Введение к работе
Актуальность темы. Магнитные пленки в последние годы нашли широкое применение в микроэлектронике, элементах запоминающих устройств ЭВМ и информационных систем, технике СВЧ [1-5]. Это явилось, с одной стороны, следствием совершенствования технологии синтеза массивных магнитных материалов и стремления получить материалы с возможно более высокой намагниченностью, прямоугольной петлей гистерезиса, с высокой подвижностью доменных границ и добротностью. Совершенствование технологии, использование уникальных процессов и оборудования нередко приводило к получению таких магнитных композитов, которые представляли исключительный интерес для развития магнетизма, для углубления и расширения знаний о природе магнитоупорядоченного состояния вещества. С другой стороны, именно пленочное состояние вещества позволило обнаружить ряд новых физических явлений, на основе которых удалось создать технические устройства, не реализуемые иными способами [6-11].
Поскольку проявления магнитных свойств в тонких пленках и их взаимосвязей чрезвычайно разнообразны, естественным образом возникла задача изыскания таких методов диагностики этих магнитных материалов, которые обеспечили бы получение исчерпывающей информации о важнейших характеристиках объектов исследования. Успешное решение возникающих при этом проблем возможно лишь при достаточном внимании как к изучению природы физических эффектов, на которых основана работа функциональных радиофизических устройств, так и особенностей магнитного состояния специально для них синтезируемых материалов.
В процессе разработки и совершенствования технологии синтеза новых магнитных материалов всегда возникает необходимость контроля их параметров. Такой контроль нужен бывает как в связи с задачей получения требуемых свойств, так и для управления самим процессом синтеза. Если для достижения первой цели достаточен контроль параметров, являющихся основными (и, как правило, определяющих возможность использования синтезируемого материала в конкретном техническом устройстве), то для достижения второй нередко оказывается эффективным контроль параметров, вовсе не связанных с последующим применением материала. При этом обычно контроль основных не вызывает затруднений, так как для этого используют аппаратуру, связанную с создаваемым техническим
устройством. Что же касается контроля дополнительных параметров, то, как правило, возможности большинства исследовательских групп весьма ограничены. Проблема выбора оптимальных методов исследования магнитных материалов не решалась практически никем - ни в нашей стране, ни за рубежом.
Гиромагнитные эффекты (ГМЭ) обусловлены, как известно, прецессией вектора намагниченности в поляризующем магнитном поле [12]. Согласно современной трактовке, это - явления, в которых проявляется взаимосвязь между магнитными и механическими моментами микроскопических объектов - атомов, ионов и т.д. В настоящей работе речь идет о ГМЭ, которые наиболее часто используются для изучения свойств магнитных пленок. В их числе ферро- и ферримагнитный резонанс (ФМР), спин-волновой резонанс (СВР), резонанс магнитостатнческих волн (резонанс МСВ), нерезонансное параметрическое взаимодействие электромагнитных полей с пленкой при ее квазистатическом перемагничивании (НПВ при КСП).
Пленки могут быть неоднородными в отношении намагниченности, анизотропии различных их характеристик. Эта неоднородность может относиться как к поверхности пленки, так и к ее обьему. Развитие технических приложений магнитных пленок привело к целенаправленному созданию слоистых структур. Все это, вместе взятое, потребовало широкого поиска и разработки методов контроля.
В настоящей работе излагаются результаты исследований ФМР, СВР, резонанса МСВ, а также НПВ при КСП, наблюдаемых в пленках, весьма сильно различающихся химическим составом, технологией синтеза, размером и формой, проводимостью и другими параметрами.
Основной целью исследований, результаты которых изложены в диссертации, было решение научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, - проблемы изыскания путей получения информации о неоднородности и анизотропии тонких магнитных пленок, синтезируемых для их широкого применения в промышленности и технике, с помощью методов, основанных на ГМЭ, в дополнение к традиционным магнитным методам.
Научную новизну диссертационной работы определяют основные результаты проведенных радиоспектроскопических исследований неоднородности и анизотропии перспективных магнитных материалов, в которых проявление ГМЭ связано с особенностями, позволившими впервые получить информацию о магнитной структуре этих объектов:
установлен характер неоднородности пленок различного состава и технологии по площади и глубине;
обнаружена связь спектра спиновых волн с изменением анизотропии имплантированных феррит-гранатовых пленок по их глубине;
впервые обнаружена гетерогенность различных магнитных материалов путем наблюдения в них ГМЭ;
впервые обнаружен каскад ГМЭ в лентах Fe-B при их нагреве, установлена корреляция между параметрами наблюдаемых эффектов и особенностями магнитной структуры;
впервые обнаружен и исследован ряд аномалий в спектрах обменных и магнитостатических спиновых волн, установлена их связь с параметрами, характеризующими степень неоднородности;
определена форма сигналов поглощения СВЧ-энергни пленками, обладающими дисперсией анизотропии, при их КСП;
дана геометрическая интерпретация эффективного поля одноосной анизотропии пленок, основанная на введении в рассмотрение его компоненты, коллинеарной вектору намагниченности в его равновесной ориентации.
Практическую ценность работы составляют:
-установление связи основных характеристик ФМР с магнитными параметрами объекта исследования, относящимися к различным его областям, - как по площади, так и по объему;
результаты исследований с помощью ФМР и ЭПР изменения анизотропии имплантированного слоя феррит-гранатовых пленок с изменением дозы имплантации и режима последующего отжига;
установление связи характера неоднородности магнитных материалов, проявляющих СВР и резонанс МСВ, с аномалиями резонансных спектров;
- разработанные методы измерения параметров одноосных
магнитных пленок, основанных на регистрации сигнала нерезонансного
поглощения в них СВЧ-энергин;
учет дисперсии анизотропии при анализе сигналов нерезонансного поглощения СВЧ-энергии одноосными пленками;
результаты исследований изменения микромагнитной структуры кластерных спиновых стекол посредством наблюдения в них ГМЭ;
- создание нового метода определения констант
кристаллографической, одноосной и ромбической анизотропии пленок с
помощью ФМР ("двухчастотный метод");
- новая интерпретация эффективного поля одноосной анизотропии, базирующаяся на введении в рассмотрение его компоненты, коллинеарной с вектором намагниченности в его равновесной ориентации.
Основные положения, выносимые на защиту:
(.Разработаны научные основы методов исследования неоднородности н анизотропии магнитных пленок с помощью гиромагнитных эффектов - ферро- и ферримагнитного резонанса, спин-волнового резонанса, резонанса магнитостатических волн, нерезонансного поглощения энергии переменного магнитного поля при квазистатическом перемагничивании, - в том числе в их сочетаниях друг с другом. Отличительной особенностью этого подхода к проблеме изучения свойств магнитных пленок является выбор таких условий эксперимента и анализ таких характеристик наблюдаемых сигналов, которые, применительно к конкретным особенностям объектов исследования, позволяют оптимальным образом выявить чувствительность различных методов, основанных на ГМЭ и их сочетаниях, к факторам различной природы, определяющим неоднородность и анизотропию магнитных пленок. Этот новый подход к изучению свойств магнитных материалов (гиромагнитная дефектоскопия реальных магнитных пленок) успешно апробирован на ряде серий тонкопленочных материалов, относящихся к различным классам магнитоупорядоченных систем и широко применяемых в промышленности и технике.
2. Обнаружен и детально исследован эффект нерезонансного параметрического взаимодействия электромагнитных полей с системой прецессируюших спинов в анизотропных одноосных материалах при их квазистатическом перемагничивании. Разработана теория этого эффекта, в которой установлена связь формы наблюдаемого сигнала с магнитными параметрами объекта исследования - намагниченностью насыщения, константой анизотропии и ее дисперсией - и с механизмом перемагничивания. Показано, что нерезонансное поглощение энергии переменного магнитного поля при квазистатическом перемагничивании пленок может быть использовано для исследования анизотропии и ее дисперсии, фазовых превращений с изменением температуры пленки, кластерной структуры, переходов в сверхпроводящее состояние.
Диссертация состоит из Введения, шести Глав, Заключения, Списка научных публикаций автора, а также трех Приложений. В первой Главе изложены результаты исследования плоскостной и объемной неоднородностей пленок, вызванных технологическими факторами, с
помощью ФМР. Во второй Главе изложены результаты исследования комбинированной анизотропии феррит-гранатовых пленок. В третьей Главе рассматривается связь степени неоднородности пленок с параметрами резонансных спектров обменных и магнитостатическнх волн. В четвертой Главе рассматриваются резонансные эффекты в имплантированных пленках. Пятая Глава посвящена изложению результатов экспериментального п теоретического исследования параметрического взаимодействия электромагнитных полей с системой прецессирующих спинов в пленке. В шестой Главе дан сравнительный анализ методов исследования пленок, базирующихся на гиромагнитных и других физических эффектах. Для удобства читателя в конце каждой из Глав дан параграф, называемый "Краткие итоги", в котором подытоживается содержание Главы.
Список цитируемой литературы дан отдельно к Введению и к каждой из Глав.
В Заключении даны основные результаты и выводы. Приложение 1 содержит спектры ФМР, рассчитанные для различного сочетания их компонент в случае двухслойных пленок. В Приложении 2 приведены теоретические выражения и графики, описывающие поведение компонент тензора динамической восприимчивости на различных частотах. В Приложении 3 дана дополнительная информация о численном решении системы уравнений, описывающих комбинированную анизотропию.
Основные результаты работы докладывались на следующих
конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзных конференциях по
физике магнитных явлений (Ленннград-1961, Свердловск-1965, Красноярск-
1971, Тула-1983, Калинин-1988, Ташкент-1991), Всесоюзных
(Всероссийских) совещаниях "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Ашхабад-1980, Донецк-1982, Саранск-1984, Рига-1986, Ташкент-1988, Новгород-1990, Астрахань-1992, Москва-1994, 1996), Всесоюзном семинаре по физике аморфных магнетиков (Красноярск-1980 и Красноярск-1989, Владивосток-1986), Всесоюзном семинаре по спин-волновой электронике (Саратов-1982 и 1993, Ашхабад-1985, Ужгород-1989), Научно-техническом семинаре "Опыт научных исследований и внедрений на предприятиях прецизионных сплавов" (Иркутск-1982), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" (Ленинград-1984), V Научно-технической конференции "Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение" (Ижевск-1984), Всесоюзном совещании "Доменные и магнитооптические
запоминающие устройства" (Суздаль-1985), Всероссийском совещании педвузов по физике магнитных явлений" (Астрахань-1989 и Астрахань-1993), V Всесоюзной конференции "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение" (Ростов Великнй-1991), XI Международной конференции по гиромагнитной электронике и электродинамике (Алушта-1992), Международной конференции "Нетрадиционная и лазерная технологии MALT-92" (Зеленоград-1992), Первой объединенной конференции по магнитоэлектронике (Москва-1995), Ломоносовских чтениях (Москва-1996), VI Международном совещании "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применение", (Боровнчн-1996), Русско-японском совместном семинаре "The Physics and Modeling of Intelligent Materials and their Applications" (Москва-1996). По теме диссертации имеется 91 публикация.