Microstructure of bismuth doped yttrium iron garnets thin films

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Complex structural studies of nanosized bismuth-doped yttrium iron garnet (BYIG) films were performed using X-ray diagnostics, scanning/transmission electron microscopy, and energy-dispersive X-ray microanalysis. The crystal structure of the film-substrate interface, the near-surface layers together with change in interplanar distances along the film thickness were determined. The features of the film microstructure were revealed: the presence of pores, the absence of misfit dislocations at the interface, the formation of maghemite (γ-Fe2O3) particles on the film surface and a decrease in the Bi content towards the film surface. Assumptions were made about the change in the Bi content depending on the film thickness, which can serve as an explanation for the mechanism of decreasing the magnitude of magneto-optical effects in these films with decreasing thickness.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. A. Subbotin

National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Moscow

E. M. Pashaev

National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Moscow

A. O. Belyaeva

National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Moscow

I. N. Trunkin

National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Moscow

S. S. Dubinin

Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Ekaterinburg

K. A. Merentsova

Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Ekaterinburg

M. S. Artemyev

Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Ekaterinburg

A. P. Nosov

Institute of Metal Physics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Ekaterinburg

A. L. Vasiliev

National Research Center “Kurchatov Institute”; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Author for correspondence.
Email: a.vasiliev56@gmail.com
Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny

References

  1. Zvezdin A.K., Kotov V.A. // Modern Magnetooptics and Magnetooptical Materials. CRC Press, 1997. P. 381. https://doi.org/10.1887/075030362x
  2. Stadler B.J.H., Mizumoto T. // IEEE Photonics J. 2013. V. 6. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2013.2293618
  3. Kharratian S., Urey H., Onbasli M.C. // Adv. Opt. Mater. 2020. V. 8. № 1. P. 1901381. https://doi.org/10.1002/adom.201901381
  4. Alisafaee H., Ghanaatshoar M. // Appl. Opt. 2012. V. 51. № 21. P. 5144. https://doi.org/10.1364/AO.51.005144
  5. Telegin A., Sukhorukov Y. // Magnetochemistry. 2022. V. 8. № 12. P. 173. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry8120173
  6. Rehspringer J.-L., Bursik J., Niznansky D. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2000. V. 211. № 1–3. P. 291. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(99)00749-0
  7. Erol M., Ozturk Y., Avgin I. et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2009. V. 153. № 1. P. 012049. https://doi.org/10.1088/1742-6596/153/1/012049
  8. Matsumoto K., Sasaki S., Asahara Y. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 1992. V. 104. P. 451. https://doi.org/10.1016/0304-8853(92)90875-O
  9. Sellappan P., Tang C., Shi J. et al. // Mater. Res. Lett. 2017. V. 5. № 1. P. 41. https://doi.org/10.1080/21663831.2016.1195779
  10. Kumar R., Samantaray B., Hossain Z. // J. Phys.: Condens. Matter. 2019. V. 31. P. 435802. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab2e93
  11. Sposito A., Gregory S.A., de Groot P.A.J. et al. // J. Appl. Phys. 2014. V. 115. № 5. https://doi.org/10.1063/1.4864134
  12. Kahl S., Grishin A.M. // J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 278. № 1–2. P. 244. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2003.12.1355
  13. Kidoh H., Morimoto A., Shimizu T. // Appl. Phys. Lett. 1991. V. 59. № 2. P. 237. https://doi.org/10.1063/1.105977
  14. Fratello V.J., Licht S.J., Brandle C.D. et al. // J. Cryst. Growth. 1994. V. 142. № 1–2. P. 93. https://doi.org/10.1016/0022-0248(94)90274-7
  15. Okada M., Katayama S., Tominaga K.J. // Appl. Phys. 1991. V. 69. № 6. P. 3566. https://doi.org/10.1063/1.348498
  16. Deschanvres J.L., Cenda D. // J. Magn. Magn. Mater. 2002. V. 242–245. № 2. P. 1172. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(01)01290-2
  17. Jesenska E., Yoshida T., Shinozaki K. et al. // Opt. Mater. Express. 2016. V. 6. № 6. P. 1986. https://doi.org/10.1364/OME.6.001986
  18. Krumme J.P., Doormann V., Willich P. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57. № 8. P. 3885. https://doi.org/10.1063/1.335486
  19. Okuda T., Koshizuka N., Hayashi K. et al. // IEEE Trans. Magn. 1987. V. 23. № 5. P. 3491. https://doi.org/10.1109/TMAG.1987.1065531
  20. Sukhorukov Y.P., Telegin A., Lobov I.D. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2024. V. 608. P. 172415. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.172415
  21. Lee I.J., Kim J.Y., Yu C. et al. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2005. V. 23. P. 1450. https://doi.org/10.1116/1.2013321
  22. Andreeva M., Baulin R., Nosov A. et al. // Magnetism. 2022. V. 2. № 4. P. 328. https://doi.org/10.3390/magnetism2040023
  23. Yakunin S.N., Makhotkin I.A., Nikolaev K.V. et al. // Opt. Express. 2014. V. 22. № 17. P. 20076. https://doi.org/10.1364/OE.22.020076
  24. Jergel M., Mikulik P., Majkova E. et al. // J. Phys. D. 1999. V. 32. № 10A. P. A220.
  25. Васильев А.Л., Субботин И.А., Беляева А.О. и др. // Физика металлов и металловедение. 2024. Т. 125. № 1. С. 70.
  26. Пруцков Г.В., Чесноков Ю.М., Васильев А.Л. и др. // Кристаллография. 2017. Т. 62. № 6. С. 947. https://doi.org/10.7868/S0023476117060194
  27. Афанасьев А.М., Имамов Р.М., Ломов А.А. и др. // Тр. ФТИАН. 1999. Т. 14. С. 54.
  28. Афанасьев А.М., Чуев М.А., Имамов Р.М. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 74. № 10. С. 560.
  29. Chesnokov Y.M., Vasiliev A.L., Prutskov G.V. et al. // Thin Solid Films. 2017. V. 632. P. 79. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.04.033
  30. Subbotin I.A., Pashaev E.M., Vasilev A.L. et al. // Phys. B: Condens. Matter. 2019. V. 573. P. 28. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.06.044
  31. Born M., Wolf E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. Cambridge: University Press. 1999. 952 p.
  32. Abel`es F. // J. Phys. Radium. 1950. V. 11. № 7. P. 307. https://doi.org/10.1051/jphysrad:01950001107030700
  33. Dvoryankina G.G., Pinsker Z.G. // Doklady Akademii Nauk SSSR. Russ. Acad. Sci. 1960. V. 132. № 1. P. 110.
  34. Claassen A.A. // Proc. Phys. Soc. London. 1925. V. 38. № 1. P. 482. https://doi.org/10.1088/1478-7814/38/1/348
  35. Mazzocchi V.L., Parente C.B.R. // J. Appl. Cryst. 1998. V. 31. P. 718.
  36. Okudera H., Toraya H. // Z. Kristallogr. 1998. V. 213. P. 461.
  37. Mitra A., Cespedes O., Ramasse Q. et al. // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 11774. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10281-6
  38. Fischer P., Hälg W., Stoll E. et al. // Acta Cryst. 1966. V. 21. № 5. P. 765.
  39. Durán A., Ostos C., Arnache O. et al. // J. Appl. Phys. 2017. V. 122. № 13. https://doi.org/10.1063/1.5005908
  40. Sawada H. // J. Solid State Chem. 1997. V. 132. № 2. P. 300. https://doi.org/10.1006/jssc.1997.7462
  41. Thornton J.A. // J. Vac. Sci. Technol. 1974. V. 11. № 4. P. 666. https://doi.org/10.1116/1.1312732
  42. Thornton J.A. // J. Vac. Sci. Technol. 1975. V. 12. № 4. P. 830. https://doi.org/10.1116/1.568682
  43. Masłyk M., Borysiewicz M.A., Wzorek M. et al. // Appl. Surf. Sci. 2016. V. 389. P. 287. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.098
  44. Borysiewicz M.A., Dynowska E., Kolkovsky V. et al. // Phys. Status Solidi. A. 2012. V. 209. № 12. P. 2463. https://doi.org/10.1002/pssa.201228041
  45. Fortio Godinho V.C., Rojas Ruiz T.C., Fernández Camacho A. // Micropor. Mesopor. Mater. 2012. V. 149. № 1. P. 142. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.08.018
  46. Godinho V., Moskovkin P., Álvarez R. et al. // Nanotechnology. 2014. V. 25. № 35. P. 355705. https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/35/355705
  47. Han Y., Li S., Li X. et al. // ACS Omega. 2024. V. 9. № 12. P. 14551. https://doi.org/10.1021/acsomega.4c00540
  48. Dukarov S., Petrushenko S., Sukhov V. et al. // Problems Atomic Sci. Technol. 2014. V. 89. P. 110.
  49. Borysiewicz M.A., Barańczyk P., Zawadzki J. et al. // Crystals. 2024. V. 14. № 11. P. 965. https://doi.org/10.3390/cryst14110965
  50. Lee Y.Z., Zeng W.Y., Cheng I.C. // Thin Solid Films. 2020. V. 699. P. 137913. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.137913
  51. Chen L., Kong L., Wang Y. et al. // Metall. Mater. Trans. B. 2024. P. 1. https://doi.org/10.1007/s11663-024-03409-3
  52. Zurbuchen M.A., Lettieri J., Fulk S.J. et al. // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. № 26. P. 4711. https://doi.org/10.1063/1.1574406

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Wide-angle X-ray diffractometry (a) and diffraction reflection curves 444 (b) and 888 (c) from the studied samples with a thickness of 30 (1) and 51 nm (2).

Download (235KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Reconstructed profiles of the interplanar distance distribution by depth for films with a thickness of 30 (a) and 51 nm (b). The dashed and dotted lines show the values ​​of the interplanar distances d444 (1) and d888 (2) for ideal BiY2Fe5O12 and Gd3Ga5O12 single crystals.

Download (178KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Experimental (dots) and theoretical (solid lines) X-ray reflectometry curves for films 30 (a) and 51 nm (b) thick, obtained for the final model of the structure. The lower lines are the curves of the σ residuals.

Download (187KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Profiles of the polarizability distribution χ0 – χh by depth of films with a thickness of 30 (a) and 51 nm (b), obtained as a result of the analysis of the angular dependences of the specular reflection coefficient (1) and diffraction reflections 444 (2) and 888 (3).

Download (171KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Bright-field TEM images of cross-sections of samples with a thickness of 30 (a) and 51 nm (b). The Pt and Au layers are technological, formed during the preparation of samples for electron microscopic studies, α is an amorphous layer on the surface of the sample.

Download (284KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dark-field HTDT-STEM image of a cross-section of a 51 nm thick sample (a) and element distribution maps: b – Bi, c – Y, d – Fe, d – Ga, f – O, g – Gd, h – composite map of Gd, Ga, Bi, Y, Au.

Download (627KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. HRTEM image of the BYIG film (a): the square highlights the γ-Fe2O3 particle, the rectangle – the EDX mapping region; α – the amorphous layer on the film surface. Two-dimensional Fourier spectrum corresponding to γ-Fe2O3 in the [112] projection (b). EDX map of the distribution of Bi (c), Fe (d), and Y (e).

Download (774KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Graphs of the distribution of elements measured along the line from the outer surface of the protective gold film Au to ~40 nm in the depth of the GGG substrate. The lower part shows the HTDS-STEM image of a cross-section of a 30 nm thick sample, the arrow indicates the scanning direction. The inset shows the distribution of Ar in the pore region.

Download (375KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dark-field HTDT-STEM image of a cross-section of a 51 nm thick sample (a) and element distribution maps: b – Bi, c – composite map of Bi, Y, Fe.

Download (161KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. HRTEM images of film samples with a thickness of 30 (a) and 51 nm (α is an amorphous layer on the surface of the BYIG film) (b) in the [110] projection. The arrows indicate the supposed interface.

Download (639KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».