Влияние состава феррограната иттрия на свойства пленочных структур Y3Fe5O12/GaAs

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 AlO_x. 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.

1. Shen 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.2024.127626

2. Субботин 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/s0023476125030206

3. Fang 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.2023.07.025

4. Wang 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.2025.162779

5. Mohammad 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.2025.173160

6. Bhargavi 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.2025.417019

7. Prabhakaran 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.2025.184234

8. Ochoa 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.2025.07.198

9. Long 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.2024.140480

10. Никитов 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.2019.07.038609

11. Kuila 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: 10.1063/5.0085572

12. Barman 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/abec1a

13. Spaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics / Nat. Mater. 2019. Vol. 18. P. 203 – 212. DOI: 10.1038/s41563-018-0275-2

14. Munir 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.2025.116019

15. Никитов 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.1099

16. Carter 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/c8ja90039f

17. Balaram 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.9065

18. Короткова 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/s0044450221120069

19. Balaram 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.2021.100019

20. Brenner 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)00243-3

21. Короткова 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: 10.26896/1028-6861-2023-89-11-24-33

22. Korotkova 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: 10.17586/2220-8054-2024-15-6-855-866

23. Stognij 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: 10.1063/1.4926475

24. Гашимзаде Ф. М., Бурдуков Ю. М., Гольдберг Ю. А. Арсенид галлия. Получение, свойства и применение. — М.: Наука, 1973. — 471 с.

25. 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.