Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Магнитные пленки и концепция фрактала в магнетизме 14
1,1. Модели перемагничивания 14
1,2. Основные характеристики магнитооднаосных пленок 26
1,3. Свойства фрактальных агрегатов и применение концепции фрактала к описанию явлений в магнитных средах 34
ГЛАВА II. Методика эксперимента. экспериментальные результаты 42
2.1. Технология выращивания пленок с фрактальной доменной структурой 42
2.2. Исследование кристаллографической структуры пленок 47
2.3. Установки для изучения гистерезиса и доменной структуры 49
2.4. Экспериментальное исследование доменной структуры и процесса перемагничивания 52
2.5. Измерение фрактальной размерности 57
ГЛАВА II. Обсуждение результатов эксперимента. построение фрактальной модели перемаґничивания 61
3.1. Геометрия доменной структуры и ее фрактальные характеристики 61
3.2. Динамика доменной структуры и структура доменной границы 64 .
3.3. Построение феноменологической модели доменной структуры и процесса перемагничивания 71
ГЛАВА IV. Компьютерная модель доменной структуры и процесса ее перемагничивания 76
4 1. Компьютерная модель доменной структуры 76
4.2, Моделирование динамики развития доменной структуры в магнитном поле 78
4 3. Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментом 80
ГЛАВА V. Некоторые применения исследуемых пленок 84
Заключение 89
Библиографический список 91
Приложение 99
- Основные характеристики магнитооднаосных пленок
- Установки для изучения гистерезиса и доменной структуры
- Динамика доменной структуры и структура доменной границы
- Моделирование динамики развития доменной структуры в магнитном поле
Введение к работе
Проблема реальной, -і,е. дефектной структуры твердых тел и способов ее
регулирования, является одной из центральных и актуальных в современной физике твердого тела и материаловедения Не составляет исключения и обласіь магнитных материалов. Магнитные и структурные свої їства ферромагнитных материалов в виде пленок и тонких слоев в настоящее мремя достаточно хорошо изучены [1, 2, >.4, 5, 6,1, 8,9, 10, ] ]], Они нахОДЯт широкое применение в качестве управляющих элементов СВЧ устройств (ответвители, вентили, волноводы и др,), в качестве активных элементов в цеіінх ВОЛОКОННОЙ ошикп [12], в качестве информационной среды для магнитных элементов памяти большой емкости [13. 14] [] т.д. Усилия специалистов сосредоточены на разработке и поиске материалов, способных обеспечиїь получение ошимальных технических характеристик, таких как быстродействию, ліеріосмкосіь. соответствие необходимому частотному спектру и т.д. [15, 16]. Особое Цесчо среди тгих материалов занимают эпитаксиальные пленки, поскольку современные технологии позволяют выращивать шитаксиальные пленки с регулируемой плотностью дефектен. в частности с очень низкими ее лечениями [17, [8]. меньше чем 10 см"". Тем не менее, даже такая низкая плотность дефекту может заметно влиять на динамические характеристики пленок ш-за взаимодействия доменных границ (ДГ) с дефектами. Механизм этого взаимодействия ееюдпя не вполне ясен, чем и объясняется обилие существующих моделей взаимодействуя ДГ с дефектами. Известно, что увеличение плотности дефектов ферромагниіньЕХ пленок (ФМП) до величин порядка (Ї 0 ч- 10 ') см" изменяет не только динамические, но и ста тические характеристики пленок [19, 20, 23], например, приводит к увеличению коэрцитивной силы Нс ферромагнитного образца. Увеличение коэрцитивпости
способствует повышению надежности сохранения информации в магнитной информационной среде, увеличению срока службы постоянных магнитов, используемых в миниатюрных электродвигателях, акустических системах и т.л-Таким образом, исследование механизма взаимодействия ДГ с дефектами в на-
стоящее время имеет принципиальное значение и является актуальной проблемой,
Для изучения механизма взаимодействия ДГ с дефектами решаются частные задачи; исследуется і еомегрия, структура и поведение ДГ во внешнем магнитном поле Н . Оптимальным материалом для таких исследований являются, по-видимому, прозрачные феррогранатовые (ФГ) .эпитаксиальные пленки. Во-первых, потому, что технология синтеза ФГ пленок позволяет реализовать в них широкий диапазон плотностей дефектов (от 10 см'^ до 101(>см"2). Во-вторых введение в решетку ФГ ионов церия иди висмута приводит к гигантскому магнитооптическому эффекту Фарадея. При этом магнитооптическая добротность достигает значении 50 град/дБ и выше. Это позволяет использовать Для изучения доменной структуры (ДС) эффект Фарадея, который на два порядка выше эффекта Керра, применяемого для непрозрачных ФМП, и является безинерци-онным, в отличие от метода порошковых фигур.
Последние исследования ФГ пленок с высокой плотностью дефектов, обусловленных плоскостными механическими напряжениями, показали, что в них реализуется неупорядоченная ДС, в отличие от пленок с низкой плотно стью дефектов. Подобные ДС наблюдались ранее, например, в пленках гексо-ферритов, феррошпинелеи. интерметаллических пленках и д,р. Исследования в этой области требуют, с одной стороны, получения поаых экспериментальных данных по закономерностям формирования ДС и, с другой стороны, поиска новых подходов к ее теоретическому описанию. Сейчас, в результате развития компьютерных технологий, появилась реальная возможность решать статистические задачи методами фрактальной топологии. Эгот подход оказался весьма плодотворным прл рассмотрении неупорядоченных структур, возникающих ь результате различных процессов, таких как диффузия, агрегация, конденсации и т.п. Есть все основания ожидать, что окажется полезным н при исследовании магнитных материалов, в которых состояние намагниченности соответствует степени упорядоченности ДС. а процессы перемагничиїзнния всегда связаны с ее перестройкой-
Цель работы
Разработка фракгалышй модели персмагничивйниялпитаксиалъной пленки
ФГ как процесса ліюлюции ее фрактальной доменну структуры- Для достижения поставленной цели были сформулированы прОмсж\ і очные более частные задачи;
1, Магнитооптическими методами и методами фрактальной геометрии исследовать доменную структуру (ДС) и ее поведение в магнитном поле для феррогрянатоиых пленок, вырашепиых в плоска и (111) методом жидко-фазной эпитйксии (ЖФЭ) па галлин-гадолшшовых подложках, в условиях пеуетойчиво^ш фроя'іи кристаллизации. 2Г Построить феноменологическую модель намагничивания реального 4іерртґагнетикз (то есть с учетам вумє.ік?дсҐісг#кя доменной {-ранты с де-фектами); включающую в себя механизм образования фрактальных доменных структур.
Провести аиробадию модели с помощью компьютерного моделирования. На основе полученных данных установить зависимость фрактальных характеристик доменных структур о-] параметром пленки и внешних условий.
Определить влияние футш.ши распределения магнитных дефектов в плоскости пленки пи геометрию ДС.
Рассмотреть возможность практического применения исследуемых пленок и разработанной модели.
Научная новшеш
Выбранный подход, в рамках концепции фрагсг-ала, к анализу процесса пере магн и чивания феррогранлчоиой пленки является оригинальным, что позволило получить ряд попых результатов:
1. Впертые летально исследованы элитаксИальные феррогралаювые пленки, ш.граіпенньїе в условиях концентрационной неустойчивости фронта кристаллизации: кристаллическая структура, геометрии доменной структуры и ее поведение в магнитном чоле. Впервые установлено,
что основной причиной образования фрактальных доменных кластеров в пленках феррогранатов являются стенки дислокаций, ограничивающие блоки кристаллической с гру туры.
2. Рассмотрена фрактальная природа процесса персмагничивания. В рамках концепции фрактала предложена модель перемагничивания исследуемых пленок, позволяющая предсказать основные параметры и форму петли гистерезиса.
.3. Впервые лронедено компьютерное моделирование процесса перемагничивания j[[ix пленок.
Найдена снячь между функцией распределения чігтнигньіх полей дефектов в плоскости пленки и геометрией доменной сгрутуры,
Рассмотрена возможность использования модели доменной структуры и процесса перемаїннчивания в исследуемых пленках для анализа процессов персмагничивания поли кристаллического ферромагнетика,
Научпо-пракгическое значение работы
Результаты исследования ДС напряженных пленок ферриграната и ее поведение в магнитном ноле позволяют распространись представления и методы фрактальной топологии па описание доменных структур и процессов их перемагничивания,
Проведенные исследования, показывают также, что моделв доменной структуры и процесса перемагничивания, разработанная для напряженных пленок феррограната, может быть использована для описания аналогичных процессов в тонких слоях поликристаллического ферромагнетика, которые применяются в качестве запоминающей среды для магнитных дисков. Понимание физических процессов, протекающих в процессе записи, позволяет влиять на характеристики носителей информации путем изменения технологии их производства.
Сшщифика доменной структуры в исследуемых пленках и ее перссіройки в магнитном иоле позволяют использовать их в учебном процессе - имен-
но для наблюдения и демонстрации скачков Баркгаузена, и изучения процессов перемагничивания.
На защиту ве^гноснтсн следующие положения:
> результаты экспериментальных исследований геометрии ДС и ее перс-
стройки в магнитном поле при наличии критических напряжений, опреде
ляющих вид ДС в плоскости пленки;
V феном^нолої ическая модель фрактальной доменной структуры и процесса перемагничивания;
> методика компьютерного моделирования процесса развития плоских фрак
тальных доменных кластеров в магнитном ноле.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ,
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоиі из введення, іши глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертационной работы сто две страницы, включая тридцать три рисунка и библиографию содержащую восемьдесят семь наименований.
Основное содержание работы
Во введений обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются задачи' исследования и основные результаты, выносимые на защиту, а также дается краткая аннотация диссертационной работы.
Первая глава "Магнитные пленки и концепция фрактала в магнетизме" является литературным обзором, который условно можно разлепить на две части:
> первая - посвящена процессам перемагничивапия ферромагнитных пленок. Рассмоіреньї доменные структуры в тонких феррозранатовых пленках, виды доменных границ, их статические и динамические характеристики. Освещен вопрос, связанный с формированием стабильных ДС в ЦМД-пленках. Более подробно рассмотрены пленки, обладающие одноосной анизотропией обусловленной процессами роста пленки и механическими напряжениями, ^ вторая часть обзора посвящена общим понятиям фрактальной геометрии и применению концепции фрактала в теории конденсированной среды, в частности к описанию явлений в магнитных средах. Задача определения фрактальной размерности для мопофракталов рассматривается как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения.
На основании проведенного анализа работ формулируются цель и задачи исследований, направленные на решение проблемы влияния лефекн.ч* гранатовой пленки на ее м;п ншные и технические характерисікки.
Во второй глазе "Методика эксперимента. Экспериментальные результаты" представлены экспериментальные результаты исследований кристаллической и магнитной структуры феррограпнк'іїь:х м.іенок состава (ВіД'Дт.Оо'ІзіРе.ОаХїОтг выращенных veголом жилкофазной ^питаксии (ЖФ")і на галлий-гадолпмиевых подложках н плоскости (111). За счет разности постоянных реніеюк пленки и подложки составляющей —0.5% пленка находится в состоянии критического сжимающего напряжения, что обуславливает высокое значение коэрцитивной силы (- 100'")) и специфику кристаллической ггрукч}-ры. Исследовались образцы, имеюшие следующие параметры: тишину 4-^ 5мкм. намагниченность насыщения Ms - 5кЛ !ы > коэрцитивная сила
Нс -8кЛ/м, отичеекая добротность - 50 град/дБ (для /-6328 А), Кристаллографические исс іедоват-шя проводились на металлографическом микроскопе МИМ-SM и элект|)ошюм микроскопе 'JMb-ІООБ. Установлено, что пленка я\л-ращена в плоскости (111) и является монокристалл ической, со средним разме-
ром блока - 5 мкм, Исследования ДС и процесса перемапшчивания проводилось с помощью магнитооптического эффекта Фарадея. Для этого использона-лась установка, собранная на базе поляризационного микроскопа, снабженного видеокамерой соединенном с компьютером. По результатам структурного анализа и по снимкам ДС в амплитудном и фазовом контрасте проведено сравнение размера зерна -эпитаксиэльпой пленки и ширины домена, в результате которого установлено, что ширина домена r среднем равна размеру блока, Статистическим методом определена плотность зародышей обратной намаїпичешю-
сти (-ЗО'м ), Детально проанализирован и изучен процесс развития ДС ь
магнитном поле. Установлено, что сю условно можно разделить на три этапа,
причем геометрия структуры на каждой стадии соответствует определенным фрактальным свойствам.
Третья ..глана "Обсуждение результатов эксперимента. Построение
фрактальной модели персмагпичипания" содержит обобщение результатов эксперимента, а чакже построение феноменологической модели ДС и перемаг-ничивания феррлювых писнок. кроме того приведен расчет энергетических (плотность эперпш жесткой стенки) и динамических (относительная подвижность жесткой стенки) параметров ДС в рамках принятой модели. Фрактальный характер ДС и процесс ее перс с тр о ежи. обеспечивается случайным распределением дефектов сосредоточенных на границах блоков. Ноли каждому блоку по-ставяп. и соответствие некоторое среднее значение магнитного поля окружающих его дефектов, то эти поля также будут распределены случайным образом в плоскости пленки. Следовательно, ДГ при своем движении будет выбирать то легкое направление в плоскости пленки для данного значения внешнего поля
И, в котором магнитное лоледефеїпов относительно меньше. Поэтому направление ^прорастания» свободного конца нитевидного домена с ростом поля н должно случайным образом меняться от одного леї кою направления к другому, что и наблюдается экспериментально. Ветвление домена возможно в двух cnv4a#x: если магнитные поля дефектов в двух возможных направлениях роста
одинаковы, что маловероятно, или (более реальная ситуация), если на изгибе; домена, также кск и на свободном конце, тоже реализуется простая блоховскля стенка. ІЇ последнем случае, при достижении внешним полем соответствующего значения, на изгибе зарождается новый нитевидный домен.
Принимая во внимание сказанное выше и результаты эксперимента, приведенные в ишве 2. предлагается следующая модель ДС и ее перестройки во внешнем поле. Каждый структурный блок, представляющий собой монокристалл. считается минодименной частицей, намагниченной перпендикулярно поверхности пленки. По этой причине в статике положение ДГ совпадает с межблочной границей. При этом часть ДГ, ориентированная вдоль {110} в плоскости пленки, является жесткой; часть границы, ориентированная в направлении перпендикулярном {110} -- простая стенка Блоха. Потенциальный рельеф в плоскости пленки считается случайным и задается с помощью магнитных полей RG дефектов в интервале 0< Rq < Нчч как аргумент функции распределения Гаусса или гамма-распределения, С і р> к г урньте блоки пленки (фрактальные мономеры) уложены в один слой, поэтому ДС является сквозной, а ее геометрия - плоской. Развитие новой магнитной фазы с увеличение поля И рассматривается как процесс необратимого смещения ДГ на расстояние одною или нескольких блоков. При этом ДГ закрепляется в новом положении, совпадающим с межблочной ір.пшцей и обусловленным потенциальным рельефом магнитных нолей дефектов.
Характеристики ДГ находятся и результате численной минимизации плотности энергии ДС по величине радиуса і ираїціи R^ (среднее квадратичное расстояние между целтрами блоков (фрактальных мономеров)).
Выражение для плотности энергии жесткой ДГ имеет вид:
12 r(i радиус мономера, р - плотность распределения зародышей обратной намагниченности в плоскости пленки. Г} - энергия мономера в собственном маг-нитостатичееком ноле.
Число вертикальных блоховских линий (ВБЛ), приходящихся на единицу длины жесткой стенки равно;
Е/
^
;V =
^- -I- . (*)
В результате, используя соотношение:
была вычислена о гпосительная подвижность доменной границы.
В формулах приняты следующие обозначения. ст(1 и а - плогпосіь энергии нормальной 1-і жесткой стенки соответственно. / - ветвистость }\С, D -фрактальная размерность доменного кластера, к - толщина пленки, /і$ и /j -подвижности нормальной и жесткой стенки соответственно, Л о — толщина простой блоховскоп егепки. а - козффиниені за г у хам кн Гильберта. Приняв До = 0,3мкм [3, ' 1, 221, с помощью (*) получаем Л' - 450 . Высокая плозносп-
ВБЛ па прямых участках доменных границ должна приводить к tow, что подвижность // этих участков должна быть много меньше подвижности //0 участков с простыми блоховскими стенками. Если коэффициент затухания а взять даже самым высоким из известных (а = \0"~) для ЦМД-магериалов, получаем.
410 ^0;^4'10- .
Четвертая глава "Компьютерное моделирование доменной структуры и
процесса иеремагничивания" посвящена апробации рассмотренной модели с помои^ью компьютерного моделирования процесса перемагничиваппя, В компьютерном представлений, плёнка состоим из шестигранных монокристаллических призм-яческ высотой к и размером d, чго учитывает гексагональную сим-меірию лёгких осей в плоскости плёнки и их плотную упаковку. І Іерсмагпичи-
ианис плёнки опиеь:заетсяч как процесс заполнения новой базой соседних ячеек путём скачкообразного перемещения доменных гранил на одну или несколько позиций в направлениях легких осей в плоскости пленки. Каждой т этих ячеек приписывается локальное значение поля Hq магнитных дефектов, сосредоточенных на межблочных границах. Это поле противодействует перемагничиьа-нию ячейки, со'їдлизд коэрцитивное!ь пленки. Развитие ДС осуществляется Н>-тем перемещения параллельно самой себе плоской ДГ, являющейся одной из граней призмы, на расстояние с/. При эгом оказываемся перемагпиченной соседняя ячейка и т.д. Таким образом, нитевидный домен реализуется в виде цепочки доменов - мономеров (ячеек), свободные копилі которых ограничены
ІІрОСЮЙ бЛОХО ВС КОЙ СТЄНКОИ, а бОКОНЬ]Є СТеНКИ ИНЛЯЮТСМ ЖЕСТКИМИ. Рс^ЛЫ ґП м
компьютерного моделирования показывают, что вил функции распределения маши'шых полей дефектов H(J в образце, оказывает существенное влияние ни
форму петли гистерезиса.
Пятая глава '* Некоторые применения исследуемых пленок". Рассматривается научно-прикладное применение исследуемых пленок к применение в учебно-обрагювагельно_ч процессе.
В 'заключение сформулированы основные результаты работы.
В приложение работьт вынесены расчеты по определению магнитостаїиче-ского поля цилипдрическог о домена и домена имеющего форму шестиугольной
приемы.
Основные характеристики магнитооднаосных пленок
В магнитоодноосных пленках в зависимости от химического состава, механических напряжений, предыстории образна и др, возможна реализация до меиных структур рпїличі-п, х конфигураций [38]. В настоящее время всесторонне изучены теог-е:ичееки и исследованы .экспериментально такие разновидности доменных с.рукгур. как полосовые п лабиринтные домены, изолированные цилиндрические домены, решетки ЦМД [3. 31, 39, 40, 41, 42], Много внимания уделено элементам структуры доменных граши с вертикальными (ІЗЬЛ) и горизонтальными її БЛ) блоховскими линиями [2, 11. 34, 43, 44]. Исключительный интерес представияет структура in цилиндрических магнитных доменов. Для существования ЦМД необходимо, чтобы константа маг-нии-:оЙ анизотропии А была насюлько большой, что Ом о лсеу объеме ферро магпсіика векторы магнитных моменти М в соседних доменах имели сірою ашипараллсльную ориентацию вдоль осп легкого намагничивания (ОЛИ). О эпитаксиальных гранатовых ЦМД-плеиках одноосная анизотропия представляет су мчу магнні и о-кристаллической, индуцированной ростом и обусловленной упруїимн напряжениями анизотропии [13].
В достаточно тонких пленках (h - Юмкм ) доменная структура является СКВОІНОН, а плоскость доменной границы параллельна ОЛИ. ЦМД обладаю ! многими свойствами наряженных частин, благодаря чему, их можно использовать как элементарные носители информации в логических и запоминающих устройствах. Закономерности возникновения и поведения 3 [\-!Д в монокристаллическиь магнитоодноосных материалах были описаны в работах О Долла [45], Бобека [46], Лисовского [3\ и др. В книгах Яковлева я др, [47], Смоленского и Леманова [48] можно найти сведения о практических аспектах использования ЦМД-илснок в технике обработке информации. Материалы - носители ЦМД - характеризуются набором определенных параметров, связанных с физическими константами материала и используемых при оценке пригодности их применения л различного рода практических усі -ройстиах, К Taxnv параметрам ошосятся характерисіинеекая длина /, операционный диаметр і \MJ\ d , поднижность доменной грани г і ы /j, скорое \ъ двнже ния доменной іраниц #s , коэрцитивная сила//с. ноле коллапса //и 1 и температурные коэффициенты г :их величин [46ч 49J, Пределы существования ЦМД в зависимости or внешнего магнитного поля ограничены снизу диаметром коллапсирования dco\ ъ4-1 и сверху диметром перехода в полосовой домен d2 l2-l. В случае коллаисировання при чвеличе-лии внешнего поли до И -- Нсо\. материал скачком переходит в насыщенное состояние, а при уменьшении внешнего поля до некоторой величины Я2 цилиндрическая ломенная структура переходит в систем} полосовых доменов. Подвижность доменной границы и. определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью границы и внешним полем, в области линейной зависимости $(//) выражается через константы материала: здесь о-,,, - плошосп. .- нері ни ломепньк границ,
А обменная константа, К,( -констаніа магнитоодпоосиой анизотропии, у - гиромаї і-иіное о і ношение, л параметр затухания Ланд ay-Лиф г ница, /. - параметр затухания Гильберта Для етабильної о существования ЦМД в гонких м.и ЕШТНЫХ пленках необходимо, что бы они характеризовались анизотропией с четко выраженной осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки. Зффекіивное поле анизотропии Як определяется выражением: Отношение ноля іши іоіроиии к" нам»: ниченности насьііцсния дает гак называс -: мый фактор качесчіїамагниюодноосного материала: [I.]] Фактор качества количественно оценивает жесткость закрепления магшіиого мо.меніа вдоль осл легчайшего намагничивания, перпснликулярпой плоскости пленки, и должен быть существенно больше 1. I fpn q ошзких к единицы, увеличивается вероятность слонтанного зарождения ЦМД под действием поля размагничивания, а также возможно отклонение стенок ЦМД от направления ОЛК Поле коллапса ЦМД Псо\ определяется намагниченностью материала и чолпшной пленки h [50]:
Установки для изучения гистерезиса и доменной структуры
Исследуемые образцы - (Ві-содержащие феррограїгатовые пленки) - обладают весьма высокой магнитооптической добротностью q - ло 50град/дБ для длины волны Л = 0,65мкм, т,е. одним из самых высоких значений q для прозрачных в видимом диапазоне ферромагнитных эпитаксиальных пленок. По этой причине для получения петель гистерезиса исполмовался магнитооптический эффект Фарадея. Величина фарадсевского вращения 0Г в исследуемых пленках достигает значений 104 град/см (для X - 0,65 мкм), R- 1 \ г Рис Л 6. Блок-схема установки для получения петель гистерезиса, 1 - источник поляризованною спета, 2 - намагничивающая катушка» 3 - поляризационный элемент, 4 - фотодиоды. 5 - операционный усилитель. 6 - лпукоординатный самописец Н308. 7 - стабилизированный ИП, 8 - исследуемый образец. Экспериментальная установка состоит из лазерного источника поляризованного света I (ЛГИ-51, Х 0,63мкм), намагничивающей катушки 2, поляризационного элемента 3, фотодиодов 4{соединенных по схеме вычитания), операционного усилителя 5 (К140 УД$), двухкоординатного самописца 6 (Н308) и стабилизированного источника питания 7, Блок-схема \становгси изображена на рис. 16, Пучок поляризованного света от источника 1 нормально падает на пленочный образен 8, в котором присутствуют две магнитные фазы: "старая", в кото рой вектор мъ например совпадает, с направлением светового пучка, и "новая" у - с противоположным направлением Ms. В части светового пучка пересекающего площадь пленки, занятую "старой 1 фазой, плоскость поляризации поворачивается на угол -\-Q(.t а в оставшейся части светового пучка на угол -8р. Эти две компоненты светового пучка пространственно разделяются поляризационным элементом 3 и попадают па фотодиоды 4. Разностный сигнал с фотодиодов поступает на операционный усилитель 5 (резистор R3 служит для установки на "0").
После усиления электрический сигнал попадает на Y-вход самописца 6. Заметим, что ДС исследуемых пленок, как отмечалось выше, является сквозной - направление вектора &fs перпендикулярно плоскости пленки и меняется от + MS до -Ms в зависимости от координат в ее плоскости. Благодаря такой геометрии электрический сигнал Uуу поступающий на Y-вход самописца, пропорционален площади 5, занятой "новой" (перемагниченной) фазой. Эта площадь пропорциональна результирующей намагниченности М пленки: Таким образом, электрический сигнал на Y-входе самописца пропорционален (к] и к2 - коэффициенты пропорциональности) результирующей намагниченности пленки. Сигнал на Х-входе самописца Uх пропорционален величине намагничивающего поля Н\ где і - ток через намагничивающую качлшку, къ и кА - коэффициенты пропорциональности. Градуировка результирующей кривой в единицах М w Я позволяет получить З.ШЇСИМОСІЬ M = J(H) или B-f{H), т.е. петлю гистерезиса. Относительные ;ю;решносш но осям " X" и "У1" определяются классом измерительного прибора (Н30&) и составляют 4%, Рис.17. Бжж-скеми чагшттоолтической установки. 1 - поляризационный микроскоп, 2 видеокамера, 3 компьютер, 1 -феррограшііхівая пленка, 5 - намагничивающая катушка» 6, 7 -поляроиды. % - каретный источник света, 9 - стабилштфованный источник питания, 10. 11 -фок-усчрутлпшелшпы Исследование геометрии ДС, ее фрактальной размерности и процесса перем агничивани я пленок осуществлялось с помощью установки (рис. її7) реализованной на базі: н !лмрїгациоііїїОї о микроскопа 1, сопряженного с помогдьк видеокамеры 2 с терсональным компьютером 3.
Исследуемый образец 4 и катушка 5. формирующая намагничивающее поле и запутываемая от стабилизированного источника питания 9, устанавливаются на предметный столик микроскопа, Плоскость поляризации свсіа. проходящего сквозь соседние ломены, поворачивается в них в противоположные стороны на один и тот же угол 0-(см, выше). С ростом поля Я площадь, занимаемая домеьами, намагниченность внутри которых поправлена по полю (выгодное направление), увеличиваемся за счет невыгодно намагниченных доменов. Поворачивай анализатор 7 относительно поляризатора 6, можно практически полностью погасить свет, проходящей через домены той или иной полярности. Оптическое изображение доменной структуры и снхи проецируется на фоточувствительный элемент видеока меры, и поступает в порт Л компьютера. Для увеличения контраста изображения при наблюдении ДС в качестве источника света 8 использовалясь ртутная лампа. Синхронизация видеосигнала с величиной намагничивающего поля Н осуществляется через порт В компьютера.
Известно, что процесс перемагничивания реального ферромагнетика является дискретным процессом, связанными со скачкообразным движением доменных границ, удерживаемых дефектами ферромагнитного кристалла [7, 19, 23]. Причем геометрия отдельного дефекта и распределение их в плоскости образца существенно определяют структуру новой магнитной фазы. Наши предварительные исследования феррогранатовых пленок показали, что при определенных условиях синтеза (см. 2.1.) в них формируется ДС в виде фрактальных агрегатов (рис.18Л). Перемагничивание пленки происходит за счет развития этих агрегатов, которое сопровождается ростом их фрактальной размерности D с увеличением внешнего поля И.
Динамика доменной структуры и структура доменной границы
Экспериментальные результаты исследования динамики ДС показывают, что ширина доменов новой фазы остается постоянной вплоть до значений внешнего поля И - Нс = 100 Э(8 кА/м). То есть развитие доменных кластеров в полях Н .осуществляется исключительно путем прорастания свободных концов нитевидных доменов и начинается в полях Н = НСТ -(1-3)Э(80-240А/м), Таким образом, tft/7-/cr s 100, тогда как Н /Ик\ =50. В этой связи можно предположить, что кроме магнитной куби ческой анизотропии существует еще одна причина, сдерживающая движение боковых стенок нитевидных доменов, а именно специфика структуры самой доменной границы. ДГ можно считать комбинированной: состоящей из участков простой блохоБСКОЙ стенки, обладающей высокой подвижностью, и участков жесткой стенки с низкой подвижностью. Жесткие стенки - стенки с большим числом вертикальных блоховских линей- ВБЛ характеризуются вихрепо-добным распределением спинов [2] и специфическими свойствами, существенно изменяющими характер движения ДГ. В частности, блоховские линии значительно уменьшают подвижность [11] ДГ, а так же увеличивают ее эффективную массу. Простая стенка в предлагаемой модели ограничивает свободные концы нитевидных доменов, а жесткая - их прямолинейные участки. Это предположение подтверждается экспериментально: свободные концы доменов начинают двигаться и полях М- 1 Э (80 Am), а боковые стенки - в полях - 100 Э (8 кА/м). Наличие жестких участков ДГ в полосовых доменах описаны, напри-мер, в [3, 4J и позднее наблюдались другими авторами. На последнем этапе перемагничивания остаются только жесткие ДГ. Поэтому возникающие ЦМД являются жесткими и должны коллапсировать в полях (2004-300) Э [ М j. В исследуемых пленках иоле насыщения составляет (300 350) Э. Таким образом, в полях н ис процесс перемагничивания обеспечивается движением стенок Ландау-Лифшица, п полях и Ис начинают двигаться жесткие границы. На последнем этапе перемагничивания при и И остаются непе-ремагниченнымп участки пленки в виде отдельных ЦМД, которые коллапси-руют при достижении поля насыщения. Характерной особенностью исследуемых пленок является то, что поле коллапса для этих ЦМД имеет непрерывный спектр значении ограниченный полем насыщения.
Такую ситуаиию можно объяснить, если каждому ЦМД приписан» свое по величине магнитное поле принадлежащих ему дефектов [21,25], Пользуясь концепцией фрактала, без учета поля анизотропии было рассчитано отношение pt$ji- где //Q— подвижность стенки Ландау - Лифшица, /і — подвижность жесткой стенки. Для расчета использовалась следующая модель: столбчатая (фасеточная) структура пленки моделировалась (рис, 12) совокупно-стью плотноупаковаииых жестких диполей, с магнитным моментом рт в виде призм высогой h (толщина пленки) и размером 2r0 =h в плоскости пленки. Для решения задачи выражение для плотности энергии образца в полях // Н (когда стр\ктуру обратной фазы, можно считать состоящей из отдельных монофракталов) было написано в виде [7J: где щ -/v0A/s#,. - плотность энергии, связанная с коэриитивностыо HL пленки. w - плотное і h жергия доменных границ где S - боковая поверхность ДГ а - поверхностная плотность ДГ. wm- плотность энергии магпптостатического ттолн. В свою очере и wm можно представить в виде суммы, в которую кходяь плотность энергии диполя-мономера во внешнем поле И wUf плотность энергии диполя-мономера в собственном магнитостатическом поле - и ,. плотность энергии мономера в магнитостатическом поле кластера, которому принадлежит данный диполь - w;- и плотность -энергии кластера в магниюсіатичееком поле окружения - \vf : Для вычисления магниіостатических полей wu и w, использовалось стандартное выражение для шергии взаимодействия намагниченности с магнитным полем [46]; Д. ІЯ ЬЫЧНСЛеНИЯ ЭНерГИП ДИПОЛЬ-ДИПОЛЬНОГО ВЗаИМОДеЙСТВИЯ Wj И Wf обшес выражение имеет вид 11 0]: где // магнитостатичсскос поле создаваемое магнитными зарядами. При вычислении плотности знері ии диполя в магнитном поле окружающих диполей интегрирование проводится по собственному объему диполя Kg =2тгг -h\ для энергии в собственном магнитостатическом поле интегрирование ведется так же по объему диполя, но вместо внешнего поля окружающих диполей вычисляется собственные поля диполей равные М $J{p), где J (а) — эллиптический интеграл. играющий роль ра.імаї и 11 читающего фактора; энергия мономера в поле кластера рассматривается как ліергия взаимодействия диполей одного кластера расположенных на расстоянии равном радиусу тирании , іруг от друга; для энергии кластера в магнитостатическом поле окружения так же используется представление мономеров в виде диполей, но рассматривается взаимодействие каж
Моделирование динамики развития доменной структуры в магнитном поле
Компьютерное моделирование процесса перемагничивания [83], модель которого представлена в 3.3, производилось на сетке представляющей собой сотовую структуру (200x200 ячеек). Геометрический центр произвольной ячей ки сетки имеет координаты xh у,. Условие перемагничивания (/, у)-ячейки определяется соотношением (3,3.3), которое удобно записать в виде; где Н1 — локальное значение магнитного поля дефектов для (/, _/)-ячейки; П ю— локальное значение магнитостати чес кого поля, созданного всеми пере- -магниченными ячейками с координатами (,/): здесь-V- число перемагниченных ячеек, С учетом выражения (4.2,2) соотношение (4.2.1) принимает вид: где последний член определяется выражением (4.2.2). Величина магнитного поля дефектов// 7 присваивается каждой ячейки случайным образом из множества значений аргумента функции распределения F(HC). Функция распределения задается па интервале ["04-/ _"и нормируется на число ячеек Л "0 сетки, Процесс перемагничинания начинается с зародышей обратной намагниченности, которыми в компьютерной модели являются отдельные мономеры с наименьшим значением величины магнитного поля дефектов (рис. 28А,Б). Раз витие обратной фазы при Н Нс происходит за счет прорастания свободных концов доменов в направлении легких осей типа {110} (рис.28В,Г)- Процесс перемагничивания заканчивается коллапсом ЦМД в полях Н - Hs (рис. 28Д,Е). Результатом компьютерного моделирования процесса перемагничивания, является построения кривой перемагничивания (рис.29) и зависимости клеточной фрактальной размерности от величины внешнего поля (рис. 30) для различных функций распределения магнитных полей дефектов.
Геометрия ДС, так же как и форма, петли гистерезиса, моделируемые ком-пыотерпой программой, в основном определяются функцией распределения магнитных полей дефектов в плоскости пленки. При моделировании процесса перемагничивания распределение магии і-ных полей дефектов предполагалось в виде двух распределений, 1. распределения Гаусса а - изменяться от 0,01 до 5, Ис- может принимать значения от 0 до Нстох- ГІРИ значениях о"=0,01 распределение Гаусса соответствует дельта-функции. То есть все дефекты имеют одинаковую величину, что эквивалентно бездефектной структуре, 2. гамма - распределение; переменные величины а и р, При а = 0 гамма-распределение перехолит в экспоненциальную зависимость, На рис. 29 сравниваются экспериментальная кривая, полученная для пленки толщиной 5 мкм и кривые перет агничивания полученные в результате компьютерного моделирования для различных функций распределения магнитных полей дефектов. Рис, 29 А,Б - кривые персмагничивакия и доменная структура соответствующие функции распределения Гаусса, рис. 29 В,Г - соответствуют Гамма-распределению магнитных полей дефектов, рис. 29 Д,Е - для дельта-функции. На рис, 30 представлена зависимость D(JI) в сравнении с результатами компьютерного моделирования. Сплошная линия на рисунках соответствует экспериментальной кривой перемагничивания. На рис, ЗОА моделируемые кривые построены для гамма-распределения при различных параметрах альфа и бета (2- а=-0,3, /?=2,8; 3 - а=0, у?=1Д 4- а = 1Д =3,0). Рис. ЗОБ экспериментальная кривая в сравнении с моделируемыми кривыми построеными для различных функций распределения магнитных полей дефектов. экспериментальной и моделируемой кривой наблюдается при значениях параметров: а = -0,3; р=Ъ. Геометрия моделируемой ДС представлена на рис 29Г. Возможности компьютерной программы позволяют моделировать и предельные случаи распределения магнитных полей дефектов. Тате распределение Гаусса при ст О принимает вид дельта-функции, что а физическом смысле предполагает наличие в образце дефектов, спектр значений которых очень узок, то есть пленку можно считать бездефектной [84. 85]. В этом случае доменная структура являемся полосовой (рис. 29Е), а петля гистерезиса принимает симметричную прямоугольную форму (рис. 29Д). Основная область применения типичных ЦМД-материалов - это использование их в качестве запоминающих элементов в вычислительной технике (!3, 14]. Изютовленные в виде пленок толщиной 3-5 мкм они содержат цилиндрические мамчитные домены (НМД) высокой подвижности. Продвижение ЦМД внутри пленки с помощью нанесенных на ее поверхность проводящих шин и обеспечивает процесс высокоскоростной обработки информации.
Для уменьшения числа сбосп пи материалы должны иметь высокую мапшіопшическуіо добротность (-50 град/дБ) и весьма малую плотность дислокационных дефектов (менее 1 см"2). Кроме того для уменьшения энергозатрат материал должен быть ыагнитомягким с низкой коэрцитивностью (Ис I Э). Именно такие материалы получаю і методом ЖФЭ путем соответствующего подбора компонент Исследуемые пленки по ряд параметров резко отличаются от рассмотренных выше, Меі од ЖФ ) позволяет выращивать материалы в условиях, когда фронт кристаллизации сильно неустойчив. При этом кристаллизуются пленки с ярко выраженной столбчатой структурой роста (см. 2.3). В кристаллическом отношении пленка состоит из блоков, Гранины которых образованы дислокационными стенками. При толшиие пленки 4 5 мкм плотность дислокационных стенок достигает 10 см"2. Дислокаыиооные стенки и отдельные дислокации являются источниками магнитной вязкости, т.е. приводят к резкому снижению подвижности ДГ и увеличению Нс (в данном случае до 80-100 Э). Кроме тою. наличие в пленки случайно расположенных дислокационных стенок с іакой высокой плотностью, является причиной формирования специфической ДС, Как показано в данной работе, геометрия и динамика такой ДС може і быть описана в рамках концепции фрактала. Т.о. становится очевидным, что область применения исследуемых пленок должна быть несколько иной, нежели для стандартных ЦМД-материалов.
