Исследование магнитных свойств ферритгранатовых пленок применительно к разработке новых методов регистрации магнитных микронеоднородностей Гобов, Юрий Леонидович

Введение к работе

Актуальность теми. Современное развитие систем магнитной памяти в направлении повышения поверхностной плотности записи, скорости передачи данных и стоимостных показателей характеризуется возрастанием требования к запоминающей магнитной среде. При этом основное внимание уделяется повышению допустимой плотности записи информации, в частности, получению малого по 'сравнению с площадъэ бита размера микронеоднородности, низкого уровня микродефектности. Разработка новых методов определения параметров магнитных несднородностей с микронной разрешающей способностью является актуальной задачей о точки зрения реаения задач контроля запоминающей среда. С друїюй стороны,-бит информации, записанный на магнитный носитель, можно рассматривать как магнитную неоднородность, поэтому, при определенных условиях,'такие, методы могут быть использованы для считывания информации.

. Ферритграиатовые пленки, используеше в запоминающих з^гс-тройствах на цилиндрических магнитчнх доменах (1Щ), являются одним из объектов, требующих контроля микронеоднородности его свойств. Кроі'з использования в запоминающих устройствах на ВДД такие пленки нашли широкое применение з СВЧ-технгке и маг-нитоопгике. Таким образом, исследование магнктк&х свойств ферритгранатовых пленок актуально такае и в связи с их широким использованием в современной технике.

Цель и задачи исследования. Целью диссзртаоионой работы являлась разработка новых кетодов регистрации магнитных микронеоднородностей. Для достияения цели были поставлены . следующие конкретные задачи.

1. Исследовать возможность существования стабильных доменных структур, локализованных волпзи дефектов ЩЦ содержащей пленки и определить условия формирования структур такого рода.

2. Исследовать возможность использования для регистрации магнитных неоднородностей ферромагнитный резонанс (ФШО, аналогично тому как используется ядерный магнктныЛ резонанс в ШР-томографии и определить влияние спиновых волн на раз-

решающую способность "ФМР-томографии".

Научная норизнаї В работе получен ряд новых результатов.

3. Впервые описаны стабильные локальные доменные структуры наблюдаемые в ВДД содержащих пленках и образующиеся вбль*и дефектов в импульсном магнитном поле. Определен интервал стабильности локальных доменных структур.

4. На основе-полученных закономерностей формирования стабильных локальных доменных структур рагработан метод дефектоскопии ЩД содержащих пленок, отличающийся эффективностью и простотой технической реализации.

5. Предложен механизм формирования спирального домена в квазистатическом магнитном поле. В рамках предложенного механизма вычислен интервал полей, в котором образуются спиральные домены. Показана связь величины этого интервала с параметрами пленки - ее толщиной, намагниченностью насыщения, характеристической длиной и коэрцитивной силой.

6. Показана возможность использования методов, применяемых в ШР-томографіР* для ФМР в тонких пленках. Отличительной особенностью "йМР-томографии" является возбуждение обменно-дипольних спиновых волн в неоднородном магнитном поле, что существенно сказывается на разрешающей способности.

7. Разработан новый метод регистрации локальных магнитных полей с микронным периодом пространственной неоднородности. Экспериментально и'теоретически показана зависимость разрешающей способности метода от толшгтаы используемой пленки

8. Получены выражения позволяющие определить разрешающую способность и быстродействие метода в зависимости от толщины используемой пленки и геометрии магнитных.полей.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты по стабильным локальным доменным структурам могут быть использованы для создания различных магнитооптических устройств (например, транспарантов или принтеров). Кроме того, разработанная установка для зарождения на дефектах локальных доменных структур кокет использоваться для выявления микродефектов в ІЩ содержащей пленке.

Новый метод регистрации магнитных полей в микронном диапазоне пространственных периодов неоднородности также

может быть использован для микродефектоскошш магнитных носителей информации. Яо наиболее актуальным применением нового метода может быть его использование для разработки новых типов головок считывания информации. Существенным преимуществом таких головок перед традиционными (например индукционными) является отсутствие механичеоких перемещений при считывании информации к чувствительность к градиенту магнитного поля, а не к его абсолютному значених;.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II Всесоюзной научно-технической конференции "Контроль и диагностика общей техники" (Москва, 1989 г.), УІІ Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы магнитных измерений я магнитоизмеригельной аппаратуры" (Ленинград, 1969 г.), III Национальной конференции "Диагностика машин и. сооружений и неразрушапвдй контроль материалов" (Варна, 1991 г.), ШІ Научно-технической конференции "Не'рэзрушалцие физические методы и средства контроля" (Санкт-Петербург, 1993 г.), ХІУ Школе-секннарз "Новые магнитные материала кшкроэлектроники" (Москва, IS94 г..) и опубликованы в печатных работах /1-9/.

Структура и обьем работы. Диссертация состоят аз введения, трех глав, заключения- и библиографии. Она бодержкг 105 страниц основного текста, I таблицу, 28 рисунков и 101 библиографическую ссылку.'

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ '

Первая глава является литературным- обзором, который состоит из шести частей.

В первой части рассмотрены основные свойства и области применения ферритгранатовых пленок.

Вторая, третья и четвертая части литературного обзора посвящены, доменной структуре в ЩЦ содержащж пленках феррит-гранатов. ОСОбОе ВНИМаНИе уделено ИЗГИбНОЙ НЄ/СТСЙЧііЗОСТИ

полосовых доменоь.

Пятая часть литературного обзора посвящена высокочастотным свойствам фзррігггракатояіїх плзнок. Приведены закони дие-

Персии для обменных спиновых волн и для трех тушов магниіо-статических волн. Особое внимание уделено зарождению спиновых волн в неоднородном постоянном магнитном поле.

В шестой части литературного обзора описаны метс-лн выявления дефектов применяемые для контроля ЦВД содержащих пленок, Кроме того, в этой же части дается описание основных принципов, применяемых в ЯМР-томографии. ЯМР-томографию можно рассматривать как метод вк іления магнитных неодклродностей, поэтому ее описание приведено наряду сдругими методами в*.'яв-ления дефектов.

Яр второй главе исследуются свойства стабильных локальных доменных структур в ЦВД содержащих пленках. Описана установка позволяющая создавать перпендикулярно плоскости пленки постоянное магнитное поле и антипараллельное ему импульсное магнитное поле. Образующиеся после окончания импульса доменные структуры в ферритгранатовой пленке можно наблюдать с помощью поляризационного микроскопа.

Если до нача—\ импульса пленка нахол.ітоя в насыщенном ' состоянии, то образование доменной структуры в импульсном магнитном поле начинается на дефектах пленки. Как показано в диссертационной работе, образующаяся после окончания импульса локальные доменные структуры могут быть стабильными если постоянное поле выбирается в определенном интерьиле вблизи полл эллиптпческо': неустойчивости ЦВД. Типичные виды стабильных локальных доменных структур, образующихся при различных параметрах магнитных полей приведены на рис. i-ty.

При малых амплитудах импульса доменная структура зарождается на наиболее "сильных" дефектах. При увеличении амплитуды импульса начинают выявляться более "слабые" дефекты. На "сильных" дефектах при малых амплитудах импульса могут образовываться доменные структуры в форме спирали (рис. Ц ). В отличии от ветвящихся доменных структур (рис. і - 3 ), размер которых определяется длительностью и амплитудой импульса, спиральные домены формируются после окончания им-' пульса, поэтому размер спирали определяется величиной постоянного поля. Импульсное поле нужно только для образования

50HKH

>-- і

Pi:o. I. Вид стабильной доменной структури вОлиаи центра заро-дашеоОразования при различных значениях постоянного поля Н* : а - 95 Э; б - 94; в - 93; г - 92; д - 91; е - 9U; х - 89; а - 8В. Амплитуде 'omyj„CHoro поля Н_и= 236 it, длительность импульса - 3,4 мкс.

SOhKH

iY.o. 2. Заьвсимость вида лекальной доменной структуры от ддиьльвостн шиульса: а - 1,7 тс, б - 3,4; с - 5,1; г - 6,в. М_и- 236 0, Hg= 93 Э.

Рис. 3. Выявление центров зародышеобразования при изменении амплитуды шлпульс ого поля Н_и : а - 220 Э; б - 410; в - 505; v - 520; д - 630. Щ- 93 Э, длигэльность импульса - 2,0 мко.

Рис. 4. Спиральные домеш a) H_t= 89 Э; б) Н»= 88 а.

Л 1-0 08

P.l 0. 0.3 0.4 0.6 0.6 0.7

Рис. 5. Область стабильного существования спнр&чышх домене ( JL - градиент кагнктостатичесюто поля на границе; опирал] ного ломака) її эаьисшость расстояния между доменами ( к-^ от ы.ешюго ПОСТОЯННОГО ЖГПМТИОГО поля ( Я⁼Не/^5/ А1^ )

первого витка спирали.

В работе предложен механизм, позволяющий объяснить' формирование спирального домена в квазкстатическом режиме различием полей роста полосовых доменов с плоскими и изог- нутыми доменными границами. Преобразование доменной границы из плоской в изогнутую происходит на определенном расстоянии между доменами в зависимости от величины градиента маг-нитостатического поля на доменных границах, источником которого является наличие близлежащих доменов. При определенных условиях в заданном постоянном магнитном пола на определенном расстоянии от соседнего домена возникает магнитол статический'канал", вдоль которого происходит удлинение полосового домена. Вне этого "канала"' доменные границы полосового домена становятся изогнутыми и его рост прекращается.

На рис. 5а приведены зависимости градиента магнитоста-тического поля на доменной границе от поля,при котором начинается изгибная неустойчивость доменных границ. Верхняя кривая построена для полосового домена, двигающегося внутри "канала", а нижняя для домена вдали от этого "канала". Область, в которой возможно формирование спиральных доменов, заключена между этими кривыми. Из рис. 56 можно определить расстояние между витками спирали. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии с данными полученными в эксперименте.

В третьей главе всследуются высокочастотные свойства пленок незамещенного железоиттриевого граната (ЖИГ). Такие пленки обладают рекордно низкой шириной линии 4МР ( А Н«0,2 Э ). Основной целью проводимых исследований являлось выяснение возможностей перенесения идей, используемых в ЯМР-томографии на ОДР.

ЯМР-томография-это метод получения информации о внутреннем строении неоднородного по составу объекта. Для получения такой информации исследуемый обьект помещают в неоднородное магнитное поле HtC") с постоянным градиентом G« = V Не(р) и величину Ц_с (If ) изменяют таким образом, чтобы в переменном поле Н*. заданной частоты и> магнитный резонанс возникал в различных пространственных сечениях тела. Затем проводится

анализ спектров ЯМР от элементов объема тела и на основе . такого анализа получают информацию о его внутреннем строении, ато оказывается возможным потому, что амплитуда сигнала ЯМР зависит от свойств исследуемого' объекта в выделенной области и от градиента магнитного поля G₀. Поскольку градиент поля выбирается постоянным, то амплитуда сигнала НИР становится чувствительной только к неоднородностям исследуемого объекта. Наиболее важным для дальнейшего является то, что в общем случае метод ШР-томографии оказывается чувствительным как к свойствам материала, так и к градиенту магнитного поля. Последнее обстоятельство дает принципиальную возможность использовать его для разработки датчиков, р^.истрирующих пространственное распределение магнитного поля. На рис. 6 приведена схема, поясняющая принцип дейсті я такого датчика. Рабочее вещество помещено в поле смещения с постоянным градиентом Ht (?>t)= H,(t) + G,7. Кроме того, на датчик действует дополнительное локальное поле Ну (? ) создаваемое, например, каким-либо магнитным веществом, расположенным вблизи датчика. Не рис.6 $ приведены зависимости результирующего поля, действующего на датчик Utft,4=Ho(t)*G₀?+H_v(?)i ^в различные моменты времени. В так-м случае в различных сечениях датчика по мере изменения //, (і ) градиент .лля не будет оставаться постоянным и равным G„ , а будет отличаться от него на величину градиента исследуемого поля. Тем самым ми можем определять неоднородность магнитного поля аналогично тому, как определяется неоднородность исследуемого обьекта в КМР-тсмо-

І'[«фіИ.

Разрешающая способность, о такого метода в случае исполь-эоьания ШАР ограничена, в принципе, лишь достижимой на практике велінино?* градиента G, и естественной шириной линии А И магнитного резонанса, а именно S-aH/Go- На .практике, однако, разрешающая способность ограничена низкой чувствительностью ШР-спектроскопии. Высокая чувствительность ІМР-спскі роскоши: lie будет ограничивать разрешающую способность, чо ші'рпка л/кіні Ш значительно богаче, чем для ЛМР в жидкости. Кроме юго, в ({срромігнетиках неоох.одкмо учитывать обменное и

Рис. 6. Регистрация локально неоднородного магнитного поля о помощью магнитного резонанса.а) Резонанс в однородном магнитном поле, б) Зависимость размера области прецессии магнитных моментов от величины градиента магнитного поля.

магнитодипольное взаимодействие, что приведет к зароадению спиновых волн в ферромагнетике, помеченном в неоднородное магнитное'поле. Зарождение спиновых волн приведет к еще большому уширени» линии ШР. Тем не'менее уменьшение разрешающей способности при увеличении ширины линии A Hit можно скомпенсировать увеличением градиента магнитного поля G,.

Чтобы определить разрешающую способность о учетом обменного и магнитодипольногб взаимодействия, в общем случае необходимо найти точное решение для возбуждаемой спиновой волны. Однако в такой постановке в данной работе задача не решалась. Разрешащая способность 5 оценивалась, исходя только из закона дисперсии и предположения, чт полупериод возбуждаемой спиновой воліш равен величине области однородной прецесоии шгнитних моментов. С учетом этих предположений в диссертационной работе получены следующие выражения для различных типов спиновых волн.

Пряше обьемше ыагнитостатичеокие волны

г»

Обратные обьемше магнитостатические волны

Сомешше спиновые волны

Нґ-гІЇМ, [(tfflfi (*/?)']'

I G. J

Поверхностные магнитостатические волны

Vhv /Ms - наммчшченность насыщения, A - обменный параметр, І - гиромагнитное отношение, X) - толщина используемой пленки

All!'.

liu рис. у приведен конкретний вид реализации метода, г.опользовании.! ь раооте для экспериментальной проверки разрешающей способности. Ь такой геометрии возбуждаются обратные

yA"\V'\ 'V

- -У/

у.

~r

л.,- . ЛУул л ,\\Y.u^.

^{* /^Xzr*}

ay -'.^tr.y. Щ?9

Ш)

p.

II»

Рис. 7. Схема эксперимента по счетьшанкю синусоидального сигнала с различным пространственным периодом ( Лу)- а) Зависимость выходи 1 мощности Рг от Н„ при )ip - 14 мкм, б) зависимость 9с (Н,) при Лу = 10 кки. I - магнитофонная лента. : - подложка (ГГГ), 3 - пленка ЖКГ, 4 - щелевая линия передачи (Си ).

обьемные магнитостатичеокие волны. Исследуемое неоднородное магнитное поле создавалось магнитофонной лентой с записаним на ней синусоидальным сигналом о различными пространственны ми периодами. Разрешающая" способность метода при заданных величинах градиента Go я толщины D пленки ЖИГ определялао в результате последовательного считывания оигнала, имеющего вое меньший период записи. Минимальный период, при которо: считываемый сигнал можно было различить на фоне шумов, прин: мался в качестве експериментального эначения о. В результаті экспериментов подтвердилась вависимось о как от величины градиента внешнего магнитного поля Q._f так и от толщины D пленки-датчика. В таблице приведены экспериментальные и расчетные значения разрешающей способности о (мкм) при различных значениях Ъ и G₉ (в скобках приведены расчетные значения О )

Как видно из таблицы имеется хорошее качественное согласие экспериментальных и теоретических результатов.

Определив разрешающую способность, мокноЬычислить эффективную ширину линии магнитного резонанса. Зная эффективную ширину линии ФМР, мы мокем определить время релаксации однородной прецессии и тем самым оценить быстродействие метода. В нашем случае это будет означать время, за которое энергия иВЧ поля передается обратной объемной магнитостатической волне.

Расчеты показывают, что при использовании пленок ЖИГ толщиной D = I мкм и при градиенте G* ~ ГЭ/мкм разре-

шающая способность метода будет порядка I мкм, а бастродей-ствие может достигать 10 бит/с.