Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследования доменной структуры и процессов перемагничивания
1.1. Методы наблюдения магнитных доменов 19
1.2. Методы исследования динамические свойств магнетиков 21
1.3. Магнитооптическая установка для исследования процессов перемагничивания в квазистатических и импульсных магнитных полях
1.4. Магнитооптическая установка для исследования процессов перемагничивания в гармоническом магнитном поле
1.5. Оптимизация параметров магнитооптических установок 39
1.6. Устройство для подавления помех, дрейфа и шума при регистрации интегрального сигнала перемагничивания
1.7. Методы формирования квазистатических, импульсных и гармонических магнитных полей
1.8. Методы измерения параметров пленок ферритов-гранатов 60
2. Квазистатическое шремагничивание пленок ферритов-гранатов
2.1. Петля гистерезиса пленок ферритов-гранатов 67
2.2. О методиках регистрации квазистатических петель гистерезиса 71
2.3. Коэрцитивная сила для частных и предельных петель гистерезиса
2.4. Температурные зависимости параметров петли гистерезиса 75
2.5. Влияние рассогласования кристаллографических параметров пленки и подложки на коэрцитивную силу пленки
Нелинейная динамика доменных границ в сильных импульсных магнитных полях
1. Нелинейная динамика доменных границ в магнитных пленках: теория и эксперимент
2. Динамика «диффузных» доменных границ 88
3. О предельной скорости доменных границ в одноосных пленках ферритов-гранатов
4. Динамика доменных границ в окрестности точек компенсации магнитного момента и момента импульса
5 Движение доменных границ вдоль оси легкого 104
намагничивания
6. Неодномерная динамика доменных границ в пленках 106 ферритов-гранатов с малым затуханием
7. Формирование пространственно-периодических структур 111 на движущихся доменных границах
8. Динамика доменных границ в пленках ферритов-гранатов с комбинированной анизотропией
Импульсное перемагничивание пленок ферритов-гранатов
1 Механизмы импульсного перемагничивания магнитных пленок
2. Методика исследования процессов импульсного перемагничивания в пленках ферритов-гранатов
3. Кривая импульсного перемагничивания плёнок ферритов-гранатов
4. Зарождение доменов с обратной намагниченностью при импульсном перемагнйчивании плёнок ферритов-гранатов
5. Перемагничивание пленок ферритов-гранатов в присутствии поля в плоскости плёнки
6. О механизме перемагничивания плёнок ферритов-гранатов вращением вектора намагниченности
7. Влияние температуры на процессы импульсного перемагничивания плёнок ферритов-гранатов
8. Импульсное перемагничивание плёнок ферритов-гранатов вблизи точки компенсации момента импульса
9. Импульсное перемагничивание плёнок ферритов-гранатов с комбинированной магнитной анизотропией
Перемагничивание пленок ферритов -гранатов в гармоническом магнитном поле
1. Динамические петли гистерезиса пленок ферритов-гранатов 159
2. Поле старта и задержка возникновения зародышей Перемагничивания
3. Коэрцитивная сила пленок ферритов-гранатов в гармоническом магнитном поле
4. О причинах нестабильности динамических петель гистерезиса 168
5. Динамические петли гистерезиса в присутствии постоянного поля смещения
6. Механизмы перемагничивания и форма динамических петель гистерезиса
Формирование упорядоченных доменных структур в пленках ферритов-гранатов
1 Формирование и движение массива полосовых доменов в однородном магнитном поле
2 Квазистатическое формирование спиральных доменов 185
3 Эволюция динамических спиральных доменов в гармоническом магнитном поле
4 Формирование и эволюция гигантских динамических доменов 197
Формирование двумерных решеток доменов в импульсном и гармоническом магнитных полях
Динамические доменные структуры в градиентных импульсных магнитных полях
Формирование метастабильных динамических доменов в процессе размагничивания пленок ферритов-гранатов
Влияние времени нарастания магнитного поля на процессы перемагничивания плёнок ферритов-гранатов
Магнитооптические устройства на базе пленок ферритов-гранатов
Механизмы перемагничивания пленок ферритов-гранатов для быстродействующих магнитооптических устройств
Динамика переключения магнитооптических транспарантов на основе ферритов-гранатов с ромбической магнитной анизотропией -"
Быстродействие и энергетические затраты на переключение состояния ячеек магнитооптического транспаранта
Новые способы и устройства для измерения параметров пленок и параметров магнитных полей
Основные результаты и выводы 256
Список цитированной литературы
- Методы исследования динамические свойств магнетиков
- О методиках регистрации квазистатических петель гистерезиса
- О предельной скорости доменных границ в одноосных пленках ферритов-гранатов
- Методика исследования процессов импульсного перемагничивания в пленках ферритов-гранатов
Введение к работе
Начало изучению динамики доменных структур положили эксперименты К.Сикстуса и Л.Тонкса по исследованию распространения магнитных не-одиородностей (доменных границ) вдоль железоникелевои проволоки [327,328,337] и теоретическая работа Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица, в которой проводился анализ динамики доменной границы на основе уравнения движения магнитного момента с учетом релаксационных процессов [131]. На протяжении нескольких десятилетий экспериментальные методы исследования динамических доменов оставались косвенными, а результаты исследования различных магнитных материалов свидетельствовали о линейной зависимости скорости доменных границ от поля.
Непосредственные наблюдения динамической доменной структуры в процессе перемагничивания стробоскопическим методом или с помощью высокоскоростной фотографии [8,9,21,28,30-35,64,77,84-90,107-111,113-120 и др.] основываются в большинстве случаев на использовании магнитооптических эффектов благодаря их безинерционности. Наиболее полную информацию о процессах перемагничивания получают, одновременно регистрируя динамические доменные структуры и интегральные характеристики перемагничивания [95,113-119]. Применение прямых методов исследования, тесное сотрудничество экспериментаторов и теоретиков значительно расширили представления о процессах зарождения и движения доменов, о внутренней структуре доменных границ, о важной и часто определяющей роли нелинейных эффектов в процессах динамической перестройки доменной структуры.
Ферриты со структурой граната широко используются в различных радиоэлектронных устройствах, в магнитооптических устройствах для управления и обработки оптических сигналов, записи информации, визуализации и топографирования магнитных полей [18,78,134,198,207,226,252], при разработке перспективных магионных кристаллов [56]. Исследование доменной структуры пленок ферритов-гранатов представляет интерес для разработки устройств на спиновых волнах [42], сверхпроводниковых токоведугцих зле- '*№ ментов с повышенным критическим током [29]. Благодаря совершенству кри- сталлической структуры и разнообразию физических свойств ферриты- гранаты являются объектом проверки теоретических концепций магнетизма. Исследования монокристаллических пленок ферритов-гранатов ведутся, начи ная с 1970-х годов. К началу настоящей работы внимание исследователей в области динамики доменных структур в одноосных ферромагнетиках, какими в большинстве случаев можно считать пленки ферритов-гранатов, было сосре доточено на исследовании следующих магнитных явлений: нелинейной дина мики доменных границ, механизмов импульсного перемагничивания, меха- 6}\> низмов формирования доменных структур.
Некоторое представление о разнообразии обнаруженных в пленках фер- а ритов-гранатов динамических доменных структур и условиях их формирова- ния дает рис. 1, представляющий собой схематичное обобщение результатов работ [19,30-35,62,65-67,77,84-90,96-105,107-110,126-130,136-141,144-147,155- 158,170,186,191,192,198-202,207,209,216,245,249,250,279,282,284,293,295,298- 302,304,319,329,330,333,338,346,347,349,350]. В первом приближении, соглас но одномерной модели, диапазон магнитных полей, соответствующих линей ной динамике доменов, ограничен сверху пороговым полем Уокера Hw(Т> [134,198]. Для процессов формирования доменных структур необходимы, как
Ф правило, магнитные поля Н » Hw (рис. 1), сравнимые с полем насыщения пленки (гармонические поля) или с полем одноосной анизотропии Нк (им пульсные поля). Из-за существенной нелинейности и много факторной зависи мости процессов формирования динамических доменных структур исследова ние их теоретическими методами является серьезной проблемой и во многих случаях находится на начальной стадии. Разнообразие условий эксперимента и параметров исследовавшихся пленок в работах различных исследовательских _ групп нередко приводит к противоречивым выводам о природе и закономер- ностях наблюдавшихся явлений.
Область линейной динамики доменных границ согласно: одномерной модели двух- и трехмерных моделей «диффузная» доменная граница периодические структуры на ДГ магнитные возмущения впереди ДГ спиральные домены гигантские домены двумерные решетки доменов треугольный магнитный домен магнитный вихрь волна опрокидывания магнитных моментов
0,001 0,01 0,1 1 ю H/4ttMs
Рис. 1. Области формирования динамических доменных структур в материале с параметрами: фактор качества Q = HKIAnMs = 10, константа затухания а = 0,05. HIAnMs - нормированная величина действующего магнитного поля.
В связи с интересом к процессам формирования спиральных, кольцевых доменных структур [62,96], двумерных решеток доменов [137,141,256,288, 290,326] проводятся исследования процессов перемагничивания и петель гистерезиса в гармоническом магнитном поле звуковых и ультразвуковых частот [62,98-101]: выявлена взаимосвязь между формой петель гистерезиса и формированием спиральных доменов [62,100], обнаружена область нестабильности динамических петель гистерезиса [99] и ряд других интересных явлений. В результате теоретического исследования нелинейной динамики доменных границ в периодических внешних магнитных полях найдены условия, при которых нелинейные колебания границ могут приводить к изменению периода доменной структуры, ее дроблению [230] и, как следствие, к возможному формированию доменных структур с новой топологией. В то же время не ясно, изменение каких динамических механизмов перемагничивания приводит к трансформации петель гистерезиса при изменении амплитуды и частоты гар- монического магнитного поля, каковы необходимые и достаточные условия для формирования упорядоченных доменных структур. Остаются открытыми и ряд методических вопросов, например вопрос о соответствии результатов, получаемых при использовании различных методов измерения коэрцитивной силы. Такое положение во многом обусловлено отсутствием аппаратуры, позволяющей исследовать динамические доменные структуры в широком диапазоне частот гармонического магнитного поля в реальном масштабе времени и производить их сопоставление с соответствующими участками петель гистерезиса.
Таким образом, экспериментальное исследование динамических доменных структур в пленках ферритов-гранатов представляет собой актуальную проблему магнетизма. По ряду причин эта проблема является комплексной: исследуемые процессы (зарождение доменов, движение доменных границ, вращение вектора магнитного момента) существенно нелинейны, условия экспериментов чрезвычайно разнообразны (квазистатические, гармонические, импульсные магнитные поля с различными сочетаниями параметров полей), основные параметры пленок ферритов-гранатов могут изменяться на несколько порядков величины.
Целью диссертационной работы являлось исследование механизмов пе-ремагничивания одноосных пленок ферритов-гранатов со сквозной по толщине пленки доменной структурой в гармонических и импульсных магнитных полях. Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи: - разработка экспериментальных установок для прямого исследования динамических доменных структур в пленках ферритов-гранатов в режиме реального времени стробоскопическим методом и методом высокоскоростной фотографии с одновременной регистрацией интегральных характеристик пе-ремагничивания пленок; выяснение механизмов перемагничивания пленок ферритов-гранатов в импульсных магнитных полях, сравнимых с полем анизотропии пленок, и в гармонических магнитных полях, сравнимых с полем насыщения пленок; исследование взаимосвязи механизмов формирования динамических доменных структур с интегральными характеристиками процессов перемагничивания - параметрами кривых импульсного перемагничивания, петель гистерезиса.
Научная новизна диссертационной, работы состоит в следующем:
Найдены условия, при которых результаты измерения коэрцитивной силы, полученные методом осцилляции доменных границ, совпадают с результатами, полученными по полуширине квазистатической петли гистерезиса. Выяснена зависимость диапазона частот гармонического магнитного поля, в котором проявляется явление нестабильности петли гистерезиса в виде вариации поля старта, от параметров магнитного материала. Выявлена взаимосвязь между изменениями механизмов перемагничивания и модификацией динамических петель гистерезиса при изменении амплитуды и частоты гармонического магнитного поля.
Для пленок с малой константой затухания на зависимости скорости доменных границ от поля обнаружен участок с отрицательной дифференциальной подвижностью, соответствующий формированию пространственно-периодических структур на динамических доменных границах. Показано, что подвижность и скорость насыщения доменных границ вблизи точки магнитной компенсации остаются конечными, уменьшаясь более чем на два порядка величины по сравнению со значениями в окрестности точки компенсации момента импульса. В пленках со сложной анизотропией обнаружены новые разновидности анизотропии скорости доменных границ.
Впервые проведено исследование динамики доменных границ в магнитных полях вплоть до эффективного поля одноосной анизотропии пленок. Экспериментально показана возможность генерации спиновых волн движу-
13 щейся доменкой границей. Выявлен вид зависимости скорости доменных границ, движущихся вдоль оси легкого намагничивания, от поля в плоскости пленки. Найдены условия, при которых скорость доменных границ в одноосных пленках ферритов-гранатов может приближаться к скорости спиновых волн и скорости звука в кристалле.
Показано, что для феррит-гранатовых пленок кривая импульсного пе-ремагничивания состоит из двух участков, усредненные коэффициенты переключения которых различаются на 1-3 порядка. Выявлены механизмы пере-магничивания, соответствующие характерным участкам кривой импульсного перемагничивания. Показано, что критерий Стонера-Вольфарта выполняется при импульсном перемагничивании пленок вдоль оси легкого намагничивания в присутствии постоянного поля, перпендикулярного легкой оси.
Выявлена взаимосвязь величины рассогласования кристаллографических параметров пленки и подложки с механизмами импульсного перемагничивания пленок и параметрами квазистатических петель гистерезиса.
6. В результате исследования механизмов формирования доменных структур в аксиально-симметричном магнитном поле найдена взаимосвязь особенностей волны опрокидывания магнитного момента и параметров пле нок, построена модель волны опрокидывания магнитного момента. Обнаруже но изменение ориентации динамического треугольного магнитного домена от носительно осей магнитной анизотропии пленки при изменении напряженно сти импульсного ПОЛЯ.
7. Впервые проведено экспериментальное исследование влияния скоро сти нарастания магнитного поля на конфигурацию динамических доменных структур, возникающих в процессе импульсного перемагничивания пленок. На основе спин-волнового механизма построена модель трансформации домен ных структур (волны опрокидывания магнитных моментов, системы концен трических кольцевых структур, магнитного вихря; динамической доменной границы) при изменении скорости нарастания поля.
14 8. Найдены необходимые и достаточные условия для формирования ^ спиральных доменов и гигантских динамических доменов. Показано, что верхняя граница области формирования спиральных доменов по частоте поля связана с преобразованиями структуры границ доменов. Обнаружено формирование динамических цилиндрических магнитных доменов с размерами, на два порядка превышающими равновесные размеры доменов. Выявлены условия формирования двумерных решеток доменов в гармонических и в импульсных магнитных полях. Обнаружены новые конфигурации двумерных решеток доменов.
На защиту выносятся результаты исследования: 'к> 1. Квазистатических и динамических петель гистерезиса пленок ферри- тов-гранатов и процессов перемагничивания, определяющих параметры петель в гистерезиса.
Динамики доменных границ в пленках ферритов-гранатов в магнитных полях, сравнимых с полем одноосной анизотропии пленок.
Кривой импульсного перемагничивания пленок ферритов-гранатов и взаимосвязи ее формы с механизмами импульсного перемагничивания пленок.
Влияния структурных особенностей пленок ферритов-гранатов, температуры, напряженности и направления магнитных полей на механизмы пе-ремагничивания пленок в квазистатических, импульсных и гармонических магнитных полях.
Формирования и эволюции упорядоченных доменных структур в импульсных и гармонических магнитных полях.
Влияния скорости нарастания магнитного поля на конфигурацию динамических доменных структур, возникающих в процессе импульсного перемагничивания пленок.
Достоверность результатов диссертационной работы основана на тгда- ^ тельной отработке методик и калибровки измерительных устройств разрабо- танных в процессе подготовки диссертации экспериментальных установок, корреляции полученных экспериментальных результатов с результатами работ
15 экспериментаторов из других научных организаций и результатами ряда теоретических работ. Материалы диссертации обсуждались на 40 российских и международных конференциях и семинарах различного уровня. В значительной своей части они уже получили признание у специалистов и неоднократно цитировались в литературе.
Практическая значимость работы определяется разработкой новых эффективных методик исследования динамических процессов перемагничива-ния и реализацией методик в виде действующих экспериментальных установок. Установки предназначены для одновременного исследования динамики доменных структур и интегральных характеристик перемагничивания магнитооптических материалов в импульсных и гармонических магнитных полях с временным разрешением 2 не и временем однократной экспозиции доменной структуры 5 не. Впервые применен стробоскопический метод исследования динамических доменных структур в переменном магнитном поле с регулируемой кратностью стробирования^ст=1, 2, 3 ... . Впервые для повышения чувствительности установки в тракте регистрации интегрального сигнала перемагничивания предложено использовать принцип двойного стробирования, что в комплексе с рядом других мер позволило снизить периодические помехи, дрейф и флуктуационные шумы аппаратуры более чем на 40 дБ.
Ряд устройств, разработанных для упомянутых установок, имеют самостоятельную практическую значимость: двухполярный стабилизатор тока электромагнита, малогабаритный блок питания электронно-оптического преобразователя, устройство подавления помех, дрейфа и шума при регистрации периодических наносекундных сигналов, широкополосный модулятор излучения гелий-неонового лазера с СВЧ-накачкой.
Полученные в работе результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов перемагничивания, приводящих к видоизменению петель гистерезиса и формированию доменных структур в пленках ферритов-гранатов. Это расширяет возможности практического применения многодоменных магнитных пленок и создания на их основе новых технических устройств.
На основании результатов проведенных исследований процессов пере-магничивания пленок предложены и защищены авторскими свидетельствами на изобретения и патентами новые магнитооптические устройства - дефлекторы, модуляторы, способы повышения быстродействия магнитооптических устройств обработки и отображения информации, новые способы измерения ряда параметров пленок - знака гиромагнитного отношения, температуры компенсации магнитного момента, эффективного магнитного поля одноосной анизотропии, слоистой структуры пленок, новые способы и устройства для измерения, визуализации и топографироваиия магнитных полей.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IX-XVIII Всесоюзных (Всероссийских, Международных) школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Саранск, 1984; Рига, 1986; Ташкент, 1988; Новгород, 1990; Астрахань, 1992; Москва, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002), на Всесоюзных конференциях «Современные вопросы физики и приложения» (Москва, 1984; 1987; 1990), на II Всесоюзной конференции «Проблемы развития радиооптики» (Тбилиси, 1985), на IV Всероссийском совещании по физике магнитных материалов (Иркутск, 1986), на Всесоюзной школе-семинаре «Доменные и магнитооптические запоминающие устройства» (Кобулети, 1987), на XVIII и XIX Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Калинин, 1988; Ташкент, 1991), на Международной конференции по когерентной оптике (Ужгород, 1989), на Всесоюзном семинаре «ЦМД/ВБЛ в системах обработки и хранения информации. Доменные и магнитооптические устройства» (Москва, 1989), на семинаре «Материалы и изделия функциональных устройств в производстве радиоэлектронной аппаратуры» (Львов, 1989), на Международной конференции по тонким пленкам (Пекин, 1990), на X Всесоюзном семинаре по проблеме ЦМД/ВБЛ (Москва, 1991), на семинаре по магнитомикроэлектронике (Алушта, 1991), на Международном конгрессе по оптике и технологии (Гаага, 1991), на Международном симпозиуме по магнитооптической записи (Токио, 1991), на 13 и 14 Международных коллоквиумах по магнитным пленкам и поверхностям (Глазго, 1991;
17 Дюссельдорф, 1994), на Международных конференциях «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997, 2001, 2003), на ХПІ Международной конференции по твердотельным кристаллам (Варшава, 1998). на III Всероссийской конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н.Новгород, 1998), на Международных симпозиумах по спиновым волнам (С.-Петербург, 1998, 2000, 2002), на конференции «Структура и свойства твердых тел» (Н.Новгород, 1999), на 1-м Объединенном европейском магнитном симпозиуме (Гренобль, 2001), на Международном симпозиуме «Прогресс в магнетизме» (Екатеринбург, 2001), на XXII Научных чтениях имени Н. В. Белова (Н. Новгород, 2003), на II Байкальской международной конференции «Магнитные материалы» (Иркутск, 2003).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 48 статьях и ряде тезисов докладов, получено 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения [5-7,23,24,47,50,65-71,76,148-197,211,213-220,225,307,308, 319].
Личный вклад автора в получение материалов диссертационной работы является определяющим и состоит в постановке задач, разработке и реализации экспериментальных методик, проведении экспериментальных исследований. Несколько работ опубликованы совместно с сотрудниками Мордовского университета, выполнившими исследования пленок и подложек методом рентгеноструктурного анализа (Батин В. В., Кяшкин В. М.), расчеты статических параметров ферритов-гранатов (Дудоров В. Н.), расчеты элементов электронных схем (Червенков В. Д.). Соавторами Логунова М. В. являются его ученики: аспиранты Герасимов М. В., Косинец Г. А., Малышев П. М., Моисеев Н. В., Сажин Ю. Н., Юдина С. В., студенты-дипломники Голузинский П. А., ПрытковВ. П.
В работах, выполненных совместно с сотрудниками других научных организаций: Института общей физики РАН (г. Москва, Ефремов В. В., Логинов Н. А., Рандошкии В. В., Сигачев В. Б., Тимошечкин М. И., Чани В. И., Шуше-рова Е. Э.), Научно-исследовательского центра физики и технологии (г. Моек-
18 ва, А. Я. Червонеккис), КБ «Домен» (г. Симферополь, Еськов Н. А.), НИИ материалов электронной техники (г. Калуга, Клин В. П., Нам Б. П., Соловьев А.Г.) Логуновым М. В., наряду с участием в постановке задач, анализе полученных результатов, написании статей, выполнены экспериментальные исследования динамики доменных структур и интегральных характеристик процессов перемагничивания.
Вклад автора в изобретения и патенты, в соответствии с прошедшими экспертизу документами на изобретения, принят равным вкладу соавторов.
Диссертация состоит из 7 глав. Первая глава является методической, в следующих пяти главах приведены результаты исследования динамических доменных структур и интегральных характеристик перемагничивания в квази-статических, импульсных и гармонических магнитных полях. Седьмая глава посвящена прикладным вопросам - использованию пленок ферритов-гранатов в магнитооптических устройствах с повышенным быстродействием, разработке новых способов измерения параметров пленок и магнитных полей. В начале каждой главы дается обзор литературы по теме главы, затем приведены полученные автором экспериментальные результаты. Завершается диссертация обобщением полученных в работе новых экспериментальных результатов и списком цитированной литературы.
Методы исследования динамические свойств магнетиков
Метод порошковых фигур или метод Акулова-Биттера (см., например, монографии [78,238]), разработанный в 1931 г., обеспечивает визуализацию границ магнитных доменов, когда намагниченность ориентирована в плоскости образца. В этом методе на поверхность магнитного материала наносят суспензию из магнитного порошка. Под действием полей рассеяния доменных границ частицы суспензии перераспределяются по поверхности исследуемого материала так, что их можно наблюдать в микроскоп. На протяжении около 30 лет это был единственный метод наблюдения доменов, вплоть до доменов субмикронных размеров [124]. Принципиальным недостатком метода является невозможность наблюдения динамических доменов.
Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитооптические методы, основанные, например, на эффекте Фарадея: линейной в первом приближении связи между эффектом Фарадея Fh и значением технической намагниченности М [237,244]. Эффект Фарадея и явление магнитного кругового дихроизма применяются при исследовании доменных структур в тонких прозрачных в видимой области спектра магнитных пленках и пластин ках, у которых имеется составляющая магнитного момента, перпендикулярная поверхности образца. Регистрируемой величиной является результат поворота плоскости поляризации линейно поляризованного излучения при прохождении его через намагничиваемый образец в магнитооптической ячейке [78,226]. Анализатор устанавливают так, чтобы свет, прошедший через домены одного типа, ослаблялся. При этом домены этого типа становятся темными, а домены другого типа - светлыми (рис. 1.1). Аналогично можно проводить наблюдения в отраженном свете, используя эффект Керра [244]. Первое успешное применение магнитооптических методов исследования доменов и обнаружение цилиндрических магнитных доменов в 1959 г. в иттриевом ортоферрите и гекса-феррите [303] стимулировало их развитие.
Эффективность магнитооптических методов наблюдения резко снижается при исследовании субмикронных доменов. Для исследования доменных структур с периодом менее 2 мкм используются методы пространственной фильтрации дифракционного Фурье-образа [10] и растровой электронной микроскопии с разрешающей способностью, позволяющие с высокой степенью точности определить размеры доменов..Данные методы технически сложны и отличаются трудоемкой технологией приготовления образцов для проведения опытов.
Для исследования неупорядоченных доменных структур магнитных пленок предложен метод, основанный на корреляционном и спектральном анализе анализе [46]. Образцы пленок помещались в статическое магнитное поле и с использованием метода фазовых переходов [60] в пленках формировались неупорядоченные доменные структуры (аморфная решетка ЦМД; обрывки полосовых доменов и ЦМД с различным направлением намагниченности). В дифракционном эксперименте [46] определялись корреляционная функция и ее спектральная плотность, описывающие распределение намагниченности в пленках с нерегулярной доменной структурой. Такой метод исследования позволяет определить вид доменной структуры (регулярная или неупорядоченная), размеры доменов.
Структуру доменных границ можно изучать с помощью косвенных методов. Наиболее информативным и наглядным является наблюдение структуры с помощью поляризационного микроскопа в режиме темнопольной подсветки [28]. В объективе наблюдается дифракционная картина от неоднород-ностей кристалла. Такими неоднородностями с точки зрения магнитооптики являются доменные границы. При темнопольной подсветке кристалла получается изображение доменных границ с различной интенсивностью изображения на разных участках границ. Например, при наличии линий Блоха в границе происходит локальное уменьшение (увеличение) интенсивности изображения границы. В связи с развитием методов сканирующей зондовой микроскопии пространственное разрешение магнитной силовой микроскопии при исследовании магнитных микроструктур достигло десятков нанометров [289], но малая скорость процессов сканирования не позволяет использовать метод для исследования динамических доменов.
О методиках регистрации квазистатических петель гистерезиса
В литературе немало примеров, когда петли гистерезиса пленок ферритов-гранатов считаются квазистатическими для частот магнитного поля/в десятки и сотни герц [294,344,345] или даже 5 кГц [53]. Однако динамические механизмы перемагничивания пленок [93,226]: аномальная магнитная вязкость, изменение условий зарождения доменов, достижение скорости насыщения Vs доменными границами - начинают оказывать действие на параметры петель гистерезиса и при меньших частотах магнитного поля.
Коэрцитивная сила Нс является одним из основных параметров петли гистерезиса, в связи с чем она стала предметом многочисленных исследований. Результаты, полученные в разных лабораториях, часто противоречат друг другу. Даже при использовании наиболее часто применяемого метода осцилляции доменных границ результаты не всегда согласуются друг с другом [251,316,317,318]. При этом в первую очередь следует учитывать, что фактически в методе осцилляции регистрируется не коэрцитивная сила пленки, а некий параметр, характеризующий коэрцитивность доменный границ и зависящий от амплитуды колебаний доменных границ (см. п. 4.3). В настоящей работе измерение Нс проводили классическим методом по полуширине предельной петли гистерезиса.
Вторая возможная причина расхождения экспериментальных результатов - влияние динамических эффектов на величину коэрцитивной силы Нс. Для уточнения области квазистатического смещения доменных границ нами было проведено исследование петель гистерезиса в широком частотном диапазоне магнитного пояя/= 10"4+104 Гц. Коэрцитивную силу Нс принимали равной полуширине симметричной (предельной) петли гистерезиса. Результаты показывают (рис. 2.6), что в частотном диапазоне до f 1 Гц коэрцитивная сила Нс от частоты магнитного поля/не зависит. С увеличением частоты поля (/ 1 Гц) наблюдается монотонное увеличение Нс.
Для других исследованных образцов критические частоты / лежат в пределах единиц и десятков герц. Это позволяет утверждать, что квазистатический режим соответствует частоте поля / 1 Гц, и лишь иногда можно считать режим квазистатическим на частотах/- 100 Гц. По зависимости коэрцитивной силы Нс от частоты поля / можно определить верхнюю границу области частот магнитного поля/ для квазистатической регистрации петель гистерезиса. Причины, по которым частота поля/ смещается в область ультранизких частот, подробнее будут рассмотрены в гл. 5. 100 з
Рис. 2.6. Зависимость коэрцитивной силы Нс от частоты магнитного поля/ измеренной по полуширине петель гистерезиса при амплитуде поля Нт = 25 (а), 15 (б) и 200 Э (в) (обр. № 41).
Помимо того, что в различных экспериментах методики измерения коэрцитивной силы Нс отличаются друг от друга частотным диапазоном магнитного поля, максимальная напряженность поля Нт также варьируется в широ ТПТІ І—гт-ттттп 1—гп ни 1—І інші 1—гтптп
ком диапазоне. В связи с этим нами проведено исследование коэрцитивной силы Нс пленок ферритов-гранатов при измерении Нс по полуширине как пре-дельных, так и частных петель гистерезиса (частота магнитного поля /=10"" Гц), а также, для сравнения, методом осцилляции доменных границ (на частоте поля/= 78 Гц) [154]. Диаметр исследуемой области образца 1,5 мм. В размагниченном состоянии эта площадь разбивается на сотни доменов.
Максимальную напряженность магнитного поля Нт при записи петель гистерезиса изменяли в широком интервале полей Нт = (0,01-И0)Я5.. Диапазон изменения поля Нт сверху ограничивали превышением в несколько раз величины поля насыщения пленки Нs, снизу - превышением в 1,5 -г 2 раза коэрцитивной силы Нс. Зависимости ко Hm/Hs эрцитивной силы Нс, измеренной по полуширине петли гистерезиса, от максимальной напряженности внешнего магнитного поля Нт при температуре Т = 25 (а), 35 (б) и 45 С (в), обр. № 34.
Величина коэрцитивной силы Нс пленок ферритов-гранатов зависит от максимальной напряженности магнитного поля Нт, которое достигается в процессе перемагничивания образца (рис. 2.7, 2.8), а вид зависимости HC(HJ существенно изменяется при повышении температуры Т с одновременным уменьшением коэрцитивной силы Нс [154]. Эту зависимость можно характери-зовать критической величиной поля Н ; при максимальной напряженности поля Нт Н ширина петли гистерезиса начинает уменьшаться. Величина поля Н значительно изменяется с температурой
Столь значительное изменение поля // имеет место в узком интервале температур, когда основные магнитные параметры пленки: Ms, Hs - изменяют-ся менее чем на 10%. В то же время Н /Hs 1, следовательно, причины изменения Н не связаны с процессами зарождения доменов.
О предельной скорости доменных границ в одноосных пленках ферритов-гранатов
При движении доменных границ в сильных магнитных полях во многих экспериментах [89,90,107,300,333,347,350] наблюдали уширение ее изображения в десятки раз, или так называемую диффузную границу. Наиболее сильно эффект уширения изображения ДГ имеет место при движении в присутствии постоянного планарного магнитного поля Нт когда ширина изображения участков, движущихся параллельно направлению поля Нт, достигала 25 мкм [350]. Позднее диффузные границы наблюдались и в отсутствие Нт. Диффузная ДГ существует только в динамике. Ее ширина увеличивается от статического (меньше 1 мкм) до динамического (5-30 мкм) значения в зависимости от Ни, Нт, Нк за время около 250 не и затем почти не изменяется. По окончании импульса поля ширина изображения границы релаксирует к статической величине за время около 50 не.
Уширение изображения динамической ДГ связывают с возникновением хаотичных колебаний поверхности границы из-за турбулентного движения локальной намагниченности [300] либо с наклоном ДГ [209,347], то есть с изменением по толщине пленки скоростей движения локальных участков ДГ. Предлагаются модели диффузной ДГ, в которых уширение ее изображения связано с изгибом по толщине пленки [209] или происходит из-за перехода в хаотический режим движения ДГ [304]. В то же время авторы [86], обнаружившие генерацию магнитных возмущений вблизи движущейся плоской ДГ, считают, что в экспериментах с диффузной ДГ [300,333,347,350] также имел место этот эффект, но из-за низкого пространственного разрешения экспериментальных установок и слабого контраста изображения ДГ отдельные магнитные возмущения не разрешались. Такое предположение находится в качественном противоречии с экспериментальными результатами, поскольку при генерации магнитных возмущений быстрее всего должны были бы перемещаться наиболее «уширенные» участки ДГ. Однако эксперимент свидетельствует об обратном: чем меньше ширина изображения участка ДГ, тем быстрее он движется. Таким образом, единство во взглядах на причины образования и структуру диффузной ДГ отсутствует, и необходимо прежде всего выяснить вопрос: в каком случае действует наиболее простой механизм и уширение изображения ДГ происходит за счет наклона границы обычной ширины?
Некоторые свойства диффузной ДГ ярко проявляются в пленках состава (Gd,Tm,Bi)3(Fe,Ga)50i2 (обр. № 6), где ширина ее изображения достигает 200 мкм (рис. 3.2). Фотометрическое исследование ДГ осуществляли сигнала изображения доменной структуры образца. Форма и амплитуда регистрируемого видеосигнала соответствует профилю фарадеевского вращения (состоянию намагниченности) вдоль участка пленки, доменная структура которого отображается выбранной строкой телевизионного кадра.
Рис. 3.2. Смещение переднего (а) и заднего (б) края ДГ под действием Ни = 118 Эй схематическое изображение профилей границы и по толщине пленки (в-д), соответствующих различным этапам роста домена. Нсм = 20 Э, обр. 4 №6.
Анализ телевизионного сигнала показал, что зародыш домена в намаг ниченной до насыщения пленке в начальный момент является несквозным и имеет форму полусферы (рис. 3.2в). Он возникает на границе пленка/подложка, что было установлено прямым наблюдением с помощью объектива с 60-кратным увеличением благодаря достаточно большой толщине пленки (22,4 мкм). Формирование диффузной ДГ в процессе зарождения и роста домена происходит в несколько этапов. Зародыш прорастает по толщине пленке за t 0,45 мкс, причем скорость ДГ изменяется сложным образом, а диаметр несквозного домена достигает 70 мкм. После образования сквозного домена устанавливаются стационарные значения скоростей переднего V/= 220 м/с и заднего Vb = 87 м/с краев границы (рис. 3.2а,б). Ширина изображения границы растет, и при д= 180 мкм »h механизм движения заднего края ДГ резко изме няется: он начинает двигаться скачкообразно. На расстоянии около 20 мкм от заднего края границы происходят ее раздвоение вследствие прорастания участков ДГ по толщине пленки, а оставшийся внутри расширяющегося домена протяженный несквозной микродомен уменылается к коллапсирует (рис. 3.2()). Затем этот процесс повторяется через промежутки времени порядка 0,1 мкс и в дальнейшем скорость движения границы определяется скоростью ее переднего края.
Аномальная ширина изображения ДГ в данном случае вызвана различием в 2.5 раза ее скорости по толщине пленки. Такая же ситуация наблюдалась, по-видимому, в [347], но из-за невысокой скорости ДГ (менее 30 м/с) установившееся значение составило 5 4 мкм h и процесс формирования диффузной ДГ был плавным. В исследуемом образце у повышено и небольшая вариация состава по толщине пленки приводит к значительному изменению скорости движения ДГ [149]. Большая ширина изображения ДГ позволяет установить ее профиль по толщине пленки. В установившемся режиме профиль границы сложный (рис. 3.2г, 3), причем размеры ступенек на ее поверхности возрастают от переднего края границы к заднему. Одновременно наблюдается 10-15 ступенек шириной около 10 мкм (Н 500 Э). С увеличением Н число ступенек возрастает, а их размеры уменьшаются (до 2 мкм при Я 1000 Э).
Формально близкая ситуация рассматривалась авторами теоретической модели диффузной ДГ [279], согласно которой ее наклон обусловлен формированием в динамической ДГ участков с изменяющейся ориентацией намагниченности М. Каждый поворот М на 360 соответствует ступеньке на поверхности ДГ, а ширина ступенек ( 0,1/г) слабо зависит от внешних полей. Уширение изображения ДГ происходит благодаря увеличению числа ступенек (зависящему от Н„д, НЫ) И асимметрии их появления при наличии Ит. В отсутствие Нпл ступеньки симметричны относительно плоскости, проходящей через середину пленки, и уширение мало.
Методика исследования процессов импульсного перемагничивания в пленках ферритов-гранатов
Динамика ДГ в пленках со сложной анизотропией, включающей, наряду с одноосной, сравнимую с ней ромбическую компоненту, имеет целый ряд важных отличий по сравнению с одноосными пленками. К ним прежде всего относится расширение диапазона продвигающих полей, соответствующих линейной динамике ДГ, вследствие чего пороговая скорость срыва стационарного движения ДГ повышается в несколько раз [198,252]. Выше этого порога в поведении ДГ в пленках с кристаллографической ориентацией (ПО) обнару 117 жен ряд интересных особенностей: формирование ромбовидных доменов [224], однонаправленная анизотропия скорости ДГ [110,135], изменение ориентации расширяющихся вытянутых доменов при изменении направления действующего поля на противоположное [224].
По сравнению с (110)-пленками с орторомбической анизотропией в (210)-пленках анизотропия еще более сложная: вклад кубической анизотропии может быть сравним со вкладами одноосной и ромбической компонент, отклонение оси легкого намагничивания от перпендикуляра к плоскости пленки может достигать десятков градусов [15,91,92]. Изучение динамики ДГ в (210)-пленках практически не проводилось, за исключением работ [16,35], в которых исследовалась динамика ДГ в сравнительно небольших полях, когда анизотропия скорости ДГ почти не проявляется. Нами были проведены исследования динамики ДГ (210)-пленок [188] во всем диапазоне продвигающих полей, где возможно существование ДГ, и обнаружены новые разновидности анизотропии скорости ДГ.
На рис. 3.17 схематически изображены характерные формы доменов при их расширении из исходного почти круглого домена малого размера ( 10 мкм) и характеризующие основные особенности динамики ДГ в исследованных пленках с различным сочетанием параметров анизотропии: треугольные (а) и каплеобразные (б) домены, однонаправленное повышение (в) и понижение (г) скорости ДГ домена, нестабильность и формирование диссипативных структур на ограниченных участках ДГ (д), изменение ориентации вытянутого динамического домена при изменении направления действующего магнитного поля на противоположное (е). Указанные особенности имели место в определенном диапазоне значений продвигающего поля Н = Ни - Нсм. В одном и том же образце при изменении Н, как правило, наблюдались одна - две характерные формы доменов из показанных на рис. 3.17.
С целью компенсации или, наоборот, усиления тех или иных компонент плоскостной анизотропии пленок прикладывали постоянное магнитное поле в плоскости пленки Нт. Это, как оказалось, расширяет разнообразие характер 118 ных форм доменов, наблюдаемых в одном и том же образце. Для экспериментов при наличии Нт была выбрана пленка с однонаправленной анизотропией скорости ДГ (рис. 3.17в, образец № 25). Азимутальные зависимости нормальной Н/(ф) и планарной #// (#) компонент критического поля фазового перехода II рода, соответствующего однородному зарождению доменной структуры (рис. 3.18), свидетельствуют о наличии, наряду с одноосной, ромбической и кубической компонент анизотропии и об отклонении оси легкого намагничивания от перпендикуляра к плоскости пленки [15].
Зависимости минимальной (1) и максимальной (2,3) скорости Гуча-стков границ расширяющихся доменов от продвигающего поля Н (а), и от поля в плоскости пленки Hwl, приложенного вдоль (б), перпендикулярно (в) и под углом (р = 53 к направлению, в котором скорость ДГ в отсутствии Нт была максимальной (г). Н 160 Э, обр. № 25.
При положительном Нш с ростом его напряженности Vmjn практически не изменяется до Нт =300 Э, в то время как Vmax уменьшается (кривая 2). При Еш 200 Э «выброс» появляется на противоположной стороне ДОН, причем его скорость сначала увеличивается с ростом Нт (до Нт = 500 Э), затем уменьшается (кривая 3). При Нт = 800 Э наблюдается однонаправленное снижение скорости ДГ, а при Нт = 900 Э анизотропия скорости ДГ исчезает. Вращение намагниченности при положительном Нт начинается при напряженности 1500 Э, что в 5 раз превышает соответствующее поле при противоположном направлении Н„л.
Зависимости Vmax и Vmin от Нт для случая, когда планарное магнитное поле приложено перпендикулярно направлению «выбросов», приведены на рис. ЗЛ9,е. В этом случае зависимость У(Нт) также сильно несимметрична относительно оси ординат, причем анизотропия скорости ДГ имеет место при всех значениях Нт. При положительном Нт (положительное направление выбрано условно) происходит изменение направления «выбросов», причем в диапазоне полей 40 Э Ит 120 Э «выбросы» наблюдаются с обеих сторон динамического домена. Вращение намагниченности начинается при Нт = 260 и Нт = -1800 Э (эти значения различаются в 7 раз).
Несимметричность кривых V(H„ на рис. 3.19 б, в свидетельствует о том, что ни направление «выбросов», ни перпендикулярное к нему направление не совпадают с направлением плоскостной компоненты суммарного эффективного поля анизотропии. Из рис. 3.18 можно сделать вывод, что суммарное эффективное поле анизотропии в плоскости пленки направлено под углом ф 53 (233), поскольку при таком ф значение Н± обращается в нуль. Зависимости V(Hm) для такого направления поляНт (ф = 53) приведены нарис. 3.1.9, г. Видно, что кривые практически симметричны относительно оси ординат, смена направления «выбросов» происходит при очень малых значениях Нт, а пороговые поля вращения намагниченности для противоположных направлений Нт практически совпадают и составляют - 600 Э. При Нт ±200 Э наблюда ются односторонняя нестабильность и формирование периодических структур на участках ДГ.
Таким образом, в (210)-пленках в магнитных полях, превышающих критическое поле линейной динамики ДГ, наблюдается значительная анизотропия скорости ДГ. В зависимости от сочетания параметров анизотропии пленок это приводит к формированию из исходного цилиндрического домена расширяющихся доменов разнообразной формы. Обнаружено формирование треугольных, каплеобразных доменов, нестабильность и формирование периодических диссипативных структур на ограниченных участках ДГ, изменение ориентации доменов при изменении направления продвигающего магнитного поля, однонаправленное повышение и снижение скорости ДГ. Приложение постоянного магнитного поля в плоскости пленки Нт может приводить, в зависимости от напряженности и направления Нт, как к подавлению анизотропии скорости ДГ, так и значительному увеличению разнообразия форм динамических доменов, наблюдающихся в одном и том же образце. Для количественного описания процессов формирования обнаруженных динамических доменов необходимо дальнейшее развитие теории нелинейной динамики доменных границ в магнитных материалах с комбинированной анизотропией, каковыми и являются многие, если не большинство магнитных материалов.
Похожие диссертации на Динамика доменных структур и интегральные характеристики перемагничивания пленок ферритов-гранатов
