Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

Все выпуски

Все выпуски
 
2025 Выпуск 1
 
2024 Выпуск 6
 
2024 Выпуск 5
 
2024 Выпуск 4
 
2024 Выпуск 3
 
2024 Выпуск 2
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

K. A. Merencova, A. V. Telegin, Yu. P. Sukhorukov, I. D. Lobov, S. V. Naumov, S. S. Dubinin, A. P. Nosov

THE KERR EFFECT IN NANOSIZED BiYIG STRUCTURES ON GGG AND YAG SUBSTRATES

DOI: 10.17804/2410-9908.2025.1.044-056

The polar Kerr effect in ultrathin Bi-doped yttrium iron garnet (BiY2Fe5O12) films is studied in the energy range 1.3 eV < E < 4.5 eV in constant external magnetic fields of up to 12 kOe at room temperature. The films with thicknesses ranging from 5 to 55 nm are produced by high-vacuum magnetron sputtering on single crystalline gadolinium-gallium Gd3Ga5O12 (111) and yttrium-gallium Y3Al5O12 (211) garnet substrates. All the films exhibit high structural perfection and significant magneto-optical response. Kerr rotation for the films reaches up to +0.33° in a 2 kOe saturation field. It is shown that a decisive role in the spectral and field dependences of the Kerr effect for the thin-film nanostructures on polished substrates is played by the contribution of reflected light and the magneto-optical properties of the substrate. For example, for the substrates with a polished back side, the Kerr effect is negative and reaches about −0.42°, which is comparable in magnitude with the effect in the films. At the same time, there is practically no Kerr rotation for the substrates with a diffuse scattering back side, and the spectral dependence of the effect for the thin-film nanostructures is close to the dependences for bulk samples of the same composition. The findings can be of interest for specialists in magneto-optics and the synthesis of thin-film magnetic nanostructures based on yttrium iron garnet.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment from the Russian Ministry of Science and Higher Education, themes No 122021000036-3 (Spin) and No 122021000035-6 (Function). The shared research facilities of the IMP UB RAS were used to conduct the X-ray spectroscopic and X-ray diffraction studies of the films.

Keywords: Magneto-optical Kerr effect, yttrium iron garnet, nanosized films, interface phenomena, magnetron sputtering

References:

  1. Zvezdin, A.K. and Kotov, V.A. Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials, CRC Press, Boca Raton, 1997, 404 p. DOI: 10.1201/9780367802608.
  2. Stadler, B.J.H. and Mizumoto, T. Integrated magneto-optical materials and isolators: a review. IEEE Photonics Journal, 2014, 6 (1), 0600215. DOI: 10.1109/JPHOT.2013.2293618.
  3. Kharratian, S., Urey, H., and Onbaşli, M.C. Advanced materials and device architectures for magnetooptical spatial light modulators. Advanced Optical Materials, 2020, 8 (1), 19013481. DOI: 10.1002/adom.201901381.
  4. Alisafaee, H. and Ghanaatshoar, M. Optimization of all-garnet magneto-optical magnetic field sensors with genetic algorithm. Applied Optics, 2012, 51 (21), 5144–5148. DOI: 10.1364/AO.51.005144.
  5. Telegin, A. and Sukhorukov, Yu. Magnetic semiconductors as materials for spintronics. Magnetochemistry, 2022, 8 (12), 173. DOI: 10.3390/magnetochemistry8120173.
  6. Jesenska, E., Yoshida, T., Shinozaki, K., Ishibashi, T., Beran, L., Zahradnik, M., Antos, R., Kučera, M., and Veis, M. Optical and magneto-optical properties of Bi substituted yttrium iron garnets prepared by metal organic decomposition. Optical Materials Express, 2016, 6 (6), 1986–1997. DOI: 10.1364/OME.6.001986.
  7. Wittekoek, S., Popma, T.J.A., Robertson, J.M., and Bongers, P.F. Magneto-optic spectra and the dielectric tensor elements of bismuth-substituted iron garnets at photon energies between 2.2–5.2 eV. Physical Review B, 1975, 12 (7), 2777–2788. DOI: 10.1103/PhysRevB.12.2777.
  8. Hansen, P. and Krumme, J.-P. Magnetic and magneto-optical properties of garnet films. Thin Solid Films, 1984, 114 (1–2), 69–107. DOI: 10.1016/0040-6090(84)90337-7.
  9. Sumi, S., Awano, H., and Hayashi, M. Interference induced enhancement of magneto-optical Kerr effect in ultrathin magnetic films. Scientific Reports, 2018, 8 (1), 776. DOI: 10.1038/s41598-017-18794-w.
  10. Zvezdin, A.K., Koptsik, S.V., Krinchik, G.S., Levitin, R.Z., Lyskov, V.A., and Popov, A.I. Anomalous field dependence of the Faraday effect in paramagnetic Gd3Ga5O12 at 4.2 K. JETP Letters, 1983, 37 (7), 393–396.
  11. Novotný, P., Křižánková, M., and Boháček, P. Investigation of Gd3Ga5O12 by micropolarimetry. Journal of Analytical Sciences, Methods and Instrumentation, 2013, 3 (1), 13–16. DOI: 10.4236/jasmi.2013.31003.
  12. Mukimov, K.M., Sokolov, B.Yu., and Valiev, U.V. The Faraday effect of rare-earth ions in garnets. Physica Status Solidi (A), 1990, 119 (1), 307–315. DOI: 10.1002/pssa.2211190136.
  13. Wang, W. Magnetic and magneto-optical properties of Nd3Ga5O12 in high magnetic fields. Journal of Applied Physics, 2007, 102 (6), 063905. DOI: 10.1063/1.2781525.
  14. Guillot, M., Wei, X., Hall, D., Xu, Y., Yang, J.H., and Zhang, F. Magnetic and magneto-optical properties of neodymium gallium garnet under “extreme” conditions. Journal of Applied Physics, 2003, 93 (10), 8005–8007. DOI: 10.1063/1.1558086.
  15. Euler, F. and Bruce, J.A. Oxygen coordinates of compounds with garnet structure. Acta Crystallographica, 1965, 19 (6), 971–978. DOI: 10.1107/S0365110X65004747.
  16. Sizov, F.F. and Ukhanov, Yu.I. Magnitoopticheskie effekty Faradeya i Foigta primenitelno  k poluprovodnikam [The Faraday and Voigt Magneto-Optic Effects Applied to Semiconductors]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1979, 178 p. (In Russian).
  17. Casals, B., Espínola, M., Cichelero, R., Geprägs, S., Opel, M., Gross, R., Herranz, G., and Fontcuberta, J. Untangling the contributions of cerium and iron to the magnetism of Ce-doped yttrium iron garnet. Applied Physics Letters, 2016, 108 (10), 102407. DOI: 10.1063/1.4943515.
  18. Visnovsky, S., Prosser, V., Krishnan, R., Parizek, V., Nitsch, K., and Svobodova, L. Magnetooptical polar Kerr effect in ferrimagnetic garnets and spinels. IEEE Transactions on Magnetics, 1981, 17 (6), 3205–3210. DOI: 10.1109/TMAG.1981.1061610. 
  19. Berzhansky, V., Mikhailova, T., Shaposhnikov, A., Prokopov, A., Karavainikov, A., Kotov, V., Balabanov, D., and Burkov, V. Magneto-optics of nanoscale Bi:YIG films. Applied Optics, 2013, 52 (26), 6599–6606. DOI: 10.1364/AO.52.006599.
  20. Franta, D. and Mureșan, M.-G. Wide spectral range optical characterization of yttrium aluminum garnet (YAG) single crystal by the universal dispersion model. Optical Materials Express, 2021, 11 (12), 3930–3945. DOI: 10.1364/OME.441088.
  21. Veis, M., Lišková, E., Antoš, R., Višňovský, Š., Kumar, N., Misra, D.S., Venkataramani, N., Prasad, S., and Krishnan, R. Polar and longitudinal magneto-optical spectroscopy of bismuth substituted yttrium iron garnet films grown by pulsed laser deposition. Thin Solid Films, 2011, 519 (22), 8041–8046. DOI: 10.1016/j.tsf.2011.06.007.
  22. Sabbaghi, M., Hanson, G.W., Weinert, M., Shi, F., and Cen, C. Terahertz response of gadolinium gallium garnet (GGG) and gadolinium scandium gallium garnet (SGGG). Journal of Applied Physics, 2020, 127 (2), 025104. DOI: 10.1063/1.5131366.
  23. Suturin, S.M., Korovin, A.M., Bursian, V.E., Lutsev, L.V., Bourobina, V., Yakovlev, N.L., Montecchi, M., Pasquali, L., Ukleev, V., Vorobiev, A., Devishvili, A., and Sokolov, N.S. Role of gallium diffusion in the formation of a magnetically dead layer at the Y3Fe5O12/Gd3Ga5O12 epitaxial interface. Physical Review Materials, 2018, 2 (10), 104404. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.104404.

К. А. Меренцова, А. В. Телегин, Ю. П.Сухоруков, И. Д. Лобов, С. В. Наумов, С. С. Дубинин, А. П. Носов

ЭФФЕКТ КЕРРА В НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ BiYIG НА ПОДЛОЖКАХ GGG И YAG

Исследован полярный эффект Керра в сверхтонких пленках Bi-допированного железоиттриевого граната BiY2Fe5O12 в энергетическом интервале 1,3 эВ < Е < 4,5 эВ в постоянных магнитных полях до 12 кЭ при комнатной температуре. Показано, что пленки толщиной от 5 до 55 нм, полученные методом высоковакуумного магнетронного напыления на монокристаллических подложках гадолиний-галлиевого Gd3Ga5O12 (111) и иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 (211), характеризуются высоким структурным совершенством и большой величиной магнитооптического отклика. Величина керровского вращения для пленок достигает +0,33° в поле насыщения 2 кЭ. Показано, что в спектральных и полевых зависимостях эффекта Керра для тонкопленочных наноструктур на полированных подложках определяющую роль играет вклад отраженного света, а также магнитооптические свойства подложки. Например, для подложек с полированной обратной стороной эффект Керра отрицательный и достигает −0,42°, что сопоставимо по величине с эффектом в пленках. В то же время для подложек с диффузно-рассеивающей обратной поверхностью керровское вращение практически отсутствует, а спектральная зависимость эффекта для тонкопленочных наноструктур близка к зависимостям для объемных образцов такого же состава. Полученные результаты представляют интерес для специалистов в области магнитооптики и синтеза тонкопленочных магнитных наноструктур на основе железоиттриевого граната.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственной программы Министерства науки и высшего образования РФ (проекты «Спин» №. 122021000036-3 и «Функция» №. 122021000035-6).

Ключевые слова: магнитооптический эффект Керра, железоиттриевый гранат, тонкие пленки, интерфейсные явления, магнетронное напыление

Библиография:

  1. Zvezdin A. K., Kotov V. A. Modern magnetooptics and magnetooptical materials. – Boca Raton : CRC Press, 1997. – 404 p. – DOI: 10.1201/9780367802608.
  2. Stadler B. J. H., Mizumoto T. Integrated magneto-optical materials and isolators: a review // IEEE Photonics Journal. – 2014. – Vol. 6 (1). – P. 0600215. – DOI: 10.1109/JPHOT.2013.2293618.
  3. Kharratian S., Urey H., Onbaşli M. C. Advanced materials and device architectures for magnetooptical spatial light modulators // Advanced Optical Materials. – 2020. – Vol. 8 (1). – P. 19013481. – DOI: 10.1002/adom.201901381.
  4. Alisafaee H., Ghanaatshoar M. Optimization of all-garnet magneto-optical magnetic field sensors with genetic algorithm // Applied Optics. – 2012. – Vol. 51 (21). – P. 5144–5148. – DOI: 10.1364/AO.51.005144.
  5. Telegin A., Sukhorukov Yu. Magnetic semiconductors as materials for spintronics // Magnetochemistry. – 2022. – Vol. 8 (12). – P.  173. – DOI: 10.3390/magnetochemistry8120173.
  6. Optical and magneto-optical properties of Bi substituted yttrium iron garnets prepared by metal organic decomposition / E. Jesenska, T. Yoshida, K. Shinozaki, T. Ishibashi, L. Beran, M. Zahradnik, R. Antos, M. Kučera, M. Veis // Optical Materials Express. – 2016. – Vol. 6 (6). – P. 1986–1997. – DOI: 10.1364/OME.6.001986.
  7. Magneto-optic spectra and the dielectric tensor elements of bismuth-substituted iron garnets at photon energies between 2.2–5.2 eV / S. Wittekoek, T. J. A. Popma, J. M. Robertson, P. F. Bongers // Physical Review B. – 1975. – Vol. 12 (7). – P. 2777–2788. – DOI: 10.1103/PhysRevB.12.2777.
  8. Hansen P., Krumme J.-P. Magnetic and magneto-optical properties of garnet films // Thin Solid Films. – 1984. – Vol. 114 (1–2). – P. 69–107. – DOI: 10.1016/0040-6090(84)90337-7.
  9. Sumi S., Awano H., Hayashi M. Interference induced enhancement of magneto-optical Kerr effect in ultrathin magnetic films // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8 (1). – P. 776. – DOI: 10.1038/s41598-017-18794-w.
  10. Anomalous field dependence of the Faraday effect in paramagnetic Gd3Ga5O12 at 4.2 K / A. K. Zvezdin, S. V. Koptsik, G. S. Krinchik, R. Z. Levitin, V. A. Lyskova, A. I. Popov // JETP Letters. – 1983. – Vol. 37 (7). – P. 393–396.
  11. Novotný P., Křižánková M., Boháček P. Investigation of Gd3Ga5O12 by micropolarimetry // Journal of Analytical Sciences, Methods and Instrumentation. – 2013. – Vol. 3 (1). – P. 13–16. – DOI: 10.4236/jasmi.2013.31003.
  12. Mukimov K. M., Sokolov B. Yu., Valiev U. V. The Faraday effect of rare-earth ions in garnets // Physica Status Solidi (A). – 1990. – Vol. 119 (1). – P. 307–315. – DOI: 10.1002/pssa.2211190136.
  13. Wang W. Magnetic and magneto-optical properties of Nd3Ga5O12 in high magnetic fields // Journal of Applied Physics. – 2007. – Vol. 102 (6). – P. 063905. – DOI: 10.1063/1.2781525.
  14. Magnetic and magneto-optical properties of neodymium gallium garnet under “extreme” conditions / M. Guillot, X. Wei, D. Hall, Y. Xu, J. H. Yang, F. Zhang // Journal of Applied Physics. – 2003. – Vol. 93 (10). – P. 8005–8007. – DOI: 10.1063/1.1558086.
  15. Euler F., Bruce J. A. Oxygen coordinates of compounds with garnet structure // Acta Crystallographica. – 1965. – Vol. 19 (6). – P. 971–978. – DOI: 10.1107/S0365110X65004747.
  16. Сизов Ф. Ф., Уханов Ю. И. Магнитооптические эффекты Фарадея и Фойгта применительно к полупроводникам. – Киев : Наукова думка, 1979. – 178 с.
  17. Untangling the contributions of cerium and iron to the magnetism of Ce-doped yttrium iron garnet / B. Casals, M. Espínola, R. Cichelero, S. Geprägs, M. Opel, R. Gross, G. Herranz, J. Fontcuberta // Applied Physics Letters. – 2016. – Vol. 108 (10). – P. 102407. – DOI: 10.1063/1.4943515.
  18. Magnetooptical polar Kerr effect in ferrimagnetic garnets and spinels / S. Visnovsky, V. Prosser, R. Krishnan, V. Parizek, K. Nitsch, L. Svobodova // IEEE Transactions on Magnetics. – 1981. – Vol. 17 (6). – P. 3205–3210. – DOI: 10.1109/TMAG.1981.1061610.
  19. Magneto-optics of nanoscale Bi:YIG films / V. Berzhansky, T. Mikhailova, A. Shaposhnikov, A. Prokopov, A. Karavainikov, V. Kotov, D. Balabanov, V. Burkov // Applied Optics. – 2013. – Vol. 52 (26). – P. 6599–6606. – DOI: 10.1364/AO.52.006599.
  20. Franta D., Mureșan M.-G. Wide spectral range optical characterization of yttrium aluminum garnet (YAG) single crystal by the universal dispersion model // Optical Materials Express. – 2021. – Vol. 11 (12). – P. 3930–3945. – DOI: 10.1364/OME.441088.
  21. Polar and longitudinal magneto-optical spectroscopy of bismuth substituted yttrium iron garnet films grown by pulsed laser deposition / M. Veis, E. Lišková, R. Antoš, Š. Višňovský, N. Kumar, D. S. Misra, N. Venkataramani, S. Prasad, R. Krishnan // Thin Solid Films. – 2011. – Vol. 519 (22). – P. 8041–8046. – DOI: 10.1364/OME.441088.
  22. Terahertz response of gadolinium gallium garnet (GGG) and gadolinium scandium gallium garnet (SGGG) / M. Sabbaghi, G. W. Hanson, M. Weinert, F. Shi, C. Cen // Journal of Applied Physics. – 2020. – Vol. 127 (2). – P. 025104. – DOI: 10.1063/1.5131366.
  23. Role of gallium diffusion in the formation of a magnetically dead layer at the Y3Fe5O12/Gd3Ga5O12 epitaxial interface / S. M. Suturin, A. M. Korovin, V. E. Bursian, L. V. Lutsev, V. Bourobina, N. L. Yakovlev, M. Montecchi, L. Pasquali, V. Ukleev, A. Vorobiev, A. Devishvili, N. S. Sokolov // Physical Review Materials. – 2018. – Vol. 2 (10). – P. 104404. – DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.104404.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

The Kerr Effect in Nanosized Biyig Structures on Ggg and Yag Substrates / K. A. Merencova, A. V. Telegin, Yu. P. Sukhorukov, I. D. Lobov, S. V. Naumov, S. S. Dubinin, A. P. Nosov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2025. - Iss. 1. - P. 44-56. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2025.1.044-056. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_498.html
(accessed: 06.05.2025).

 

импакт-фактор
РИНЦ 0.42

категория К2
в перечне ВАК

МРДМК 2024
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2025, www.imach.uran.ru