Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Пленки ферритов-гранатов с перпендикулярной анизотропией 9
1.1. Кристаллическая структура и магнитные параметры 9
1.1.1. Кристаллическая структура ферритов-гранатов 9
1.1.2. Монокристаллические пленки ферритов-гранатов 10
1.1.3. Магнитные характеристики пленок ферритов-гранатов 11
1.2. Статическая и динамическая доменная структура пленок ферритов гранатов с перпендикулярной
анизотропией 15
1.2.1. Доменная структура и доменные стенки в отсутствии магнитного поля 15
1.2.2. Влияние статического магнитного поля на доменную структуру 18
1.2.3. Внутренняя структура доменных стенок в магнитном поле 20
1.3. Низкочастотная динамика доменной структуры в пленках ферритов-гранатов с перпендикулярной анизотропией 22
1.3.1. Ангерное состояние, кольцевые и спиральные динамические домены 22
1.3.2. Фазовые диаграммы состояний динамической доменной структуры 32
1.3.3. Динамические гистерезисные свойства пленок ферритов-гранатов в ангерном состоянии
ГЛАВА 2. Методика эксперимента 40
2.1. Объекты исследования
2.2. Методика наблюдения динамических доменных структур и измерения петель гистерезиса 41
ГЛАВА 3. Влияние параметров гармонического магнитного поля на доменную структуру пленок ферритов-гранатов и их петли гистерезиса 48
3.1. Динамика доменной структуры образца №1 (Q=73) 49
3.1.1. Динамические доменные структуры при амплитуде Ho Hi (f=(0,2-7) кГц). Динамические спиральные домены ...49
3.1.2. Динамические доменные структуры при амплитуде Н! Но Нг (f=(0,2-7) кГц). Древовидные динамические доменные структуры 52
3.1.3. Динамические доменные структуры при амплитуде Н2 Но Нз (f=(0,2-7) кГц). Радиальные динамические доменные структуры 56
3.2. Некоторые особенности поведения динамических доменных 2 структур в гармонических полях в пленке с умеренной анизотропией 60
Заключение к главе 3 66
ГЛАВА 4. Системы упорядоченных динамических доменов в пленках ферритов-гранатов в магнитных полях ультранизких частот 70
4.1. Системы кольцевых концентрических доменов в гармоническом поле частотой (2-15) Гц 70
4.2. Динамические спиральные домены в импульсном магнитном поле частотой (0,01-20) Гц 82
Заключение к главе 4 89
ГЛАВА 5. Динамические спиральные домены в присутствии подмагничивающего поля с линейным градиентом 91
Заключение к главе 5 99
Выводы 100
Список литературы 102
- Магнитные характеристики пленок ферритов-гранатов
- Методика наблюдения динамических доменных структур и измерения петель гистерезиса
- Динамические доменные структуры при амплитуде Ho Hi (f=(0,2-7) кГц). Динамические спиральные домены
- Динамические спиральные домены в импульсном магнитном поле частотой (0,01-20) Гц
Введение к работе
Актуальность темы. Пленки ферритов-гранатов широко используются в устройствах магнитоуправляемой оптики для обработки оптических сигналов, записи информации, визуализации и топографирования магнитных полей [1]. Принцип действия таких устройств основан на изменении намагниченности (движении доменной структуры) под действием внешних магнитных полей. В связи с этим изучение процессов динамического перемагничивания пленок ферритов-гранатов является актуальной задачей физики магнитных явлений.
Активное исследование доменной структуры (ДС) пленок ферритов-гранатов началось в 1970х годах как сред, являющихся перспективными для записи информации на цилиндрических магнитных доменах. Соответственно, основное внимание уделялось поведению цилиндрических магнитных доменов под воздействием внешних магнитных полей области частот 106-108 Гц. В 1988 году было обнаружено [2], что при низких частотах магнитного поля (10 -10 Гц) происходит упорядочение доменной структуры пленок ферритов-гранатов - образование устойчивых спиральных и кольцевых доменов. Такое поведение коллектива доменов наблюдалось впервые и вызвало значительный интерес. Состояние доменной структуры образца, в котором происходит формирование упорядоченных доменных структур, было названо авторами «ангерным». Особенностью ангерного состояния (АС) являлось то, что упорядоченные динамические ДС возникали, «жили» некоторое время и разрушались, потом вновь возникали, жили, исчезали и т.д. Для описания АС наряду с конфигурационными параметрами динамической ДС были введены динамические параметры ангерного состояния - «время жизни» Tg конкретной динамический структуры определенного вида и время ожидания Tw появления подобных структур на контролируемой части образца.
Несмотря на довольно обширные экспериментальные и теоретические исследования ангерного состояния [3-15] открытым остается вопрос о причинах и механизмах образования, трансформации, разрушения динамических спиральных и кольцевых концентрических доменов.
Подробно действие линейного градиента на спиральные динамические домены до сих пор не исследовано. Известна только одна работа по получению динамических спиральных доменов в неоднородном магнитном поле [3].
Ангерное состояние, характеризующееся формированием кольцевых концентрических доменов, остается не изученным. Более того, до сих пор не поднимался вопрос о возможности ангерных состояний пленок при частотах ^ < 100 Гц.
Кольцевые и спиральные домены в ангерном состоянии устойчивы, их можно наблюдать в оптический микроскоп. Однако они окружены динамическим доменным хаосом, конкретная конфигурация доменов в котором неразличима. Доменные структуры, образующиеся в частотно-амплитудных областях, соседствующих с ангерной областью, также мало изучены.
Необходимо более полное исследование динамической доменной структуры и гистерезисных свойств пленок ферритов-гранатов. Результаты такой работы могли бы предоставить новые факты поведения упорядоченных динамических доменных структур, необходимые для лучшего понимания природы явления самоорганизации в магнитных средах.
Целью данной работы являлось комплексное исследование динамической доменной структуры и динамических гистерезисных свойств высокоанизотропных пленок ферритов-гранатов: получение экспериментальных данных, которые позволили бы подступиться к выяснению вопроса о механизме формирования упорядоченных динамических доменных структур.
Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи:
установление однозначного соответствия вида конкретных динамических доменных структур конкретным участкам петель гистерезиса в области звуковых частот внешнего пространственно однородного гармонического поля. Исследование поведения массива доменов в течение одного периода поля;
исследование динамической доменной структуры пленок ферритов-гранатов в гармонических и импульсных пространственно однородных магнитных полях ультранизких частот (частота f<20 Гц) на возможность реализации ангерного
состояния.
- определение влияния постоянного подмагничивающего поля
с линейным градиентом на поведение спиральных динамических
доменов в пленках ферритов-гранатов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
В результате исследования динамической доменной структуры пленок ферритов-гранатов стробоскопическим методом в широком диапазоне частот и амплитуд гармонического поля впервые обнаружены и выделены как отдельный тип древовидные динамические доменные структуры.
Обнаружено ангерное состояние, формирующееся в пленках ферритов-гранатов под действием магнитных полей ультранизких частот ((0,01-20) Гц). В гармонических магнитных полях данного диапазона частот формируются системы кольцевых концентрических доменов, а в полях типа симметричный меандр -плотная упаковка спиральных динамических доменов. Время жизни этих структур достигает нескольких часов.
Показана кинетика образования спиральных доменов - в импульсных полях ультранизких частот они формируются в результате вращения внутреннего конца спирального домена под действием гиротропной силы.
Выявлено, что образование систем кольцевых концентрических доменов в гармонических полях ультранизких частот обусловлено высокой амплитудой поля, задержкой намагничивания, наличием в образце нескольких точечных дефектов.
Исследовано поведение цепочек спиральных динамических доменов, формирующихся в присутствие подмагничивающего поля с линейным градиентом. Обнаружено, что:
- время жизни цепочечных динамических спиральных доменов
возрастает с ростом градиента поля, имеет максимум, после
которого резко уменьшается. Максимальное время жизни на
порядок превышает время жизни спирального динамического
домена в отсутствие подмагничивающего градиентного поля;
- показано, что с ростом градиента спиральные домены
сжимаются вдоль нулевой линии градиента, а количество витков в
них уменьшается;
наличие градиентного подмагничивающего поля влияет на траекторию движения спирального домена. Цепочечный спиральный домен перемещается только вдоль нулевой линии градиента постоянного поля. Скорость его дрейфа на порядок меньше, чем скорость дрейфа одиночного спирального домена в пространственно однородном гармоническом поле;
установлено, что в градиентном магнитном поле зависимость числа витков цепочечного спирального домена от величины градиента поля монотонно убывает, начиная с некоторого значения.
Достоверность результатов диссертационной работы основана на применении апробированных экспериментальных методик, на статистическом характере экспериментальных исследований: все эксперименты были проведены неоднократно, и можно говорить об их полной повторяемости. Полученные в работе результаты не противоречат экспериментальным результатам, полученным другими авторами и уже опубликованным в открытой печати.
Практическая значимость результатов. Полученные в работе результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов перемагничивания, приводящих к трансформации петель гистерезиса и формированию динамических доменных структур разнообразных конфигураций. Результаты работы служат основой для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в области магнитных свойств эпитаксиальных пленок с перпендикулярной анизотропией.
Личный вклад. Все представленные в диссертации
результаты получены при личном участии автора. Автором были
освоены экспериментальные установки, аттестованы образцы,
использовавшиеся в ходе экспериментов. Автором или при его
непосредственном участии были проведены все
экспериментальные исследования и обработаны их результаты.
Автор участвовал в постановке промежуточных
экспериментальных задач, в обсуждении и интерпретации конечных результатов исследования. В коллективных публикациях автор лично принимал участие в написании текстов.
Апробация работы. Основные результаты
диссертационной работы, опубликованы в реферируемых научных
российских журналах («Физика твердого тела», «Физика металлов и металловедение»).
По результатам работы представлено 9 докладов на 4-х международных конференциях: IXX международная школа-семинар «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 28 июня-2 июня 2004 г. Москва; XX международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» 12 июня-16 июня 2006 г., Москва; ESTMAG-2007 23-26 August 2007, Kazan, Russia; III Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» Сентябрь 23-26, 2008, Иркутск, 2008.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях и 9 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 113 страниц, включая 54 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 120 наименований.
Магнитные характеристики пленок ферритов-гранатов
Таким образом, в общем случае в структуре граната имеется три кристаллографически неэквивалентные подрешетки магнитных ионов, связанные ферримагнитным взаимодействием.
Наиболее сильное косвенное обменное взаимодействие, приводящее к антипараллельному упорядочению магнитных моментов, существует между тетраэдрическими и октаэдрическими ионами железа. Ионы редкоземельных элементов, образующие третью - додекаэдрическую магнитную подрешетку -наиболее сильным косвенным обменным взаимодействием связаны с ионами железа тетраэдрической подрешетки.
Вследствие кубической симметрии ферримагнитные гранаты в магнитном отношении многоосны. Однако если гранат содержит 2 или более типа редкоземельных ионов, то вследствие их упорядочения он может быть магнитоодноосным.
Главным методом получения монокристаллических пленок ферритов-гранатов является метод жидкофазной эпитаксии на горизонтальную подложку в изотермических условиях. В качестве подложки обычно используют немагнитный гранат, разница в постоянных решетки пленки и подложки должна быть минимальной. Рост пленки происходит в переохлажденном растворе-расплаве, растворителем гранатообразующих компонент в большинстве случаев является РЬО-В2Оз. Для обеспечения однородности химического состава по толщине пленки необходимо постоянство скорости роста. В этом смысле сложными в изготовлении являются Ві-содержащие пленки ферритов-гранатов, поскольку введение в раствор-расплав Ві2Оз приводит к нестабильности кристаллообразующих свойств растворителя. Со временем происходит деградация раствора-расплава, скорость роста пленки значительно уменьшается. Отрицательным последствием этого является трудность получения пленок повышенной толщины (более 20 мкм), что связано с изменением состава и параметра решетки пленки по толщине. В результате возникают упругие напряжения, которые приводят к растрескиванию образца.
Кроме того, на границе подложка-пленка всегда формируется переходный слой толщиной 0,1-0,5 мкм, отличающийся по составу и магнитным характеристикам от основного слоя пленки. На поверхности пленки также как правило, осаждается тонкий слой, происхождение которого связывают с выпадением гранатовой фазы в каплях растворителя, не удаленных в процессе быстрого вращения подложки [2]. Поэтому, анализируя магнитные свойства монокристаллических пленок ферритов-гранатов следует учитывать вероятность существования неконтролируемой слоистости или плавного градиента свойств по толщине пленки.
Наличие трех катионных позиций разных размеров (в трех магнитных подрешетках: тетраэдрической, октаэдрической, додекаэдрической) позволяет вводить в состав монокристаллических пленок ферритов-гранатов большое количество элементов таблицы Менделеева и получать образцы с различными физическими свойствами. Три магнитные подрешетки, связанные ферримагнитным взаимодействием и наведенная в процессе роста магнитная анизотропия позволяют в широких пределах изменять намагниченность насыщения, константу одноосной анизотропии и другие параметры.
Магнитооптические материалы, какими являются эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов характеризуются высокой магнитооптической добротностью vj/=20F/a, где 0F - удельное фарадеевское вращение, a параметр оптического поглощения. Наибольшими параметрами \/ и F обладают висмутсодержащие ферриты-гранаты. Спектральная зависимость \/ в висмутсодержащих пленках ферритов-гранатов характеризуется тремя максимумами в области i=0,56, 0,78 и 1,15 мкм; эти значения определяются спектральной зависимостью коэффициента поглощения [7, 48]. С ростом температуры удельное вращение фарадея немонотонно падает.
Ферриты-гранаты обладают очень высокой прозрачностью в ближней инфракрасной области спектра, где имеется окно прозрачности в интервале длин волн 1,3- 5,5 мкм. Спонтанная намагниченность Ms ферритов-гранатов определяется суммой намагниченностей отдельных подрешеток: Ms=Ma+Md+Mc, где Ма, M(i, - намагниченности антипараллельно направленных магнитных моментов ионов Fe3+ тетраэдрической и октаэдрической подрешеток. Мс -ориентация магнитного момента редкоземельной подрешетки, зависящая от типа редкой земли.
Введение в состав феррита-граната висмута вызывает уменьшение плотности магнитных моментов (из-за роста постоянной решетки) и увеличение сверхобменного взаимодействия, что приводит к росту намагниченности насыщения Ms..
Пленки ферритов-гранатов, как правило, характеризуются четко выраженной осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки. Это наведенная одноосная магнитная анизотропия, и она индуцируется в процессе выращивания эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов. Двумя основными механизмами, ответственными за существование в пленках ферритов-гранатов одноосной анизотропии, являются механизм «напряжений» и «ростовый» механизм [2, 7]. Первый механизм заключается в том, что двуосное напряжение в плоскости пленки вызывает, благодаря
Методика наблюдения динамических доменных структур и измерения петель гистерезиса
Влияние гиротропной силы на формирование динамических спиральных доменов отмечено в работах [40, 45]. Гиротропная сила, действуя на головку растущего полосового домена, вызывает его закручивание [5]. Это предположение основано на экспериментальных фактах - при включении подмагничивающего поля снималось вырождение по направлению закручивания полосовых доменов - одно из них становилось преимущественным [45]. Также, подчеркнем, что СДД наблюдаются в пленках ферритов-гранатов, в которых отсутствует анизотропия в базисной плоскости [32,40,45].
Другие типы упорядоченных доменных структур наблюдались при воздействии на пленку ФГ ((YBi)3(FeGa)5Oi2 Q=100, Hs=36 Э) треугольных монополярных импульсов. Это были симметрично упорядоченные эллиптические и цилиндрические домены [44, 93].
Под действием импульсов поля эллиптические домены меняли свою ориентацию, но не путем вращения (под действием гиротропной силы [5]), а следующим образом: эллиптические домены уменьшали свою длину, становясь почти квадратными, а затем удлинялись вдоль направления, перпендикулярного первоначальному. Симметрийный анализ возникающих ДС и показал, что их симметрия может описываться двумерными пространственными группами P6mm, Р6, Cmm2 и РаЬ2. В гармоническом поле в этих же образах наблюдалось ангерное состояние.
Следующие доменные структуры, которые необходимо отметить, это радиальные динамические доменные структуры, наблюдающиеся в полях с амплитудой Ho»Hs. В высокоанизотропных пленках перемагничивание начинается со скачкообразного расширения остаточных зародышей, сохранившихся на локальных дефектах. Так, из микроскопического зародыша перемагничивания, как из центра по всем направления прорастают лавиной, разветвляясь, полосовые домены. В результате возникает дендритообразная радиальная доменная структура [74, 92]. Такие структуры наблюдались и при квазистатическом перемагничивании [74]. Скачок намагниченности и возникновение радиальной ДС происходит в поле Нк, меньшем поля насыщения Hs- Вид радиальной ДС при этом зависит от магнитной предыстории образца и от максимального значения поля Нт. Зависимость Нк(Нт), например, в [74] объясняется наличием у каждого зародыша 2х критических полей - уничтожения и скачкообразного роста. Высказаны предположения о наличии у зародыша перемагничивания спектра метастабильных состояний [55], который реализуется при различных значениях Нк. В [16] теоретически исследованы условия роста зародышей перемагничивания в образце конечных размеров. Показано, что поле старта зависит от размеров образца, местоположения зародыша, а также определяется неоднородностью магнитостатического поля в высокоанизотропных вещества.
При относительно невысоких частотах (1-2 кГц) радиальные динамические доменные структуры не успевают разрастаться на весь образец, поэтому возникают ДДС в виде многолучевых звезд, лучи которых уменьшаются с увеличением частоты поля. Такие структуры исследованы стробоскопическим методом в [38]. Авторы называют их гигантскими динамическими доменами, их размеры на порядок и более превышают равновесные.
В [56] наблюдались аксиально-симметричные полосовые доменные структуры в импульсном поле, создаваемом наклеенной на образец катушкой. Доменные границы сдвигались вдоль радиуса катушки. Направление роста было обусловлено внутренними напряжениями.
Известно существование радиальных доменов вблизи дефекта в импульсных полях [61, 62]. Такие домены устойчивы и существуют в полях, превышающих поле коллапса доменной структуры.
Пленка феррита-граната, находящаяся в непрерывно действующем пространственно однородном переменном поле представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой происходят процессы поступления и диссипации энергии с самоорганизацией элементов системы, в данном случае доменов [32]. По этим соображениям эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов были отнесены к активным средам, рассматриваемым в синергетике, а ангерное состояние сравнивают с возбужденным состоянием автоколебательной среды. Магнитоупорядоченные среды являются классическим примером диссипативных систем (уравнение Ландау-Лифшица с релаксационным членом неинвариантно относительно операции обращения знака времени и всегда нелинейно) [44].
В работе [59] с использованием микромагнитного уравнения Ландау-Лифшица, показано, что при определенных значениях управляющих параметров (зависящих от магнитной энергии со, гиромагнитного отношения у, параметра затухания а, внешнего поля Н и константы одноосной анизотропии К) возможна реализация регулярных динамических структур - аттракторов типа предельного цикла - к которым и эволюционирует траектория вектора намагниченности.
Выше были рассмотрены упорядоченные динамические доменные структуры, формирующиеся в пленках с перпендикулярной анизотропией в магнитных полях звуковых частот (10 -10 Гц). Описаны их форма, параметры и амплитудно-частотные области их существования. Однако для объяснения известных эффектов в низкочастотной динамике необходимо знать и структуру окружающего их пространства (f-H0). Этот вопрос отчасти решен в работах [25, 28], где построены подробные динамические доменные фазовые диаграммы доменной структуры пленок ферритов-гранатов по визуальным микроскопическим наблюдениям.
Динамические доменные структуры при амплитуде Ho Hi (f=(0,2-7) кГц). Динамические спиральные домены
Разное количество доменов обратной магнитной фазы в максимальном поле Н=Но обусловлено соотношением скорости движения доменной границы и скорости изменения поля. С увеличением частоты и амплитуды скорость изменения поля растет, и доменная граница сильнее отстает от поля. Поэтому в момент Н=Но на рис. 3.4а (точка "а" на рис. 3.4г) доменов обратной фазы остается больше, чем на рис. 3.3а (точка "а" на рис. З.Зв).
Если при частоте 3,2 кГц продолжать увеличивать амплитуду поля, происходит расширение петли гистерезиса. При Н0=2Н$ ПГ показана на рис. 3.5л — коэрцитивная сила Нс 45 Э, восходящая и нисходящая ветви петли немного размытые, т.е. перемагничивание происходит хотя и по близким, но разным циклам. На рис. 3.5г (точка "г" на рис. 3.5л) пленка находится практически в состоянии насыщения при максимальном значении поля. Присутствует небольшое количество доменов обратной магнитной фазы.
Далее поле снижается, но состояние близкое к насыщению продолжается вплоть до Н 30 Э (рис. 3.5д, точка "д" на рис. 3.5л). При этом вид остаточных доменов меняется - основные крупные протяженные домены становятся шире, а небольшие к ним стягиваются. В момент Н 15 Э (рис. 3.5е, точка "е" на рис. 3.5л) на остаточных доменах появляются отростки, которые удлиняются, а затем на них в свою очередь появляются выросты, формируется структура, как на рис. 3.5ж. Назовем ее тоже древовидной (надо заметить, что её вид отличен от вида ДС на рис. 3.36). ДДС на рис. 3.5ж получен при мгновенном значении поля Н=0 Э (точка "ж" на рис. 3.5л).
В следующий момент поле меняет знак и обратная фаза ("черная" на рис. 3.5ж) становится преимущественной (основной). При росте основной «черной» фазы её домены расширяются по всему периметру (рис. 3.5з, 3.5и, 3.5к, точки
Различные виды древовидных динамических структур в различных образцах в момент нулевого поля при частоте f амплитуде Но поля: а - образец №1, f= 3,2 кГц, Н0=60 Э; б - образец №1, f= 6,8 кГц, Н0=81 Э; в - образец №4, f= 2,5 кГц, Но=74 Э; г -образец №5, f=0,8 кГц, Н0=37 Э.
Динамические доменные структуры при амплитуде Н2 Н0 Н3 (f=(0,2-7) кГц). Радиальные динамические доменные структуры
Когда амплитуда поля достигает значение Но- Нг (H2 2,5HS для образца №1) при f=0,2 кГц, петля гистерезиса принимает вид как на рис. 3.76. Точнее, на рис. 3.76 видно две ПГ, одна с Нс=0 Э, другая с Hci=19 и НС2=П Э, спинки обеих петель вертикальные. Присутствие двух ПГ на рисунке свидетельствует о неоднозначности процесса перемагничивания, хотя и доминирует пара устойчивых циклов. Начинают влиять дефекты и края пленки, на которых остаются зародыши обратной фазы или вблизи которых условия зарождения доменов более выгодные. При амплитудном значении напряженности поля (Н-100 Э) пленка, в основном, намагничена однородно, изредка остается один полосовой домен, закрепленный на дефекте. Рост обратной магнитной фазы начинается при значениях поля намного ниже амплитудного (HKi 9 Э, Нкг 19 Э, Нкз=-23 Э, Нк4=-15 Э) и происходит очень быстро.
При увеличении амплитуды до Ho 4Hs при f=0,2 кГц задержка зародышеобразования доменов обратной фазы на дефектах значительно увеличивается, петля гистерезиса становится прямоугольной (рис. 3.7г), оставаясь несимметричной с коэрцитивными силами HCi=80 Э и НС2=55 Э. Аналогичный эффект имеет место при статическом намагничивании высокоанизотропных пленок и связан с разными полями старта остаточных доменов в положительных и отрицательных полях [55]. Доменная структура радиальная (рис. 3.7в и соответствующая ему черная точка на ПГ рис. 3.7г), но вид её отличается от вида ДДС на рис. 3.7а. При снижении отрицательного поля "белая" фаза на рис. 3.7в разрастается и занимает весь образец. В следующем полупериоде поля аналогично ведет себя "черная" фаза. При такой высокой амплитуде активным остается один дефект, который и является источником образования новой магнитной фазы.
При Н=0 Э (черная точка на рис. 3.76) видна полностью сформированная радиальная блочная доменная структура (рис. 3.7а), центром которой является дефект пленки. Полосовые домены, растущие из дефекта, имеют отростки, т.е. они ветвились, однако, преимущественно рост доменов происходит вдоль радиусов, "от дефекта" - формируется радиальная блочная ДДС (рис. 3.7а).
С увеличением амплитуды поля до значений H0 2,5HS при частотах f l,6 кГц наблюдается переход к треугольной петле гистерезиса (рис. 3.8г). Соответствующая доменная структура представлена гигантскими динамическими доменами (ГДД) (рис. 3.8а-3.8в), которые в течение периода поля растут от дефекта в центре кадра. Этот результат согласуется с данными, полученными в [24, 38]. Домены на рис.3.8а-3.8в существуют при разных мгновенных значениях поля (точки "а", "б", "в" на рис. 3.8г). Несмотря на различие в размерах (радиусы ГДД равны соответственно 130, 270 и 350 мкм), домены имеют одинаковое количество лучей (отростков) на единицу длины их окружности 0.03 1/мкм. У радиальных доменов на рис. 3.8а, 3.86 можно выделить 8 основных лучей - более длинных (длина луча 30 мкм) по сравнению с остальными (длина (10-30) мкм), ширина основных лучей (40-50) мкм, неосновных (14-28) мкм. "Черный" ГДД на рис. 3.8в не имеет ярко выраженных основных лучей.
С чем связаны эти особенности формы доменов, пока трудно сказать, Если предположить влияние кристаллографической анизотропии, то ось симметрии лучей радиальных доменов должна быть бго порядка, в нашем эксперименте лучи несимметричны. Возможно, такая форма доменов обусловлена наличием упругих напряжений в пленке и влиянием магнитоупругой энергии.
Динамические спиральные домены в импульсном магнитном поле частотой (0,01-20) Гц
Исследование доменной структуры образца №1 в импульсном магнитном поле типа симметричный меандр проводилось в диапазоне частот f=(0,001- 20) Гц и амплитуд Ho=(OV70) Э. Эксперимент показал, что в магнитном поле такой формы с частотой (0,01-20) Гц и амплитудой (0,5-0,7)HS реализуется ангерное состояние, подобное уже известным [32, 45]. Ангерное состояние в данном случае характеризуется формированием спиральных динамических доменов (СДД). Длительное наблюдение поведения динамической доменной структуры при f=0,001 Гц часов не выявило каких-либо процессов самоорганизации при данной частоте поля.
На рис. 4.7. приведена полученная в результате эксперимента доменная структура в различные моменты времени после включения переменного поля. Следует отметить тот факт, что спирали образуются не с момента включения поля, а после некоторого продолжительного воздействия поля на образец (рис. 4.7). В первые минуты после включения поля доменная структура является неупорядоченной лабиринтной (рис. 4.7а). Постепенно формируется плотная упаковка спиральных динамические доменов, которые ведут себя совершенно аналогично уже известным в области частот (10 -10 )Гц СДД - возникают, "живут" некоторое время жизни, меняя количество витков и их форму (рис. 4.76, 4.7в), затем разрушаются. Время ожидания Tw в данном случае равно нулю, поскольку на наблюдаемом участке образца спиральные домены существуют непрерывно. Таким образом, следует говорить не об отдельных СДД, а о системе спиральных динамических доменов (рис. 4.76, 4.7в).
Для описанного процесса самоорганизации уместно ввести такую характеристику, как время формирования плотной упаковки спиралей Tf время от момента включения поля до заполнения всей площади образца спиральными доменами с числом витков 2-4. Так, для данного образца в поле частотой 10 Гц 7 =0,5 мин, а в поле частотой 1Гц Tf=40 мин.
Через 14 минут после включения поля (рис. 4.76) на контролируемом участке образца, часть которого показана на рис.4.7, было 25 спиральных динамических доменов, 10 из которых закручены по часовой стрелке, 15 — против часовой стрелки; преобладали спиральные домены с количеством витков 2-4. После 22 минут воздействия переменного поля картина доменной структуры изменилась (рис. 4.7в). Спиральные домены "накрутились", увеличилось число спиралей, имеющих 5-10 витков, при этом их общее количество на данном участке пленки, естественно, уменьшилось до 15. Спиралей, закрученных против часовой стрелки, стало 7, по часовой стрелке - 8. Спиральные динамические домены образовали плотную упаковку и приобрели многоугольную форму (рис. 4.7в).
На рис. 4.8 представлена зависимость усредненного времени жизни Tg СДД от частоты переменного поля при фиксированной амплитуде (29 Э). (Нами было проверено распределение спиральных доменов по временам жизни, оказалось, что оно носит нормальный характер, поэтому среднее значение Tg мы искали как среднее арифметическое). На графике видно, что с увеличением частоты Т„ уменьшается (при f=0,l Гц Г„ очень велико, оно превышает 2 часа, тогда как при f=20 Гц 7 =16 с). Такие зависимости наблюдались впервые. В работе [22] данная зависимость имела немонотонный характер. Спиральные динамические домены в окружении таких же СДД магнитостатически более устойчивы, чем одиночные спирали, наблюдавшиеся ранее в гармонических полях частот 102-10 Гц [49-51]. Возможно, поэтому время жизни спирального домена в плотной упаковке СДД может достигать нескольких сотен минут и его, скорее всего, нельзя сравнивать со временем жизни, которое было введено для одиночной спирали и составляло доли секунды.
Следует отметить, что образование спиральных динамических доменов не наблюдалось в гармоническом магнитном поле того же диапазона частот (0,01-20) Гц, однако СДД формируются в гармоническом поле частотой г (Ю2-104)Гц.
Такое поведение доменной структуры пленок ферритов-гранатов мы связываем с влиянием скорости изменения магнитного поля и, как следствие, с различной величиной гиротропной силы. В случае сигнала типа меандр скорость изменения поля в момент его переключения составляла dH/dt (3xl0 ) Э/с. Эта величина сравнима со скоростью изменения гармонического поля частотой f (102-104) Гц, и на несколько порядков выше dH/dt для гармонического сигнала частотой (0,1-20) Гц (область амплитуд Н0 (30-40) Э).
На рис.4.9 приведены последовательные кадры, из «жизни» отдельного спирального динамического домена (он в центре кадров), сформировавшегося в поле частотой f=5 Гц и амплитудой Но=33 Э. На рис. 4.10 для наглядности приведена схема этого же спирального домена.
На рис. 4.10а можно видеть полосовой домен с отростком -дисклинацию - дефект магнитной структуры [40, 46] (отросток отмечен на рис. 4.10а стрелкой 1). По прошествии 1 секунды (рис. 4.106) этот отросток повернулся вправо - уже сформировался спиральный домен с количеством витков п = 1,5. Еще через полсекунды (рис. 4.10в) внутренний конец спирального домена опять повернулся на некоторый угол. На рис. 4.106-4.10ж образовавшийся спиральный домен растет, количество его витков увеличивается от п=1,5 до п=5. Внешний конец спирали не свободен, он связан с окружающей доменной структурой (рис. 4.9), внутренний же конец спирального домена может перемещаться и под действием гиротропной силы происходит его постепенное закручивание в импульсном поле. Каждый новый поворот внутреннего конца СДД на 360 градусов добавляет спирали еще один виток. При этом внешние уже сформировавшиеся витки увеличиваются в диаметре: на рис. 4.10б-4.10ж диаметр внешнего витка изменился от 114 до 440 мкм (рис. 4.11а).
