of thin Y3Fe5O12 films on silicon substrates / J. Appl. Phys. 2015. Vol. 118. P. 023905 – 023914. DOI: 10.1063/1.4926475Гашимзаде Ф. М., Бурдуков Ю. М., Гольдберг Ю. А. Арсенид галлия. Получение, свойства и применение. — М.: Наука, 1973. — 471 с.Gashimzade F. M., Burdukov Yu. M., Goldberg Yu. A. Gallium arsenide. Production, properties and application. — Moscow: Nauka, 1973. — 471 p. [in Russian].Пат. РФ No 2657674. Смирнова М. Н., Стогний А. И., Беспалов А. В. и др. Способ получения гетероструктуры Mg(Fe1 – xGax)2O4/Si со стабильной межфазной границей. Опубл. 14.06.2018.RF Pat. No. RU2657674C1. Smirnova M. N., Stogniy A. I., Bespalov A. V., et al. Method for producing a Mg(Fe1 – xGax)2O4/Si heterostructure with a stable interphase boundary. Publ. 14.06.2018 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.