Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы исследования динамических свойств материалов с цилиндрическими магнитными доменами 17
1.1. Развитие методов исследования динамических свойств материалов с ЦМД 17
1.2. Методика исследования динамических доменных структур методом высокоскоростной фотографии 25
1.3. Метод измерения скорости доменных стенок 34
1.4. Методика исследования интегральных характеристик импульсного перемагничивания 37
1.5. Методика калибровки импульсных перемагничивающих устройств, определение временного и пространственного разрешения установок 44
Глава 2. Выращивание висмут-содержащих монокристаллических пленок феррит-гранатов 48
2.1. Развитие работ по синтезу Вс-МПФГ 48
2.2. Установка для выращивания Вс-МПФГ 56
2.3. Коэффициенты распределения гранатообразующих элементов 59
2.4. Неоднородность Вс-МПФГ по толщине 61
2.5. Методы экспресс-контроля параметров раствора-расплава и эпитаксиальных Вс-МПФГ 70
Глава 3. Исследование динамики доменных стенок в висмут-содержащих монокристаллических пленках феррит-гранатов с повышенным гиромагнитным отношением 76
3.1. Развитие исследований динамических свойств МПФГ с повышенным гиромагнитным отношением 76
3.2. Вс-МПФГ (Bi,R)3(Fe,Ga,Al)50i2 с повышенным гиромагнитным отношением 81
3.3. Вс-МПФГ (Bi,Gd,Tm)3(Fe,Ga)50i2 с повышенным гиромагнитным отношением 105
3.4. Уокеровские скорости ДС в Вс-МПФГ вблизи точки компенсации момента импульса 115
3.5. Влияние температуры на динамические свойства Вс-МПФГ с повышенным гиромагнитным отношением 127
Глава 4. Нелинейная динамика доменных стенок в висмут-содержащих монокристаллических пленках феррит-гранатов 133
4.1. Развитие исследований нелинейной динамики ДС в МПФГ 133
4.2. Механизм движения ДС с излучением спиновых волн 137
4.3. Нелинейная динамика ДС в Вс-МПФГ с малым затуханием 141
4.4. Нелинейная динамика ДС в Вс-МПФГ, содержащих быстрорелаксирующие ионы 154
4.5. Диффузная ДС в Вс-МПФГ 158
4.6. Аномальная магнитная вязкость и сползание ДС в Вс-МПФГ 165
4.7. Динамика ДС в Вс-МПФГ с бистабильными доменами 172
Глава 5. Динамика доменных стенок в висмут содержащих монокристаллических пленках феррит- гранатов с ромбической магнитной анизотропией 184
5.1. Развитие исследований динамических свойств МПФГ с ромбической магнитной анизотропией 184
5.2. Динамика ДС в Вс-МПФГ (Bi,Y,Lu)3(Fe,Ga)sOi2 с ориентацией (110) 190
5.3. Динамика ДС в Вс-МПФГ (Bi,Y,Lu, Pr)3(Fe,Ga)50i2 с ориентацией (210) 198
5.4. Влияние температуры на свойства Вс-МПФГ (Bi,Y,Lu, Pr)3(Fe,Ga)50i2 с ориентацией (210) 213
5.5. Динамика ДС в Вс-МПФГ (Bi,Eu)3(Fe,Ga)50i2 с разной ориентацией 215
Глава 6. Импульсное перемагничивание висмутсодержащих монокристаллических пленок феррит-гранатов 220
6.1 Развитие исследований импульсного перемагничивания МПФГ 220
6.2. Механизмы импульсного перемагничивания Вс-МПФГ в однородном магнитном поле 226
6.3. Структура ДС, зарождающихся при импульсном перемагничивании Вс-МПФГ 230
6.4. Механизмы импульсного перемагничивания Вс-МПФГ в неоднородном магнитном поле 237
6.5. Интегральные характеристики импульсного перемагничивания Вс-МПФГ 252
Основные результаты и выводы 261
Литература 264
- Методика исследования динамических доменных структур методом высокоскоростной фотографии
- Коэффициенты распределения гранатообразующих элементов
- Механизм движения ДС с излучением спиновых волн
- Влияние температуры на свойства Вс-МПФГ (Bi,Y,Lu, Pr)3(Fe,Ga)50i2 с ориентацией (210)
Введение к работе
Актуальность работы. Исследование движения намагниченности в ферримагнетиках представляет собой одно из важных направлений фундаментальной и прикладной физики. Причинами этого являются необходимость познания основных закономерностей динамического поведения спиновой системы магнитоупорядоченных веществ и интенсивное применение этих материалов в современной технике. В основе теорий движения намагниченности, как правило, лежит уравнение, предложенное более 60 лет назад Ландау и Лифшицем [1].
Большой интерес исследователей вызывают монокристаллы
феррит-гранатов [2,3]. При этом среди объектов исследований особое
место занимают монокристаллические пленки феррит-гранатов (МПФГ)
[4-6], выращиваемые методом жидкофазной эпитаксии из
переохлажденного раствора-расплава [7-18].
Интенсивное исследование эпитаксиальных МПФГ в последнюю четверть века было вызвано, прежде всего, разработкой запоминающих устройств (ЗУ) на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) [4,5,9-12,17,19-22].
Эпитаксиальные МПФГ обладают уникальной возможностью варьирования химического состава [9,15-18]: наличие трех катионных междоузлий с разными размерами позволяет вводить в состав МПФГ более половины всех элементов таблицы Менделеева, что предопределяет многообразие их физических свойств. Наличие трех магнитных подрешеток, связанных ферримагнитным взаимодействием, и наведенной в процессе роста магнитной анизотропии дает возможность в зависимости от состава МПФГ в широких пределах изменять их параметры [4,8-11,15-18].
Все эти свойства имели бы чисто академический интерес, если бы в действительности не удалось получить высококачественные
монокристаллы немагнитных гранатов и эпитаксиальные МПФГ большого диаметра, достигающего в настоящее время >100 мм.
МПФГ обладают уникальными магнитооптическими свойствами:
ни в одном известном магнитном материале не достижимо в видимом
диапазоне при высокой прозрачности такое фарадеевское вращение, как в
висмут-содержащих МПФГ (Вс-МПФГ), для которых оно достигает
1 град/мкм и более [9,16,18,23-26]. Это позволяет использовать Вс-МПФГ
в различных магнитооптических устройствах [9,18,24-29]. На основе этих
материалов могут быть созданы эффективные модуляторы и дефлекторы
видимого и инфракрасного диапазона, экономичные и эффективные
электрически или оптически управляемые транспаранты и
пространственно-временные фильтры, управляющие элементы волоконно-
оптических линий связи, дисплеи, реверсивные среды для записи
информации, устройства для визуализации записи с магнитного носителя,
интегрально-оптические устройства, датчики физических полей,
дефектоскопы и другие магнитооптические устройства.
Принцип действия многих устройств, в которых используются Вс-МПФГ, основан на движении намагниченности. В связи с этим с практической точки зрения исследование динамики ДС в Вс-МПФГ представляется актуальным.
С другой стороны, изящество физических явлений, наблюдающихся
в МПФГ, вызвало большой интерес и со стороны ученых, занимающихся
фундаментальными исследованиями динамических свойств
ферримагнетиков [4-6]. В частности, экспериментальные исследования динамики ДС и ЦМД, имеющие в первую очередь прикладные цели, позволили сразу же обнаружить ряд неожиданных физических эффектов: существование жестких ЦМД, наличие эффекта баллистического последействия при трансляционном продвижении ЦМД в градиентном магнитном поле, автодвижение ЦМД в переменном однородном магнитном поле и др. Ключ к их пониманию, как оказалось, лежит в структуре ДС. Хотя теоретические исследования этих эффектов отстают от экспериментальных, тем не менее, теория динамики ЦМД, основанная на
существенно нелинейном уравнении Ландау-Лифшица, в настоящее время построена.
Первый этап развития исследований динамики ЦМД систематизирован в превосходной монографии Малоземова и Слонзуски [4]. Отдельные вопросы динамики ДС и ЦМД нашли отражение также в монографиях других авторов [5,6,9-11,17,22,30].
Указанные выше книги посвящены в основном экспериментальным и теоретическим исследованиям в диапазоне относительно слабых и "умеренных" магнитных полей, действующих на ДС (много меньших поля одноосной магнитной анизотропии), что характерно для ЗУ на ЦМД. Несомненный интерес представляют исследования динамических свойств Вс-МПФГ в более высоких полях, сравнимых с полем одноосной магнитной анизотропии. Актуальность таких исследований существенно повышается в связи с большими успехами в разработке магнитооптических устройств. В этих устройствах для управления можно использовать более сильные магнитные поля, чем в ЗУ на ЦМД, а их принцип действия может быть основан не только на движении ДС, но и на вращении намагниченности.
Параметры Вс-МПФГ зависят от их химического состава. В связи с этим важным для повышения быстродействия является выяснение влияния состава этих пленок на их динамические параметры. Поскольку одно и то же значение параметра может быть получено в Вс-МПФГ различного состава, то важной задачей является и оптимизация состава материала с учетом других требований, предъявляемых к тому или иному конкретному устройству на основе Вс-МПФГ.
Цель работы - исследование быстропротекающих импульсных процессов в Вс-МПФГ в широком диапазоне магнитных полей и разработка на основе результатов этих исследований новых материалов с заданными свойствами для быстродействующих магнитооптических устройств. В рамках этого основного направления решаются задачи:
- разработка и использование нового метода измерения скорости движения ДС в широком диапазоне магнитных полей;
- разработка, получение и всестороннее исследование Вс-МПФГ с
повышенным эффективным значением гиромагнитного отношения;
- исследование нелинейной динамики ДС в магнитоодноосных
Вс-МПФГ;
- исследование динамики ДС в Вс-МПФГ с ромбической
магнитной анизотропией (РМА);
- исследование динамических доменных конфигураций и структуры
ДС, формирующихся при импульсном перемагничивании Вс-МПФГ.
Научная новизна результатов, составляющих содержание диссертации, заключается в следующем.
Впервые получены систематические экспериментальные данные о свойствах Вс-МПФГ разного состава с повышенным эффективным значением гиромагнитного отношения. Установлен и объяснен характер зависимости скорости ДС от действующего магнитного поля в этих материалах.
Впервые обнаружен пороговый эффект резкого возрастания дифференциальной подвижности при нестационарном движении ДС в МПФГ, который объясняется локальным вращением намагниченности вблизи движущейся ДС вследствие излучения ею затухающих спиновых волн (СВ).
Впервые в Вс-МПФГ с бистабильными ЦМД обнаружен и объяснен сильный эффект баллистического последействия при движении ДС несквозных ЦМД под действием однородного магнитного поля, который отсутствует при движении ДС несквозных полосовых доменов и трансляционном движении несквозных ЦМД.
4. Впервые определены динамические свойства быстродействующих
Y-содержащих Вс-МПФГ с ориентацией (ПО) и (210), включая
зависимости скорости ДС и формы динамических доменов от
действующего и планарного магнитных полей.
5. Впервые проведено экспериментальное исследование
импульсного перемагничивания МПФГ. Установлено, что ДС доменов с
обратной намагниченностью (ДОН), зарождающихся при импульсном
перемагничивании МПФГ, обладают одинаковой хиральностью. При
относительно малом перемагничивающем поле центрами зародышеобразования являются дефекты пленок.
Научная и практическая значимость работы:
Выявленные в настоящей работе закономерности при движении ДС в Вс-МПФГ под действием импульсного магнитного поля, сравнимого с полем одноосной магнитной анизотропии, и механизмы импульсного перемагничивания этих пленок представляют собой основу для дальнейшего развития теории в области ферримагнетодинамики.
Разработан новый метод измерения скорости ДС в пленках с одноосной магнитной анизотропией, обеспечивающий повышенную точность измерений, независимость их результатов от предыстории образца и постоянство действующего магнитного поля (А.с. СССР 1788523).
3. Разработан и синтезирован ряд новых Вс-МПФГ для
быстродействующих магнитооптических устройств (А.с. СССР
1248463,1254927, 1263108, 1263109, 1292511,1317997,1351446,1378676,
1481857, 1575799, 1597401, 1609206, 1614535, 1767988 и 1780426;
Патенты СССР 1541673 и 1836502; Патенты РФ 1584600, 1587584,
1604052, 1614670,1641106, 1739756, 2092832 и 2098856).
4. Разработаны новый динамический метод выявления магнитных
дефектов в материалах с ЦМД и ряд реализующих его устройств,
позволяющих повысить чувствительность и оперативность при контроле
дефектов (А.с. СССР 1039383, 1130899, 1195821 и 1318095).
5. Разработан ряд новых способов определения параметров
одноосных МПФГ вблизи точки компенсации момента импульса (КМИ)
(А.с. СССР 1501159, 1513518, и 1538189; Патенты РФ 1531161 и
1550584).
На защиту выносятся следующие положения:
1. В эпитаксиальных Вс-МПФГ на границе раздела
пленка/подложка формируется переходной поверхностный слой с
пониженной магнитной анизотропией.
2. Разработаны и синтезированы Вс-МПФГ с повышенным
гиромагнитным отношением для всех быстрорелаксирующих магнитных
редкоземельных ионов, которые в паре с ионом висмута создают одноосную магнитную анизотропию.
3. Разработаны и синтезированы Вс-МПФГ с повышенной
термостабильностью динамических параметров, одновременно
обладающие повышенным гиромагнитным отношением и РМА.
4. Введение ионов гадолиния в состав Вс-МПФГ позволяет снизить
уровень замещения железа немагнитными ионами, при котором
достигается компенсация момента импульса.
Пороговое поле и критическая скорость срыва стационарного движения ДС в эпитаксиальных Вс-МПФГ вблизи КМИ совпадает с соответствующими уокеровскими значениями, что объясняется неоднородностью пленок в переходных поверхностных слоях.
В МПФГ с разным параметром затухания и разной магнитной анизотропией, реализуется механизм движения ДС, сопровождаемого локальным вращением намагниченности перед движущейся ДС, которое инициируется спиновыми волнами (СВ), излучаемыми ДС.
В двухслойных Вс-МПФГ с бистабильными ЦМД при их переходах под действием однородного магнитного поля из сквозного состояния в несквозное и наоборот имеет место большой эффект баллистического последействия.
ДС, формирующиеся в процессе импульсного перемагничивания магнитоодноосных МПФГ, имеют одинаковую хиральность.
Форма динамических доменов, формирующихся при импульсном перемагничивании Вс-МПФГ с ромбической магнитной анизотропией, находит объяснение, если предположить, что и пороговое поле излучения СВ, и безразмерный параметр затухания являются анизотропными величинами.
10. Метод измерения скорости ДС в магнитоодноосных МПФГ,
основанный на импульсном перемагничивании пленок, обладает
повышенной точностью, независимостью результатов измерений от
предыстории образца и постоянством действующего магнитного поля.
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на IX Международном коллоквиуме по магнитным пленкам и поверхностям
(ПНР, Лодзь, 1979 г.), IX Международной конференции по ферритам
(Япония, Киото, 1980 г.), I Международном конгрессе по оптике и
оптической технике (Франция, Париж, 1989 г.), IX Международной
школе по когерентной оптике (СССР, Ужгород, 1989 г.), I Европейском
симпозиуме "Восток-Запад" по материалам и технологиям (Финляндия,
Хельсинки, 1991 г.), II Международном симпозиуме по магнито-оптике
(СССР, Харьков, 1991 г.), Всесоюзных конференциях по физике
магнитных явлений (Донецк, 1977 г.; Харьков, 1979 г.; Пермь, 1981 г.;
Донецк, 1985 г.), Всесоюзных конференциях по росту кристаллов (Ереван,
1985 г.; Москва 1988 г.), III Всесоюзной конференции по вычислительной
оптоэлектронике (Ереван, 1987 г.), Всесоюзных конференциях
"Современные проблемы физики и приложения" (Москва, 1984 г.; Москва, 1987 г.), IX Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития радиооптики" (Тбилиси, 1985 г.), Всесоюзных, всероссийских и международных школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Орджоникидзе, 1976 г.; Саранск, 1978 г.; Ашхабад, 1980 г.; Донецк, 1982 г.; Саранск, 1984 г.; Рига, 1986 г.; Ташкент, 1988 г.; Новгород, 1990 г.; Астрахань, 1992 г.; Москва, 1994 г., 1996 г., 1998 г. и 2002 г.), Всесоюзных совещаниях "Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники" (Москва, 1976 г.; Москва, 1979 г.), Всесоюзных школах-семинарах по доменным и магнитооптическим запоминающим устройствам (Астрахань, 1980 г.; Тбилиси, 1981 г.; Кобулети, 1987 г.), Всесоюзном совещании "Доменные и магнитооптические запоминающие устройства" (Суздаль 1985 г.), Всесоюзных объединенных семинарах по обмену опытом разработки средств вычислительной техники на цилиндрических магнитных доменах (Симферополь, 1979 г.; Москва, 1981 г.; Симферополь, 1983 г.; Алушта, 1985 г.; Симферополь, 1987 г.), V Всесоюзной школе по оптической обработке информации (Киев, 1984 г.), XV Всесоюзном семинаре "Гиромагнитная электроника и электродинамика" (Ташкент 1988 г.), Всесоюзном совещании-семинаре "Состояние и перспективы развития магнитооптики" (Ташкент, 1985 г.), Школе-семинаре молодых ученых по
магнитомикроэлектронике (Алушта, 1989 г.), П научной конференции «Фундаментальные проблемы физики" (Саратов, 2000 г.).
Основное содержание диссертации опубликовано в 85 печатных работах (выделены полужирным шрифтом в списке литературы): [7,18, 43, 84, 85, 101, 102, 108, 109, 118, 120, 125, 151, 162, 186, 199, 202-204, 229-233, 235-239, 242-245, 269, 272-275, 277, 279, 316, 317, 322, 323, 327, 330-335, 341, 342, 345, 346, 348, 359, 396-388, 403-405, 409, 411, 413, 415, 422, 429, 430, 432, 434, 436, 437, 439, 446, 447, 453, 465, 466, 468, 482, 483].
Объем и содержание работы. Объем диссертации составляет 311 страниц текста, включая 137 рисунков, 31 таблицу и список литературы из 483 наименований.
Диссертация содержит шесть глав, первый параграф каждой из которых является обзорным. В этих параграфах обсуждается развитие исследований по тем проблемам, к которым относятся остальные разделы соответствующей главы. В необходимых случаях подчеркивается вклад и приоритет автора данной диссертации. Каждая глава заканчивается выводами.
Первая глава посвящена обсуждению методов исследования динамических свойств материалов с ЦМД. Анализ известных методов исследований (методов динамического коллапса и расширения ЦМД, метода фотоэлектрической регистрации (фотоотклика) движения ДС полосовых доменов и изолированной ДС, метода Сикстуса-Тонкса-Четкина, метода трансляционного продвижения ЦМД, стробоскопического метода, методов одно-, двух- и многократной высокоскоростной фотографии (ВСФ), метода электронно-оптической хронографии и др.) показал, что решение поставленных задач можно обеспечить, используя метод ВСФ для регистрации динамических доменных структур в Вс-МПФГ и метод фотоотклика для регистрации интегральных характеристик импульсного перемагничивания (ИХИП) этих материалов. Второй параграф этой главы посвящен описанию методики исследования и экспериментальных установок ВСФ, использованных в работе для регистрации динамических доменных структур. Новый метод измерения скорости ДС, основанный на импульсном перемагничивании Вс-МПФГ и
обеспечивающий независимость результатов измерений от предыстории
образца, повышенную точность измерений и постоянство действующего
магнитного поля, описана в следующем параграфе. Четвертый параграф
этой главы содержит описание методики регистрации ИХИП (сигнал
перемагничивания, кривая импульсного перемагничивания) и
универсальной установки, использованной для ее реализации. Для
повышения отношения сигнал/шум в этой установке применено
специальное устройство, обеспечивающее подавление периодических
помех, дрейфа и шума регистрирующей аппаратуры. В последнем
параграфе приведены методика калибровки импульсных
перемагничивающих устройств с использованием нового способа, а также оценки временного и пространственного разрешения экспериментальных установок.
Во второй главе рассмотрены вопросы, относящиеся к
выращиванию Вс-МПФГ. Анализ развития разработок Вс-МПФГ показал
важность информации о коэффициентах распределения
гранатообразующих элементов для успешного синтеза новых составов пленок, существенное влияние начальной и заключительной стадий эпитаксиального роста, процесса деградации висмут-содержащего раствора-расплава, а также включений в состав пленки нетрехвалентных примесей на свойства Вс-МПФГ. Для выращивания Вс-МПФГ использовали обычный метод жидкофазной эпитаксии (п.2.2). Третий параграф содержит сведения о коэффициентах распределения гранатообразующих элементов, которые определяли с помощью нового способа. Следующий раздел посвящен исследованию неоднородности Вс-МПФГ с помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), показавшему наличие в Вс-МПФГ слоя с пониженным содержанием висмута на границе раздела пленка/подложка. В последнем параграфе главы 2 описаны новые методы экспресс-контроля температуры насыщения раствора-расплава, а также магнитных параметров Вс-МПФГ вблизи точек компенсации магнитного момента (КММ) и КМИ.
Методика исследования динамических доменных структур методом высокоскоростной фотографии
Исследование динамики ДС в данной работе, как правило, проводили методом однократной ВСФ, причем в разное время использовались различные установки. Импульсное перемагничивание Вс-МПФГ изучали с помощью универсальной магнитооптической установки, позволяющей регистрировать фотографии динамических доменов и сигнал перемагничивания. В первой из этих установок (рис. 1.1) в качестве источника подсветки использовали полупроводниковый инжекционный лазер 1 с двойным гетеропереходом на основе GaAs-GaAlAs, работающий на длине волны 0,9 мкм [42,83,84]. Это позволило легко управлять формой и длительностью импульса подсветки путем изменения формы и длительности импульса тока накачки лазера и, в частности, получать пачку из нескольких коротких импульсов излучения инжекционного лазера. Импульсная мощность лазерного излучения составляла 4-10 Вт. Светящаяся область, как правило, имела размеры 2 х 200 мкм2. При большом превышении над порогом ширина спектра излучения составляла 4 нм, что позволило избежать нежелательных интерференционных эффектов при наблюдении доменной структуры. Излучение лазера (рис. 1.1) с помощью оптической системы 2, 3 проецировали на поверхность исследуемого образца 8. Выбор участка образца для исследования, а также изменение размеров освещаемой области осуществляли путем относительного перемещения образца 8 и лазера 1 с помощью микрометрических подач. В качестве поляризатора 6 и анализатора 7 использовали призмы Аренса. Изображение доменной структуры с помощью объективов 4 и 5 проецировалось на фотокатод ЭОП 12. В установке использовался ЭОП типа УМИ-93 с кислородно-цезиевым фотокатодом, имеющий пространственное разрешение —10 линий/мм и коэффициент усиления по току 105. Электростатическая система отклонения электронного пучка ЭОП позволяла получать временные развертки (хронограммы) изображения одномерных объектов при подаче пилообразного напряжения на отклоняющие пластины ЭОП.
Питание ЭОП осуществлялось от стабилизированных высоковольтных выпрямителей, не показанных на схеме рис. 1.1. Для фокусировки электронного пучка в ЭОП использовали катушки 13, создающие однородное магнитное поле напряженностью -300 Э. Изображение на выходном экране ЭОП регистрировали с помощью фотоаппарата 14 марки "Зенит-Е" на фотопленку типа КН-4 или РФ-3. Для повышения светосилы объектива фотоаппарата была применена конструкция, состоящая из двух одинаковых объективов типа "Гелиос", развернутых на 180 относительно оптической оси. Для уменьшения уровня шума ЭОП 12 отпирался только на время, несколько превышающее длительность импульса подсветки. Запуск электронных схем в установке производился с помощью синхронизатора 15, вырабатывающего импульсы синхронизации с частотой 0,3-50 Гц или импульсы разового запуска. В режиме разового запуска синхронизатор 15 в свою очередь мог запускаться от синхроконтакта фотоаппарата 14. Импульсы с синхронизатора 15 поступали на вход генератора 16 типа Г5-54, задающего длительность пачки световых импульсов в пределах 0,1 - 1000 мкс. Синхроимпульсы с генератора 16 подавались на вход генератора 17 типа Г5-15, задающего длительность импульсов магнитного поля в пределах 0,1 - 10 мкс. С выхода генератора 17 импульсы поступали на усилитель-ограничитель 18, позволяющий получать на нагрузке 150 Ом импульсы тока амплитудой до 13 А с длительностью фронта и среза не более 20 не.
Специальные генераторы 22 и 23 вырабатывали импульс затвора и пилообразное напряжение развертки, которые подавались на ЭОП 12.
Контроль формы импульсов магнитного поля, тока накачки лазера, затвора и развертки и их относительного временного положения осуществлялся с помощью осциллографа 24 типа С1-54 или измерителя временных интервалов типа И2-7. Относительное временное положение импульсов подсветки и начала импульса магнитного поля изменяли с помощью линий и схем задержки генераторов 17 и 20 в пределах 1 мс с точностью 1 не. Поле смещения создавалось катушкой 9, внутри которой помещался образец. Катушки Гельмгольца 10 формировали постоянное магнитное поле в плоскости образца напряженностью до 500 Э. Импульсное магнитное поле формировалось с помощью расположенной у
Коэффициенты распределения гранатообразующих элементов
При переходе к новой подложке или к новому растворителю в случае выращивания МПФГ сложного состава необходимо определить коэффициенты распределения гранатообразующих, в частности, редкоземельных элементов. Для этой цели нами предложен новый способ [186], согласно которому синтез МПФГ осуществляют из раствора-расплава, содержащего до 10 и более различных редкоземельных компонентов в равной катионной концентрации. Суммарная концентрация редкоземельных компонентов в растворе-расплаве не превышала 2 мол.%. Вследствие сильного разбавления раствора-расплава, взаимным влиянием редкоземельных компонентов на характер их участия в реакции образования твердой фазы на границе раздела фаз можно было пренебречь. При столь малых концентрациях все редкоземельные ионы в растворе-расплаве разделены друг от друга несколькими слоями ионов, составляющих растворитель или избыточные гранатообразующие компоненты. Наличие в растворе-расплаве редкоземельных элементов с разным ионным радиусом практически всегда обеспечивает образование МПФГ. расстоянии 50 4- 60 нм от поверхности подложки. В этой области интенсивности сигналов от Fe и Y уменьшаются от стационарных значений до уровня шума, а от Gd и Ga возрастают от уровня шума до значений, характерных для объема подложки. Это можно объяснить частичным растворением подложки на начальной стадии роста.
Подложка ГГГ не позволяет идентифицировать РЬ в слое ПП вследствие экранировки его электронных линий линиями Gd. Однако о наличии свинца на границе ПП косвенно свидетельствует ход кривых распределения Fe, Y, Ga и Gd на глубине 170 н- 230 нм от поверхности пленки, где интенсивности сигналов от Fe и Y упали до уровня шума, а от Ga и Gd еще не достигли стационарных значений. Концентрация кислорода в слое ПП возрастает на 30 % по сравнению с объемом пленки и подложки, что свидетельствует о нестехиометричности граната. На рис.2.5 представлен профиль концентраций элементов для Вс-МПФГ, которая выращена из раствора-расплава, содержащего СаО (слои ПВ и ПП изображены в увеличенном по оси абсцисс масштабе) [203]. Видно, что распределение элементов в слоях ПВ и ПП заметно отличается от объемного. В частности, в слое ПВ толщиной 0,15 мкм содержание Y изменяется в 2,7 раза, а содержание Ві в 2,0 раза. Содержание РЬ на поверхности Вс-МПФГ почти на порядок выше, чем в объеме. Значения Есв и ширины спектральной линии Pb4f7/2 позволили заключить, что валентное состояние свинца РЬ2+. Сигнал от Pt в слое ПВ не превышал уровень шума. Увеличение сигнала от Са сопровождается изменением фотоэлектронного спектра Fe2p, что, по-видимому, обусловлено появлением ионов Fe 4+ для компенсации заряда ионов Са2+. Однако этот механизм ЗК не является единственным и доминирующим. В зависимости от содержания Са существенно меняется фотоэлектронный спектр Ols, показанный для разных сечений Вс-МПФГ на рис.2.6 (спектры а-г соответствуют точкам а-г на рис.2.5) [203]. Линия с Есв =531,1 эВ обычно принадлежит кислороду адсорбированных примесей [216], который легко удаляется при очистке поверхности Вс-МПФГ ионами Аг+ с энергией 500 н- 830 эВ. Однако в исследованных
Са-содержащих Вс-МПФГ снижение интенсивности этой линии наблюдалось лишь при энергии ионов около 2 кэВ. Наличие этой линии может быть вызвано хемосорбцией кислорода на поверхности Вс-МПФГ, связанной с присутствием кислородных вакансий, концентрация которых возрастает с ростом содержания Са, или примесями ионов О" (о возможной компенсации заряда ионов Са ионами О"1 в МПФГ сообщалось в работе [222]. В слое ПП толщиной 0,1 -ь 0,2 мкм происходит уменьшение сигналов от элементов, входящих в состав Вс-МПФГ, от стационарных значений до уровня шума и увеличение сигналов от элементов, входящих в состав подложки, от уровня шума до значений, характерных для подложки. Таким образом, эти данные свидетельствуют о том, что ЗК ионов
Механизм движения ДС с излучением спиновых волн
Вопрос о механизме зарождения микродоменов перед движущейся ДС представляется нам принципиально важным для физики магнитных явлений [272,330,331]. Если бы этот эффект не зависел от параметра затухания МПФГ, то это свидетельствовало бы о его статической природе. В противном случае эффект генерации микродоменов - существенно динамический. Если бы зарождение микродоменов определялось квазистатическим вращением намагниченности в соответствии с соотношением Стонера-Вольфарта [351]: где Н = Ни - Нсм - действующее магнитное поле, приложенное вдоль нормали к плоскости пленки, Нпл - компонента магнитного поля, параллельная ее плоскости, то для объяснения удаленности микродоменов от ДС необходимо было бы, чтобы хотя бы одна из компонент полей рассеяния вблизи ДС имела экстремум на некотором расстоянии от нее. Существующие в настоящее время теории ДС [4-6] показывают, что компоненты полей рассеяния не имеют экстремумов вдали ДС. Если бы зарождение микродоменов имело бы солитонную природу, то в эксперименте должна была бы наблюдаться характерная для солитонных объектов связь скорости и размеров микродоменов [98]. Наконец, зарождение микродоменов может быть связано с диссипативными процессами в МПФГ [352,353], при этом важным фактором должен быть параметр затухания. Проведенное нами исследование большого количества образцов с разными параметрами показало, что зарождение микродоменов вблизи движущейся ДС происходит лишь в МПФГ с малым а.
Параметры некоторых из этих образцов приведены в табл.4.1. Эксперименты показали, что при а 0,15 этот эффект не наблюдается. В частности, зарождение микродоменов вблизи движущейся ДС не происходит в Вс-МПФГ с высоким у. Следовательно, этот эффект является существенно динамическим, а диссипативные процессы с малым временем релаксации препятствуют либо зарождению микродоменов, либо росту их зародышей. Учитывая этот факт, а также то, что ДС представляет собой локализованное неоднородное распределение намагниченности, причем скорость ДС (см., например, соотношение (3.30)) существенно ниже, чем минимальная фазовая скорость СВ [93]: естественным является наше предположение о спин-волновом механизме генерации микродоменов. Ходенков [354] показал, что, если основная СВ, то возможно излучение энергии возбужденной ДС в объем, занимаемый доменами. Более того, излучение СВ, хотя и более слабое, возможно на гармониках основного колебания ДС. Мы предположили, что СВ, излучаемые ДС, и являются теми «магнитными возмущениями», вызывающими генерацию микродоменов перед движущейся ДС [317,330,331]. При этом пороговое поле, при котором начинается генерация микродоменов, должно быть не ниже порога излучения СВ. Этот порог определен Ходенковым [317,352] в рамках спин-волнового механизма следующим образом. Прецессия вектора намагниченности с частотой уН может быть связана с частотой СВ ш (к) соотношением: где п - порядок энгармонизма, к - волновое число. Поскольку интенсивность излучения СВ быстро спадает с ростом п, будем учитывать только n = 2. Ходенковым для пленок с малым затуханием использован следующий закон дисперсии для невыгодно намагниченного домена:
Поскольку область формирования СВ ограничена объемом ДС, то нижнюю и верхнюю границы для диапазона действующих магнитных полей, где имеет место эффект генерации СВ, можно определить из (4.4) из условий к = 0 и к = До"1. В первом приближении по Q"1 из (4.4) для порогового значения амплитуды импульса магнитного поля получаем: для нижней границы и для верхней. Заметим, что если эффективная ширина ДС отличается от 7тДо, то изменится и величина Ни . Чтобы определить ширину области XQB вблизи ДС, для которой сохраняются представления о незатухающих СВ, подставим в закон дисперсии (4.4) со + ico вместо ши k + ik" вместо к. Учитывая, что св = 2я / к" и со= 2 у Н, получаем:
Влияние температуры на свойства Вс-МПФГ (Bi,Y,Lu, Pr)3(Fe,Ga)50i2 с ориентацией (210)
В тех случаях, когда ДОН имеет каплеобразную форму (рис.5.11,6), движение участка ДС, соответствующего "заостренной" части капли, является нестабильным, а на нем наблюдаются искажения, то есть, имеет место однонаправленное повышение скорости ДС. При увеличении Н эта нестабильность уменьшается, однако изображение указанного участка ДС уширяется. Далее с ростом Н на "уширенном" участке ДС появляется "выемка", как на рис,5.11,г и рис.5.12,6 (однонаправленное понижение скорости ДС). При большом Н ДОН становится практически круглым. Такая динамика ДОН находит простое объяснение в рамках спин-волнового механизма. Для того направления в плоскости пленки, вдоль которого ориентирована "заостренная" часть каплеобразного ДОН, эффективное поле анизотропии минимально, поэтому для участка ДС, движущегося вдоль этого направления, прежде всего, происходит локальное вращение намагниченности, поэтому и появляется "заострение". Однако для него локальное вращение ДС и в первую очередь прекращается, следствием чего является однонаправленное понижение скорости. Когда ни для каких участков ДС локальное вращение намагниченности не наблюдается, ДОН становится круглым. В случае, когда на ограниченном участке ДС наблюдаются искажения (рис.5.11,д), положение искаженного и неискаженного участков зависит от амплитуды импульсного магнитного поля. Так, для образца № 4 в табл.5.3 при Нсм = 86 Э и изменении поля Ни от 209 до 283 Э их местоположение изменяется путем "поворота" на угол примерно равный 90 по часовой стрелке по периметру домена. Такой поворот легко объяснить в рамках спин-волнового механизма, поскольку искажения ДС наблюдаются в узком диапазоне действующих магнитных полей: при увеличении Н искажения проявляются для тех участков ДС, которые движутся вдоль направлений, характеризуемых все большим полем магнитной анизотропии.
В эксперименте это выглядит как перемещение ("поворот" местоположения) искаженного участка по периметру домена. Искажения ДС исчезают при Ни = 312 Э, однако изображение ДС становится уширенным. При Н 560 Э ДОН становится практически круглым. Наличие максимума на зависимости скорости ДС от действующего магнитного поля, когда Н Hw (рис.5.1-5.3, 5.15-5.17) объясняется ограниченностью диапазона действующих магнитных полей, где имеет место излучение СВ. При этом, если компонента РМА достаточно велика, такая ситуация, как в Вс-МПФГ с ориентацией (111), когда СВ излучаются одновременно всеми участками ДС ДОН, становится невозможной. Другими словами, при достаточно большой РМА нет ни одного значения действующего магнитного поля, при котором, с учетом магнитной анизотропии в плоскости пленки, для любой ориентации замкнутой ДС имеются условия для излучения СВ. Это, с учетом зависимости глубины затухания СВ от параметра затухания, и приводит к многообразию форм динамических ДОН в Вс-МПФГ с РМА. С целью компенсации или, наоборот, усиления тех или иных компонент анизотропии в плоскости Вс-МПФГ прикладывали постоянное планарное магнитное поле. Для детального исследования была выбрана Вс-МПФГ с однонаправленной анизотропией скорости ДС (образец № 7 в табл.5.3). Азимутальные зависимости критических значений поля смещения Нем (ф) и планарного магнитного поля Нпл (ф) для этого образца приведены на рис.5.10. Поле Нпл вначале прикладывали вдоль того направления в плоскости пленки, где скорость ДС максимальна. Действующее магнитное поле Н = 160 Э выбирали таким, чтобы анизотропия скорости ДС была максимальной. При фиксированном
Н регистрировали зависимость V (Нпл), которая приведена на рис.5.18, где также показаны характерные формы ДОН соответствующие различным значениям Нпл- Видно, что зависимость сильно несимметрична относительно оси ординат. При отрицательном Нпл (направление оси абсцисс выбрано условно) минимальная скорость ДС VMHH резко возрастает с ростом Нпл, тогда как максимальная скорость VMaKC меняется слабо. При Нпл = Н = - 250 Э анизотропия скорости ДС исчезает, а при Нпл = Нвр" = - 300 Э начинается процесс вращения намагниченности по всей поверхности Вс-МПФГ. При положительном Нпл (рис.5.18) с ростом его напряженности VMHH практически не меняется до Нпл = 300 Э, в то время как VMaKc уменьшается (кривая 2). При Нпл « 200 Э искажения появляется на противоположной стороне ДОН, причем скорость сначала увеличивается с ростом Нпл (до Нпл = 500 Э), а затем уменьшается (кривая 3). При Нпл = 800 Э наблюдается однонаправленное понижение скорости ДС. При Нпл = Н = 900 Э анизотропия скорости ДС исчезает. Вращение намагниченности при положительном Нпл начинается, если Нпл = Нвр = = 1500 Э. Заметим, что значения Нвр+ и Нвр" различаются в 5 раз.
Зависимости VMaKC и VMHH от Нпл для случая, когда планарное магнитное поле приложено перпендикулярно направлению, вдоль которого имеет место однонаправленное повышение скорости ДС, приведены на рис.5.19. Видно, что и в этом случае зависимость V (Нпл) сильно несимметрична относительно оси ординат, причем анизотропия скорости ДС имеет место при всех значениях Нвр" Нпл Нвр+. При положительном Нпл происходит изменение местоположения участка ДС, для которого скорость максимальна, причем в диапазоне 40 Э Нпл 120 Э искажения наблюдаются с обеих сторон ДОН. Зависимость VMHH (Нпл) имеет минимум при Нпл -Ои максимум при Нпл = - 400 Э, где также наблюдается максимум VMaKC. Вращение намагниченности начинается при Нвр+ = 260 Э и Нвр" = - 1800 Э, то есть значения Нвр+ и Нвр" различаются в 7 раз. Несимметричность кривых на рис.5.18 и 5.19 свидетельствует о том, что ни направление, для которого скорость ДС при Нпл = 0 максимальна, ни перпендикулярное к нему направление не совпадают с направлением плоскостной компоненты суммарного эффективного поля анизотропии. Из кривых на рис.5.10 можно сделать вывод, что суммарное эффективное поле анизотропии в плоскости пленки направлено под углом ф = 53 (233 ), поскольку при таком ф значение Нсм обращается в нуль. Зависимость V (Нпл) для ф = 53 приведена на однонаправленного повышения скорости ДС происходит при очень малых значениях Нпл, а пороговые поля вращения намагниченности для противоположных направлений Нпл практически совпадают. При -200 Э Нпл 200 Э наблюдаются Изменение напряженности Нпл при фиксированном направлении этого поля, а также изменение направления планарного магнитного поля при фиксированном Нпл относительно слабо влияют на вид кривых V(H). Основной эффект состоит в изменении порогового поля, при котором появляются искажения (однонаправленная анизотропия скорости ДС).
