CC BY
135
Контроль и испытания
УДК 537.874.72
ЧАСТОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ МИЛЛИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН В НАНОКОМПОЗИТАХ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ МАТРИЦ, СОДЕРЖАЩИХ НАНОЧАСТИЦЫ ФЕРРИТОВ-ШПИНЕЛЕЙ
А.Б. Ринкевич, Д.В. Перов, М.И. Самойлович, С.М. Клещева
FREQUENCY DEPENDENCE OF MICROWAVE ABSORPTION COEFFICIENT FOR OPAL-BASED NANOCOMPOSITES WITH FERROSPINEL NANOPARTICLES
A.B. Rinkevich, D.V. Perov, M.I. Samoylovich, S.M. Kleshcheva
Измерены частотные зависимости коэффициента затухания электромагнитных волн в 3D-нанокомпозитах на основе опаловых матриц, содержащих наночастицы ферритов-шпинелей, в условиях магнитного резонанса.
Ключевые слова: миллиметровые радиоволны, поглощение электромагнитных волн, нанокомпозиты, ферромагнитный резонанс.
Frequency dependences of microwave absorption coefficient for opal-based 3D nanocomposites with ferrospinel nanoparticles have been measured in ferromagnetic resonance conditions.
Keywords: microwaves, electromagnetic wave absorption, ferromagnetic resonance.
Измерение коэффициентов отражения, прохождения и поглощения волн СВЧ-диапазона важно для нескольких практических приложений. Специальный интерес в этом отношении вызывают фотонные кристаллы [1]. Из литературы известно, что изучаются их свойства как при прохождении электромагнитных волн, так и при отражении. Аналитически и численно исследуется распространение электромагнитных волн в среде с отрицательным показателем преломления [2]. В частности, была решена задача о прохождении волны через пластину такой среды с демонстрацией эффекта фокусировки. Фокусировка осуществляется в ближнем поле излучения в металлизированной фотонной структуре в условиях отрицательного коэффициента преломления. В принципе, если объект сделан из материала с отрицательным коэффициентом преломления, то в идеальном случае он может стать невидимым. Дана общая формулировка задачи взаимодействия электромагнитной волны со стратифицированной средой с отрицательным коэффициентом преломления [3]. Специальное внимание уделяется изучению направленных волн в стратифицированной среде.
Опаловые матрицы считаются одними из наиболее перспективных классов наноматериалов. В настоящее время интенсивно исследуются линейные и нелинейные оптические свойства опаловых матриц, изменения коэффициента преломления, а также вариации интенсивности, поляризации и когерентности, происходящие при прохождения через матрицы мощного когерентного излучения [4]. Наибольший интерес вызывают свойства ансамблей различных микросфер и матриц как фотонных кристаллов. Введение в межсферические пустоты опаловых матриц наночастиц магнитных материалов стало одним из направлений их развития.
Высокочастотные и радиочастотные магнитные свойства ансамблей наночастиц имеют значительную специфику. Применение микроволновых методов исследования представляется
эффективным, поскольку последние дают возможность сравнительно просто оценить динамические и релаксационные параметры таких материалов. Опаловые матрицы считаются классом материалов, пригодных для создания сред с отрицательным показателем преломления. Осуществление так называемой «левой» среды с отрицательной действительной частью магнитной проницаемости возможно в области магнитных резонансов. Взаимодействие высокочастотных электромагнитных волн с магнитофотонными кристаллами, рассматриваемыми как метаматериалы, составляет наиболее актуальное направление в этой области. Обращается внимание на прикладные аспекты получения отрицательного показателя преломления на частотах миллиметрового диапазона с использованием явления магнитного резонанса [5, 6]. В [7] выполнен анализ условий существования отрицательного показателя преломления на микроволновых частотах и установлено, что допированные манганиты лантана в области магнитного резонанса являются примером материалов с отрицательным показателем преломления или двойной левой средой. Специальный класс метаматериалов составляют среды с близкой к нулю диэлектрической постоянной или так называемые ЕЖ (Ер8Поп-№аг-2его)-материалы. Эффект «сверхсвязи» ^ирегсоирП^) представляет один из ярких примеров аномального распространения волн в таких средах [8, 9]. Указанное явление представляет собой туннелирование волны через узкие каналы и изгибы, соединяющие два волновода в условиях, когда обычное прохождение волны невозможно.
В настоящей работе исследуются микроволновые резонансные явления в нанокомпозите, содержащем либо наночастицы никель-цинкового, марганец-цинкового, или кобальт-цинкового ферритов в диэлектрической матрице - решетчатой упаковке субмикронных сфер 8Ю2. Никель-цинковый и другие ферриты-шпинели представляются подходящими материалами для заполнения благодаря удачному сочетанию свойств, таких как высокое удельное электросопротивление, малые диэлектрические потери, высокая температура Кюри и химическая стабильность.
Микроволновые свойства измерены на частотах миллиметрового диапазона. Изменения микроволнового сигнала, прошедшего через нанокомпозит, происходят в основном из-за изменения поверхностного импеданса нанокомпозита в условиях магнитного резонанса и из-за поглощения электромагнитной волны в нем. Исследованы магнитные резонансные явления в нанокомпозитах и их влияние на коэффициенты отражения и прохождения через нанокомпозит. В работе показано, что на частотах выше некоторой определенной для каждого материала наночастиц в полях, меньших резонансного, наблюдается еще и антирезонанс, который выражается в максимумах коэффициентов отражения и прохождения. Установлено, что антирезонанс соответствует минимуму коэффициента поглощения.
Анализ результатов ведется с учетом структурного и магнитного состояния материала. Осуществление эффективного взаимодействия микроволновых полей с наночастицами ферритов представляет интерес как для нахождения условий существования отрицательной действительной части магнитной проницаемости, так и для применения в электронных приборах сверхвысоких частот.
Синтез образцов опаловых матриц с диаметрами субмикронных сфер 8Ю2 от 200 до 350 нм был описан в ряде работ, например в [10]. Нанокомпозиты с внедренными наночастицами ни-кель-цинкового, марганец-цинкового и кобальт-цинкового ферритов были также получены методом пропитки с последующей термической обработкой.
Рентгенофазовый анализ показал, что во внесенном веществе большинство рефлексов относятся к фазам типа (№х2п1-х)Ре204 и (Мпх2п1-х)Ре204, имеющим кристаллическую структуру шпинели. На рис. 1 показана структура нанокомпозита с частицами никель-цинкового феррита-шпинели, полученная методом электронной просвечивающей микроскопии. Частицы введенных фаз имеют неправильную форму и размеры от 5 до 70 нм. Объемная концентрация внесенных наночастиц не превышает 3-5 %.
В дальнейшем будем называть внедренный материал как феррит, например, никель-цинковый №052п05Ре204, несмотря на возможное присутствие в нем другой магнитной фазы. Сказанное относится и к нанокомпозитам с марганец-цинковым и кобальт-цинковым ферритами.
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение структуры нанокомпозита с частицами никель-цинковой шпинели
Магнитные измерения выполнены на установке MPMS-XL фирмы Quantum Design в интервале полей до 50 кЭ и при температурах от 2 до 300 К. Измерены кривые намагничивания и петли гистерезиса, а также температурная зависимость магнитного момента образца в поле напряженностью 10 кЭ. Магнитные свойства массивных образцов ферритов-шпинелей хорошо известны. Такие ферриты выпускаются серийно для целого ряда применений. Однако магнитные параметры опаловых матриц, содержащих наночастицы ферритов, могут существенно отличаться от свойств массивных образцов. Основное внимание в данной работе вызывает область частот и магнитных полей вблизи условий магнитного резонанса. Поэтому наибольший интерес представляет кривая намагничивания нанокомпозитов, поскольку именно величина намагниченности определяет поле магнитного резонанса.
Кривые намагничивания для образца 3D-нанокомпозита с частицами марганец-цинкового феррита Mn0,5Zn0,5Fe2O4 при нескольких температурах показаны на рис. 2. Кривые намагничивания не имеют полного насыщения в полях до 50 кЭ.
Кроме этого, кривые намагничивания имеют участок быстрого возрастания намагниченности в слабых полях. Указанные особенности кривых намагничивания позволяют сделать заключение, что исследуемые материалы обладают как ферромагнитным (точнее ферримагнитным) упорядочением, так и суперпарамагнитными свойствами. Наличие суперпарамагнитных свойств исследуемых материалов не является удивительным, поскольку частицы внесенных фаз имеют размеры менее 70 нм, а некоторая их часть имеет размеры менее 10 нм.
Микроволновые измерения выполнены в частотном диапазоне 26 — 38 ГГц с использованием прямоугольных резонаторов и стандартных волноводов, работающих на моде TE10. Для выполнения микроволновых измерений образец помещался в волновод (рис. 3, а) или в прямоугольный резонатор (рис. 3, б). При этом образец длинной стороной размещался вдоль оси СВЧ-тракта при размещении в резонаторе и поперек тракта при размещении в волноводе. Внешнее постоянное магнитное поле Н, создаваемое электромагнитом, прикладывалось перпендикулярно волновому вектору волны q. В случае, когда образец находится в волноводе, внешнее магнитное поле лежит в плоскости образца либо параллельно, либо перпендикулярно вектору микроволнового электрического поля E~. Вектор H в этих случаях будет либо перпендикулярен микроволновому магнитному полю Н~, либо будет лежать в плоскости Н~ соответственно. Во всем интервале частот осуществляется одномодовый режим. Для выполнения микроволновых измерений образец толщиной 1 мм помещался в волновод сечением 7,2х3,6 мм. Все микроволновые эксперименты выполнены при комнатной температуре.
Необходимость использования двух методик измерения микроволновых характеристик обусловлена следующими обстоятельствами. В резонаторе возможно выполнить измерения на частотах вблизи резонансных частот резонатора, каждая из которых соответствует определенной структуре электромагнитных полей. Резонатор включен в СВЧ-тракт каскадно. В условиях магнитного резонанса резко увеличивается поглощение электромагнитной энергии; полевая зависимость амплитуды принятого сигнала определяется резонансной зависимостью мнимой части магнитной проницаемости образца от напряженности внешнего постоянного магнитного поля. Вторая методика, в которой образец помещается в поперечное сечение волновода, имеет достоинство в том отношении, что частота волны может изменяться непрерывно во всем интервале, в котором распространяется волна TE10. Два варианта расположения вектора внешнего постоянного магнитного поля (варианты (а) и (б) на рис. 3, а) дают возможность реализовать различную ориентацию полей и выявить разные типы резонансов.
J Т—А
■т г т
JgLw WJr .. V/ —
7 ' • 2 К —О- 15 К —А— 30 К 1 —Л— 40 К
—V— 160 К —♦— 300 к
О 10 20 3 0 40 50
Напряженность магнитного поля, кЭ
Рис. 2. Кривые намагничивания нанокомпозита с частицами марганец-цинкового феррита Мп0,52п0,5Ре2О4, измеренные при разных температурах
б)
Рис. 3. Схема расположения образца в волноводе (а) и в резонаторе (б)
В микроволновых экспериментах с помощью измерителя КСВ и отражения Р2-65 измерялись модули коэффициентов прохождения В и отражения Я. Влияние внешнего постоянного магнитного поля на коэффициенты оценивалось относительным изменением во внешнем магнитном поле модуля коэффициента прохождения ёт = [ | В(Н) | - | В(0) | ] /1 В(0) | и относительным изменением модуля коэффициента отражения гт = [ | Я(Н) | - | Я(0) | ] /1 Я(0) |, где В(Н), Я(Н) - коэффициенты прохождения и отражения от образца, измеренные в поле Н.
Целью проведенных микроволновых измерений с нанокомпозитами с частицами ферритов-шпинелей было установление типов магнитных резонансов, которые могут осуществляться в магнитных нанокомпозитах на основе опаловых матриц. Резонатор был включен в СВЧ-тракт каскадно, как это показано на рис. 3, б. При помещении образца в резонатор резонансные частоты уменьшаются, ширина резонансной линии увеличивается из-за микроволновых потерь в образце. Результаты измерения полевой зависимости амплитуды микроволнового сигнала для нанокомпозита с частицами Мп057п05Ее204 показаны на рис. 4. Наблюдается одна широкая линия магнитного резонанса.
Аналогичные измерения были выполнены с нанокомпозитом, содержащим частицы никель-цинкового феррита-шпинели №0 57п0 5Ее204, на нескольких собственных частотах резонатора. Результаты измерений приведены на рис. 5. На всех частотах в полях свыше 10 кЭ зарегистрировано резкое уменьшение прошедшего сигнала, связанное с магнитным резонансом в наночастицах феррита-шпинели. Однако поля в 12 кЭ оказалось недостаточно, чтобы достигнуть резонанса. Тем не менее, измерения показали, что изменения микроволнового сигнала в области резонанса велики, они достигают 50-60 %. Уменьшение прошедшего сигнала следует связать с диссипацией, вызванной увеличением мнимой компоненты эффективной магнитной проницаемости. Можно отметить, что в полях, меньших резонансного, наблюдается некоторое увеличение прошедшего сигнала. Оно вызвано уменьшением поглощения в области полей, соответствующих переходу действительной части проницаемости через нуль, то есть в области антирезонанса.
Измерения в волноводе были выполнены по схеме, показанной на рис. 3, а. Как правило, использовалась конфигурация полей Н1.Н~ как более информативная. Сопоставление резуль-
Магнитное поле. кЭ
Рис. 4. Магнитный резонанс в опаловой матрице, содержащей марганец-цинковый феррит Мп0,^п0,5Ре2О4, измерения в резонаторе
к
к
и
К
и
К
и
3
К
Л
4 и н к о О
к
н
О
,о-<! У' \
.--А- ^1 к
Л
—Г —^— Н \\\'
К\\
Ч-
\
4 6 8
Магнитное поле, кЭ
Рис. 5. Полевые зависимости микроволнового сигнала, прошедшего резонатор с образцом, содержащим наночастицы Nio,5Zno,5Fe2O4
татов измерения полевой зависимости коэффициентов прохождения и отражения для нанокомпозита, содержащего частицы кобальт-цинкового феррита Со0,352п0,65Бе204, проведено на рис. 6. Полученные зависимости, измеренные на частотах до 30 ГГц, оказались похожи друг на друга как по величине изменений, так и по форме зависимости. На этих зависимостях присутствует только уменьшение коэффициента прохождения, вызванное резонансом. На более высоких частотах характер зависимостей становится несколько различным. Если на полевой зависимости прошедшего сигнала, по-прежнему, присутствует только резонансное уменьшение прошедшего сигнала, то в отраженном сигнале в полях, меньших резонансного, наблюдается максимум коэффициента отражения.
Полевые зависимости изменений отраженного сигнала для образца, содержащего наночастицы никель-цинкового феррита, при Н1Н~ показаны на рис. 7. Обращают на себя внимание очень большие, до 4 раз, изменения отраженного сигнала в максимуме, которые можно назвать гигантскими. Уменьшение сигнала в резонансе визуально на рис. 7 кажется менее значительным, но в действительности оно достигает -90 %. Другими словами, в области резонанса отраженный сигнал уменьшается в 10 раз.
Рассмотрим прохождение и отражение волн от слабопроводящего ферромагнитного образца, помещенного в прямоугольный волновод. Полагаем, что выбран такой интервал частот, что в волноводе может распространяться только мода ТЕ10. Длина образца вдоль оси волновода равна С, поперечные размеры волновода а и Ь, причем а - это большая стенка волновода. Образец полностью занимает поперечное сечение волновода, как показано на рис. 3, а. Заполненный образцом участок волновода - область 2 - имеет эквивалентное сопротивление Z2, а незаполненные участки - сопротивление Z1. Обозначим через в2 комплексную постоянную распространения, в2= в 2 + їр’2. Комплексные коэффициенты прохождения В и отражения Я выражаются следующими формулами из [11]:
В =
Я =
1
оИР2С +1 ( + £, 1 )в2С
1 (-Г1 с
оИР2С +1 ( + ^-1 )в2С
(1)
(2)
к
К
3
К
л
п
V
н
к
о
о
к
н
о
А У (а)
.// ▲ /
— % ( J : /
—•— 26 ГГц —о— 28 ГГц —^— 30 ГГц 32 ГГц —▼— 34 ГГц —V— 36 ГГц —38 ГГц N ад У1
А
А V
7
1.1. Г
4 6 8 10
Магнитное поле , кЭ а)
12
14
Д
О
д
о
м
Д
о
д
е
о
[3
о
о
д
н
о
-10
-15
26 ГГц -О— 28 ГГц — 30 ГГц 32 ГГц 34 ГГц -V— 36 ГГц 37 ГГц
V
\
\
\
(б)
4
И1 Н
ш
Л
2
4
Магнитное поле , кЭ б)
Рис. 6. Полевые зависимости относительных изменений коэффициента прохождения (а) и коэффициента отражения (б) для нанокомпозита, содержащего частицы Coo,з5Zno,65Fe2O4 (толщина образца 1 мм)
10
5
0
0
6
8
10
12
14
Эквивалентные сопротивления для основной моды волновода ТЕ10 можно выразить через волновые сопротивления и Ж2 [12]:
п Ь,
г, = П Ч
2 а
где Ж = 120л/
1 -
2а/
Ж = 120гсц е
'е/ Ме/ '
2а/
и
<и
И
<и
я
со
«
-а
И
Л
5
Ё
о
О
и
н
с:
250
150
Здесь Е/, це/ - некоторые эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости, с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. Отметим, что в рассматриваемом случае нанокомпозит со включениями металла не может рассматриваться как хороший проводник, поскольку глубина скин-слоя (4-5 мм на рассматриваемых частотах) значительно больше толщины образца 1 мм. Поэтому можно считать, что в наших экспериментальных условиях скин-эффект в распределении электромагнитного поля проявляется слабо. Малость размеров включений (10-80 нм) по сравнению с глубиной скин-слоя дает возможность использовать приближение однородной среды с эффективными проницаемостями.
Одной из основных целей данной работы является установление условий наблюдения и физической природы максимумов коэффициента отражения и прохождения. Ранее при изложении экспериментальных результатов было показано, что максимумы наблюдаются на частотах, превышающих некоторое значение. Сопоставление данных, полученных для 3Б-нанокомпозитов с частицами разных ферритов, например, №0,52п0,5Ре2О4 и №0,352п0,65Ре2О4 или Со0,52п0,5Ре2О4 и Со0,352п0,65Ре2О4, показало, что величина этой частоты различна в каждой паре нанокомпозитов. При изложении результатов микроволновых измерений было высказано предположение, что максимум в коэффициенте отражения соответствует антирезонансу. Если это действительно так, то в явлении должны присутствовать две характерные черты: 1) максимум отражения наблюдается в области полей, где действительная часть магнитной проницаемости меняет знак; 2) максимум коэффициента отражения соответствует минимуму поглощенной мощности в образце. На образцах нанокомпозитов были измерены частотные зависимости модулей коэффициентов прохождения и отражения. Результаты для нанокомпозита, содержащего частицы мар-ганец-цинковой шпинели Мп0,52п0,5Бе2О4, показаны на рис. 8.
Коэффициент прохождения с ростом частоты в целом увеличивается, а коэффициент отражения - уменьшается. Численные значения коэффициентов на рис. 8 даны по мощности. На каждой частоте это Б(И = 0) и Я(И = 0). Видно, что в исследованном частотном интервале эти коэффициенты одного порядка по величине.
То же зафиксировано для всех изученных нанокомпозитов. На рис. 8 приведена также и частотная зависимость суммы этих коэффициентов. Разность 1 — ^ |^| +1^| ^ выражает долю поглощенной мощности. Ее можно выразить в децибелах и отнести на 1 мм толщины образца. Получится значение коэффициента поглощения в нулевом магнитном поле. Относительно этого значения можно отсчитывать изменения в магнитном поле. То есть для каждого значения поля И вычислять разность 1 — [ \Б(И)| + |^(И)| ] и выражать ее в дБ/мм. Результат для нанокомпозита
с частицами №052п05Ре2О4 показан на рис. 9. На более низкой частоте на зависимости присутствует один максимум поглощения. Он реализуется в поле И ~ 9 кЭ и соответствует магнитному резонансу. На более высокой частоте 36 ГГц максимуму поглощения предшествует минимум. Он наблюдается в поле И ~ 10,5 кЭ.
-100
. 1 —26 ГГц —О— 28 ГГц —А— 30 ГГц —32 ГГц —34 ГГц —V— 36 ГГц . —38 ГГц Г\
V
I
/ “ \
і Л \ - о \ \ Д-Д-/ V
' . * -1*** * а 1 А\
і
4 6 8
Магнитное поле , кЭ
10
12
Рис. 7. Полевая зависимость коэффициента отражения для нанокомпозита, содержащего частицы Мо^по,5ре204 (толщина образца 2 мм)
Проведенный анализ позволяет понять, почему экспериментально измеренные полевые зависимости коэффициентов отражения и прохождения на рис. 9, 10 на низких частотах имеют сходный вид. В рассмотренной области миллиметровых волн значения этих коэффициентов, измеренные без внешнего магнитного поля, имеют один порядок величины, |В(0)| ~ |^(0)|. Резонансный вид экспериментально измеренных зависимостей йт(Н) и гт(Н) обусловлен тем, что компоненты тензора магнитной проницаемости ц и ца при выполнении условий магнитного резонанса получают добавки, резонансным образом зависящие от напряженности магнитного поля. Соответственно резонансные добавки получат постоянная распространения р2 и отношение импедансов ^. Резонансные добавки вызваны поглощением волны в условиях магнитного резонанса, поэтому на полевых зависимостях коэффициентов прохождения и отражения наблюдается минимум.
Магнитный резонанс соответствует минимуму коэффициента прохождения. На рис. 10 положение минимумов для расчетной и экспериментальной зависимостей близкое и приходится на область Н~ 8,2...8,4 кЭ. На экспериментальной зависимости при полях, меньших поля резонанса, наблюдается максимум коэффициента прохождения, который соответствует минимуму поглощения волны, а именно антирезонансу. На частоте 26 ГГц положение максимума приходится на поле Н ~3,9 кЭ. На расчетной зависимости антирезонанс отсутствует, поскольку в использованном для расчета простом варианте теории последний не может быть получен. Для правильного описания антирезонанса требуется использовать метод расчета, предполагающий существование в проводящем ферромагнетике нескольких (трех) собственных волн. Кроме того, нужно осуществить корректный учет условий закрепления спинов на границах образца. Столь подробный расчет представляет самостоятельную сложную задачу и выходит за рамки данной статьи.
Сопоставим поле антирезонанса, за которое примем поле максимума на полевой зависимости коэффициента прохождения и поле Н 2 , в котором действительная часть магнитной проницаемости обращается в нуль; Яе (|1) = 0 . Согласно [13] зависимость поля Н2 от частоты задается соотношением
Н2 = ^(ю/у)2 +(2пМ)2 -2пМ . (3)
При / = 26 ГГц Н2 = 4,13 кЭ, что близко к экспериментально наблюдаемому значению поля для максимума 3,9 кЭ. В области от поля антирезонанса резонанса 3,9 кЭ до поля резонанса Н ~ 8,5 кЭ действительная часть магнитной проницаемости отрицательна. Отсюда следует, что наблюдаемый экспериментально максимум в коэффициентах прохождения и отражения действительно приходится на значение внешнего поля, в котором действительная часть магнитной проницаемости меняет знак. Зависимости действительной и мнимой частей эффективной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля, измеренные на частоте 26 ГГц в нанокомпозите с частицами никель-цинкового феррита, показаны на рис. 11.
В целом, в данной работе изучены электромагнитные свойства 3Б-нанокомпозита на основе опаловой матрицы с внедренными в межсферические пустоты наночастицами ферритов-шпинелей. Экспериментально продемонстрировано эффективное взаимодействие электромагнитных волн с 3Б-нанокомпозитами. В миллиметровом диапазоне изменения коэффициентов прохождения через пластину нанокомпозита и отражения от нее вызваны двумя физическими явлениями - магнитным резонансом и антирезонансом. Установлено, что спектры магнитного резонанса содержат акустическую ветвь.
Л
н
X
<ц
К
Я
К
-е
-е
(О
О
Частота, ГГ ц
Рис. 8. Частотные зависимости модулей коэффициентов прохождения и отражения по мощности, а также их суммы для 3D-нанокомпозита, содержащего частицы
Mno,5Zno,5Fe2O4
Магнитное поле, кЭ
Рис. 9. Полевые зависимости коэффициентов поглощения для нанокомпозита с частицами никель-цинкового феррита Мо^По^є^ на частотах 26 ГГц и 32 ГГц
Магнитное поле, кЭ
Рис. 10. Зависимости относительного изменения модуля коэффициента прохождения от напряженности магнитного поля
to
3.
7
6-
5-
4
З
2-
1-
0
-1
-2
Измерена частотная зависимость коэффициентов прохождения и отражения от нанокомпозитов при отсутствии внешнего магнитного поля. Было установлено, что в диапазоне частот от 26 до 38 ГГц коэффициент отражения в целом убывает, а коэффициент прохождения в целом возрастает при увеличении частоты волны. Разработан алгоритм расчета зависимости коэффициента прохождения от напряженности внешнего постоянного магнитного поля. Сопоставление расчетной и экспериментальной зависимостей показало, что в области магнитного резонанса, осуществляется разумное соответствие приведенных зависимостей.
Полученные результаты создают предпосылки для разработки управляемых магнитным полем высокочастотных устройств, работа которых будет основана на использовании микроволнового магнитного резонанса в магнитных нанокомпозитах на основе опаловых матриц. Такие устройства конструктивно достаточно просты и могут быть весьма эффективны в работе. В работе установлено, что для получения наибольших изменений микроволнового сигнала следует осуществлять ориентацию полей Н1Н~. Рассматриваемые материалы могут найти применение при создании управляемых аттенюаторов, фазовращателей и других устройств миллиметрового диапазона.
-1,00 -0,75 -0,50 -0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
(Н-И1)/И 1
Рис. 11. Действительная и мнимая части магнитной восприимчивости нанокомпозита с частицами N^,^0,^^, измеренная на частоте 26 ГГ ц
Работа выполнена при частичной поддержке проекта 12-М-23-2052.
Литература
1. Ozbay, E. Microwave applications of photonic crystals / E. Ozbay, B. Temelkuran, M. Bayindir / Progress In Electromagnetics Research. - 2003. - Vol. 41. - P. 185-209.
2. Ziolkowski, R. W. Wave propagation in media having negative permittivity and permeability R.W. Ziolkowski, E. Heyman // Phys. Rev. E. - 2001. - Vol. 64. - P. 056625 (1-15).
3. Kong, J.A. Electromagnetic wave interaction with stratified negative isotropic media / J.A. Kong / Progress In Electromagnetics Research. - 2002. - Vol. 35. - P. 1-52.
4. Photonic glasses / Ed. Fuxi Gan, Lei Xu. - Imperial College Press, 2006. - 460 p.
5. Negative refraction in ferromagnet-superconductor superlattices / A. Pimenov, A. Loidl, P. Przys-lupski, B. Dabrowski //Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 95. - P. 247009 (1-4).
6. Magnetotunable left-handed material consisting of yttrium iron garnet slab and metallic wires / H. Zhao, J. Zhou, Q. Zhao et al. //Appl. Phys. Lett. - 2007. - Vol. 91. - P. 131107 (1-3).
7. Negative refraction observed in a metallic ferromagnet in the gigahertz frequency range / A. Pimenov, A. Loidl, K. Gehrke et al. //Phys. Rev. Lett. - 2007. - Vol. 98. - P. 197401 (1-4).
8. Silveirinha, M.G. Tunneling of electromagnetic energy through sub-wavelength channels and bends using epsilon-near-zero (ENZ) materials /M.G. Silveirinha, N. Engheta //Phys. Rev. Lett. - 2006. -Vol. 97. - P. 157403.
9. Experimental verification of epsilon-near-zero metamaterial coupling and energy squeezing using a microwave waveguide / B. Edwards, A. Alu, M. Young et al. // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 100. -P. 033903.
10. Металломагнитные диэлектрические нанокомпозиты на основе опаловых матриц / М.И. Самойлович, А.Ф. Белянин, Н.И. Юрасов и др. //XIIМеждунар. науч.-техн. конф. «Высокие технологии в промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники)». - М., 2006. - C. 32-39.
11. Семенов, Н.А. Техническая электродинамика /Н.А. Семенов. - М. : Связь, 1973. - 480 c.
12. Лебедев, И.В. Техника и приборы СВЧ/И.В. Лебедев. - М. : Высш. шк., 1970. - Т. 1. - 440 с.
13. Гуревич, А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках / А.Г. Гуревич. -М. : Наука, 1973. - 591 с.
Поступила в редакцию 16 августа 2012 г.
Ринкевич Анатолий Брониславович. Доктор физико-математических наук, заместитель директора, Институт физики металлов УрО РАН, г. Екатеринбург. Область научных интересов - электродинамика сплошных сред, теория магнитных явлений, физическая акустика, обработка сигналов и изображений. Тел.: +7(343) 378-38-95; е-mail: [email protected]
Anatoly B. Rinkevich. Professor, PhD, the deputy director, Institute of Metal Physics UB RAS, Ekaterinburg. Professional interests - electrodynamics of continua, magnetism theory, physical acoustics, signal and image processing. Tel.: +7(343) 378-38-95; е-mail: [email protected]
Перов Дмитрий Владимирович. Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург. Область научных интересов - электродинамика сплошных сред, теория магнитных явлений, физическая акустика, обработка сигналов и изображений. Тел.: +7(343) 378-36-97; e-mail: [email protected]
Dmitry V. Perov. PhD, senior scientist of Institute of Metal Physics UB RAS, Ekaterinburg. Professional interests - electrodynamics of continua, magnetism theory, physical acoustics, signal and image processing. Tel.: +7(343) 378-36-97; e-mail: [email protected]
Самойлович Михаил Исаакович. Доктор технических наук, заведующий лабораторией, ОАО ЦНИТИ «Техномаш», г. Москва. Область научных интересов - физика твердого тела, искусственные гетероструктуры. Тел.: +7(495) 146-19-42; е-mail: [email protected]
Mikhail I. Samoylovich. Professor, PhD, the head of a laboratory of Central Research Technological Institute “Technomash”, Moscow. Professional interests - solid state physics, artificial heterostructures. Tel.: +7(495) 146-19-42; е-mail: [email protected]
Клещева Светлана Михайловна. Кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник ОАО ЦНИТИ «Техномаш», г. Москва. Область научных интересов - химия твердого тела, искусственные гетероструктуры. Тел.: +7(495) 146-10-95; е-mail: [email protected] Svetlana M. Kleshcheva. PhD, senior scientist of Central Research Technological Institute “Technomash”, Moscow. Professional interests - solid state chemistry, artificial heterostructures. Tel.: +7(495) 146-10-95; е-mail: [email protected]
