Структура и свойства магнитных неоднородностей, зарождающихся в области дефектов феррит-гранатовых пленок Солонецкий Ростислав Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы. Исследования влияния дефектов на различные
свойства магнитных материалов проводятся уже несколько десятилетий, однако
до сих пор они не потеряли своей актуальности [1-3]. Это обусловлено прежде
всего тем, что магнетики имеют широкий спектр применения в технике: от
сердечников в трансформаторах, магнитоприводов генераторов до

чувствительных сенсоров сверхмалых магнитных полей, устройств магнитной памяти и т. д. [4]. Соответственно наличие дефектов в материалах существенным образом сказывается на их технических характеристиках (коэрцитивная сила, магнитные потери, начальная восприимчивость и т. д.) и в особенности на области устойчивой работы таких устройств.

Степень разработанности темы исследования. Среди различного рода дефектов, присутствующих в магнетиках, отдельный интерес вызывают те, которые по характеру взаимодействия с магнитной системой представляют собой «потенциальную яму». В этом случае при определенных условиях на них возможно образование магнитных неоднородностей, которые соответствуют 0-градусной доменной границе (0⁰ ДГ) [5] и играют важную роль в таких явлениях как спин-переориентационные фазовые переходы (СПФП) [5, 6], процессы намагничивания и перемагничивания [3, 7] и т. д. Данные явления еще не вполне исследованы. В этой области существует множество неизученных аспектов, связанных с топологией магнитных неоднородностей, с особенностью их структуры, с условиями их зарождения и устойчивости и т.д. Среди немногочисленных работ, в которых хоть в какой-то мере были рассмотрены некоторые из них, можно отметить работу [8], где было показано, что магнитные образования на дефектах магнитоодноосных пленок могут быть двух типов: малоамплитудные (0⁰ ДГ(I)) и высокоамплитудные (0⁰ ДГ(II)). Согласно расчетам они различаются по условиям зарождения и по структуре, причем 0⁰ ДГ(II) энергетически менее выгодны, чем 0⁰ ДГ(I). Соответственно, физическая реализация неоднородностей второго типа вызывает серьезные сомнения. В то же время их нельзя игнорировать, т.к. согласно [8], на достаточно крупных

дефектах 0⁰ ДГ(II) становятся энергетически более выгодными, чем однородные состояния. Отсюда вытекает, что они могут существовать как метастабильные образования, и, следовательно, могут внести существенный вклад в гистерезисные явления, которые являются доминирующим фактором при рассмотрении процессов перемагничивания реальных кристаллов.

Цели и задачи. В связи со сказанным становятся актуальными задача по выявлению условий, при которых магнитные неоднородности второго типа могут быть устойчивыми образованиями, а также поиск возможностей их экспериментального обнаружения. Кроме того следует провести исследование влияния внешнего магнитного поля на структуру и свойства обоих типов магнитных неоднородностей. Это позволяет с одной стороны выявить особенности их поведения в магнитном поле, важные для их идентификации при их экспериментальном обнаружении, а с другой стороны определить вклад каждого из них в процессы перемагничивания материалов.

Целью настоящей диссертационной работы является изучение структуры и
свойств магнитных неоднородностей, зарождающихся на дефектах типа

«потенциальная яма» и соответствующих 0⁰ ДГ, определение условий их возникновения и области их устойчивости с учетом размагничивающих полей образца и наличия внешнего магнитного поля. При этом особое внимание будет уделено выявлению различий в поведении обоих типов магнитных образований на дефектах при действии различных факторов, а также проведению поисковых работ по анализу экспериментальных данных, подтверждающих реальность существования данных неоднородностей.

Научная новизна:

1. Впервые рассчитано влияние размагничивающих полей методом
непосредственного численного интегрирования соответствующих
уравнений Эйлера-Лагранжа на структуру и характеристики 0⁰ ДГ обоих
типов, образующихся на дефектах одноосного ферромагнетика.

2. Показано, что высокоамплитудные магнитные неоднородности могут
существовать на дефектах образца при определенных значениях его

материальных параметров как устойчивые образования, энергетически более выгодные, чем малоамплитудные.

3. Найдены экспериментальные свидетельства существования
высокоамплитудных неоднородностей в пленках (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂ феррита-
граната.

1. Выявлены индивидуальные особенности поведения обоих типов магнитных неоднородностей во внешнем магнитном поле с учетом размагничивающих полей образца.

2. Показано, что в некоторых случаях, когда магнитные неоднородности не зарождаются на дефектах, они могут быть индуцированы на них как устойчивые образования в ненулевых магнитных полях. Теоретическая и практическая значимость заключается в том, что

результаты теоретических и численных расчетов, приведенных в

диссертационной работе, значительно расширяют наши знания о структуре и свойствах магнитных неоднородностей, образующихся на дефектах типа «потенциальная яма», позволяют выявить и описать механизмы возникновения на таких дефектах микромагнитных структур с необычной топологией (спиральных доменов, треугольных доменов, вихреподобных структур и т.д.). Они дают более полную картину процессов зародышеобразования при фазовых переходах типа спиновой переориентации, а также с новых позиций позволяют описать один из основных механизмов возникновения магнитного гистерезиса, проявляющийся в виде задержки и роста зародышей перемагничивания, что имеет прикладное значение. Кроме того, прикладной характер могут иметь и результаты изучения поведения 0-градусных доменных границ в магнитном поле, которые с одной стороны позволяют определить вклад каждого из них (а следовательно и типов дефектов) в коэрцитивную силу образца, а с другой стороны по аналогии их поведения с поведением цилиндрических магнитных доменов в магнитном поле, говорить о возможном их использовании в элементах записи и считывания информации.

Численные методы, развитые в данной работе, имеют самостоятельную
ценность, т.к. они позволяют на персональных компьютерах с небольшой
вычислительной мощностью непосредственно численно интегрировать

нелинейные интегро-дифференциальные уравнения с непостоянными

коэффициентами, описывающие распределение намагниченности в пленках конечной толщины для любых магнетиков, независимо от их симметрии и типа магнитных неоднородностей.

Методология и методы исследования. Аналитические и численные методы расчета. Метод численного интегрирования уравнения Эйлера-Лагранжа, соответствующего минимуму энергии магнетика. Вариационный метод расчета микромагнитных структур.

Положения, выносимые на защиту:

1. Определение устойчивых состояний 0-градусных доменных границ обоих типов с учетом размагничивающих полей образца, обусловленных его конечностью. Результаты анализа топологических особенностей диаграммы устойчивости 0-градусных доменных границ в переменных «фактор качества – размер дефекта» и их физическая интерпретация.

2. Установление существенных признаков отличий в структуре и свойствах высокоамплитудных и малоамплитудных неоднородностей, необходимых для их идентификации, и результаты совместных действий с экспериментаторами по их обнаружению.

3. Результаты аналитических и численных расчетов влияния магнитного поля на структуру и устойчивость обоих типов магнитных образований на дефектах и на их трансформацию с учетом конечности пленки. Нахождение критических полей существования изучаемых неоднородностей в зависимости от материальных параметров, толщины пленки и характеристик дефектов.

Личный вклад автора. Написание программ, численные расчеты, анализ результатов, написание тезисов и статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка авторской литературы по теме диссертации, цитируемой литературы, а также приложения и списка сокращений. Общий объем составляет 112 страниц. Библиография содержит 102 использованных источников.