Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1. Ферриты со структурой граната 11
1.2. Доменная структура магнитных пленок 13
1.3. Петли гистерезиса пленок ферритов-гранатов 23
1.4. Коэрцитивная сила пленок ферритов-гранатов 33
1.5. Выводы и постановка задачи 42
Глава 2. Методы исследования процессов перемагничивания в пленках ферритов-гранатов 44
2.1. Статические параметры пленок ферритов-фанатов и методы их измерения 44
2.2. Магнитооптическая установка для исследования квазистатических и динамических процессов перемагничивания 49
2.3. Режимы работы магнитооптической установки 56
2.4. Оптимизация параметров магнитооптической установки 67
Глава 3. Квазистатические петли гистерезиса 73
3.1. Форма и основные параметры петель гистерезиса пленок ферритов-гранатов 73
3.2. Условия регистрации квазистатических петель гистерезиса 76
3.3. Температурные зависимости параметров петли гистерезиса 78
3.4. Коэрцитивная сила частных и предельных петель гистерезиса 80
3.6. Влияние рассогласования кристаллографических параметров пленки и подложки на коэрцитивную силу пленки 83
Глава 4. Динамические петли гистерезиса 88
4.1. Динамические петли гистерезиса в диапазоне частот гармонического магнитного поля /= 0-ь200 кГц 88
4.2. Поле старта и задержка возникновения зародышей перемаг-ничивания 92
4.3. Коэрцитивная сила пленок ферритов-гранатов в гармоническом магнитном поле 95
4.4. О причинах нестабильности петли гистерезиса 99
4.5. Частные асимметричные динамические петли гистерезиса 109
4.6. Динамические петли гистерезиса в присутствии постоянного поля смещения 112
4.7. Механизмы перемагничивания и форма петли гистерезиса 114
Глава 5. Частные петли гистерезиса и формирование доменных структур 119
5.1. Формирование спиральных доменов в квазистатическом магнитном поле 119
5.2. Эволюция динамического спирального домена в течение периода гармонического магнитного поля 129
5.3. Формирование гигантских динамических доменов 137
5.4. Последовательность формирования двумерных решеток доменов в гармоническом магнитном поле 140
5.5. О механизме формирования двумерных решеток доменов в гармоническом магнитном поле 151
5.6. Формирование двумерных решеток доменов в импульсном магнитном поле 159
Заключение 169
Литература 171
Приложения 185
- Доменная структура магнитных пленок
- Магнитооптическая установка для исследования квазистатических и динамических процессов перемагничивания
- Коэрцитивная сила частных и предельных петель гистерезиса
- О причинах нестабильности петли гистерезиса
Введение к работе
Петля магнитного гистерезиса - одна из важнейших и информативных характеристик магнитного материала. Гистерезисные явления отражают изменения в материале во время перемагничивания: генерацию и аннигиляцию доменов, перемещение и изменение длины доменных границ, вращение вектора намагниченности. С одной стороны, гистерезисные свойства, в частности коэрцитивная сила Нс, связаны с такими фундаментальными параметрами материала, как намагниченность, анизотропия, константа обмена; с другой стороны - характеризуют совершенство материала. Доменные границы действуют как зонды дефектов и измеренное значение Нс доменной границы содержит информацию о распределении и количестве дефектов.
Интерес к исследованию параметров петли гистерезиса монокристаллических пленок ферритов-гранатов обусловлен их применением в качестве основы для различных устройств микроэлектроники и магнитооптики. Такие исследования ведутся, начиная с 1970-х годов (см., например, [22,47,92,95,100, 128,134]). Благодаря совершенству кристаллической структуры и разнообразию физических свойств ферриты-гранаты являются объектом проверки теоретических концепций магнетизма твердого тела. Относительно результатов исследования петель гистерезиса пленок ферритов-гранатов можно отметить, что основные усилия были направлены на изучение квазистатических петель [22,100], а в динамическом режиме - на изучение коэрцитивных свойств отдельных доменов и участков доменных границ [95]. Об актуальности проблемы говорит и тот факт, что модель петли гистерезиса, отражающая характерные особенности квазистатических экспериментальных петель пленок ферритов-гранатов, разработана недавно [121,122], а модели динамических петель отсутствуют.
В последнее время в связи с интересом к процессам формирования упорядоченных доменных структур [20,27,38-40,43,90], в частности двумерных
5 решеток доменов [60,61,112,136], исследуются петли гистерезиса в гармоническом магнитном поле звуковых и ультразвуковых частот [27,39,40]: установлена взаимосвязь между формой петель гистерезиса и формированием спиральных доменных структур [27,40], обнаружена область нестабильности динамических петель гистерезиса [39]. В то же время не ясно, изменение каких динамических механизмов перемагничивания приводит к трансформации петель гистерезиса, каковы необходимые условия для формирования упорядоченных доменных структур. Остаются открытыми и ряд методических вопросов, например соответствие 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.
Исходя из вышеуказанных проблем была определена цель работы: экспериментальное исследование механизмов перемагничивания пленок ферритов-гранатов в гармоническом магнитном поле в диапазоне частот поля 10"4-И05 Гц. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Разработать методику записи петель гистерезиса пленок ферритов-гранатов с одновременной регистрацией динамических доменных структур, соответствующих участкам петли гистерезиса, стробоскопическим методом.
Изучить зависимость параметров частных и предельных петель гистерезиса пленок ферритов-гранатов от амплитуды гармонического магнитного поля в диапазоне частот 10" -ь10 Гц.
Выяснить взаимосвязь процессов формирования динамических доменных структур в пленках ферритов-гранатов с параметрами петель гистерезиса.
Научная новизна представленных в диссертации результатов заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:
1. Впервые реализована методика одновременной записи петель гистере- зиса в диапазоне частот гармонического магнитного поля 10"4ч-2-105 Гц и регистрации соответствующих участкам петель гистерезиса динамических доменных структур стробоскопическим методом с временным разрешением 0,8 мкс и регулируемой кратностью стробирования Кст=\, 2, 3 ... .
Определены условия, при которых результаты измерения коэрцитивной силы, полученные методом осцилляции доменных границ, совпадают с результатами, полученными по полуширине квазистатической петли гистерезиса.
Установлены механизмы перемагничивания, приводящие к изменениям параметров петель гистерезиса при изменении амплитуды и частоты гармонического магнитного поля.
Установлено, что верхняя граница области формирования динамических спиральных доменов по частоте магнитного поля связана с преобразованиями структуры границ доменов. Определены условия формирования ряда упорядоченных доменных структур в виде двумерных решеток доменов в импульсном и гармоническом магнитных полях. Обнаружены новые конфигурации двумерных решеток доменов.
Практическая значимость работы заключается в создании установки для исследования петель гистерезиса и доменной структуры магнитооптических материалов в широком интервале амплитуд и частот гармонического магнитного поля. Полученные в работе результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов перемагничивания, приводящих к видоизменению петель гистерезиса и формированию доменных структур в пленках ферритов-гранатов в гармоническом магнитном поле. Это расширяет возможности практического применения многодоменных магнитных пленок и создания на их основе новых технических устройств.
Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на XV Всероссийской, XVI и XVII Международных школах-семинарах «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 1996, 1998, 2000), Международной конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск,
7 1997), IV Всероссийской конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н.Новгород, 1999), конференции «Структура и свойства твердых тел» (Н.Новгород, 1999), Международном симпозиуме по спиновым волнам (С-Петербург, 2000), Евро-азиатском симпозиуме «Прогресс в магнетизме» (EASTMAG-2001, Екатеринбург, 2001).
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, описана структура и содержание диссертации, приведены основные результаты работы.
Первая глава представляет собой обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию петель гистерезиса и доменной структуры пленок ферритов-гранатов, и анализ методов регистрации петель гистерезиса и коэрцитивной силы. В конце первой главы определены цели и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена методике исследования пленок ферритов-гранатов. Основное внимание уделено разработанной стробоскопической установке для исследования процессов перемагничивания в диапазоне частот гармонического магнитного поля/=10" -т-2-10 Гц. Установка работает с использованием эффекта Фарадея. В качестве источника подсветки использован гелий-неоновый лазер с поперечной СВЧ-накачкой. Одновременно с фотометрической регистрацией петель гистерезиса в установке осуществлена возможность визуального наблюдения доменной структуры исследуемого материала и записи ее изображения с помощью видеокамеры. Возможности изменения режима модуляции лазера позволили реализовать стробоскопический метод с временным разрешением 0,8 мкс и кратностью стробирования Кст=\, 2, 3, ... .
При Кст=\ и сканировании импульса лазера по периоду поля изучали эволюцию доменных структур и делали вывод о повторяемости процессов перемагничивания. Выбор Кст>\ позволяет перейти в режим высокоскоростной фотографии, когда частота следования импульсов подсветки равна или близка к частоте смены кадров видеокамеры.
8 Измерение скорости движения доменных границ и наблюдение эволюции доменных структур в течение одного периода гармонического магнитного поля для неповторяющихся процессов перемагничивания проводили с помощью парных импульсов подсветки.
Наряду с обычным методом регистрации динамических петель гистерезиса с экрана осциллографа, когда на одном кадре регистрируется последовательность петель для многих циклов перемагничивания, установка позволяет стробировать и записывать с помощью видеокамеры динамическую петлю гистерезиса для единичного цикла перемагничивания.
В третьей главе диссертации изложены результаты исследования квазистатических петель гистерезиса. Обнаружено, что величина коэрцитивной силы пленок ферритов-гранатов зависит от максимальной напряженности магнитного поля Нт, которое достигается в процессе перемагничивания образца.
Регистрация петель гистерезиса пленок в широком частотном диапазоне магнитного поля позволила определить границы перехода от квазистатических к динамическим процессам перемагничивания. Обнаружено, что перегиб на температурной зависимости коэрцитивной силы НС(Т) совпадает (по температуре) с перегибом на температурной зависимости относительного рассогласования кристаллографических параметров пленки феррита-граната и подложки Aa/as(T), что позволяет получить количественную характеристику взаимосвязи напряжений в кристалле с величиной Нс. Различие между величинами Нс, измеренными по полуширине предельной квазистатической петли гистерезиса (/* -10" Гц) и методом осцилляции доменных границ (/*~10 Гц), наиболее выражено в области перегиба.
Четвертая глава посвящена исследованию механизмов перемагничивания, приводящих к модификации динамических петель гистерезиса при изменении частоты и амплитуды гармонического магнитного поля в широком диапазоне частот и амплитуд поля. Разработанная методика позволила провести сопоставление вида доменных структур с участками петель гистерезиса.
Модификации петель гистерезиса в амплитудно-частотном //„/пространстве представлены в виде фазовой диаграммы. При малых амплитудах поля (Нт<Но, где Но - поле коллапса цилиндрического магнитного домена (НМД)) петли являются частными симметричными. С увеличением амплитуды поля Нт имеет место переход к предельным симметричным петлям.
Ярким проявлением модификации динамической петли гистерезиса с частотой поля является ее нестабильность [39] в виде вариации поля старта АНст. Выявлено, что для петли гистерезиса в области нестабильности механизмы перемагничивания зависят от следующих основных параметров: скорости насыщения доменных границ Vs и среднего числа зародышей перемагничивания пср на единицу площади образца. Зародыши перемагничивания образуются в разных местах по площади образца и в разное время при повторении циклов перемагничивания, что и является причиной нестабильности петли. Обнаружено, что время задержки зародышеобразования при перемагничивании в гармоническом поле может превышать время задержки зародышеобразования в импульсном поле на два порядка величины. Максимальная нестабильность петли гистерезиса имеет место, когда максимальное время задержки зародышеобразования t3 становится сравнимым с величиной полупериода поля 772. Эта частота поля является граничной /гр; при / >/гр состояние насыщения образца не достигается в течение обоих полупериодов поля, имеет место нестабильность выбора преимущественной ориентации намагниченности и происходит переход к треугольной асимметричной петле, когда состояние насыщения достигается только при одной полярности поля. Введенный нами параметр N~Vsncplfzp практически постоянен для серии образцов с параметрами Vs, пср и/гр, различающимися на l-f-2 порядка. Это позволяет проводить оценку граничной частоты /гр при известных Vs и пср.
В пятой главе приведены результаты исследования частных петель гистерезиса пленок ферритов-гранатов, соответствующих процессам формирования статических и динамических доменных структур.
Образование ядра спирали при квазистатическом формировании спирального домена происходит при одновременном протекании двух механизмов перемагничивания: скачкообразного увеличения/уменьшения длины домена и расширения/сужения ширины домена. Первый механизм приводит к появлению ступеней разной величины на петле гистерезиса, второй механизм отражен в виде наклона ступеней.
В результате исследования нескольких десятков образцов установлено, что параметрами образца, характеризующими возможность формирования спиральных доменов, являются удельная гиротропная сила Fg/wo (гиротропная сила на единицу ширины полосового домена) и площадь ^d(//2), занимаемая одним ЦМД в поле, близком к полю эллиптической неустойчивости Н2.
Исследование эволюции спиральных доменов в течение периода гармонического магнитного поля стробоскопическим методом показало, что в течение периода поля форма спирального домена значительно изменяется. Установлено, что верхняя граница области формирования динамических спиральных доменов по частоте поля / связана с преобразованиями структуры границ динамических доменов, образованием участков границ с различной эффективной массой, что приводит к разрывам полосовых доменов.
В одной и той же пленке обнаружено формирование двумерных решеток доменов, принадлежащих к пяти пространственным группам ромбической и гексагональной сингонии при приложении гармонического магнитного поля и изменении только одного параметра внешнего воздействия - частоты поля/ Форма динамических петель гистерезиса в области частот и амплитуд гармонического поля, соответствующих формированию двумерных решеток доменов, имеет существенные особенности.
Завершается диссертация изложением основных полученных в работе результатов и списком цитированной литературы.
Доменная структура магнитных пленок
Взаимодействия в магнетике Доменная структура определяет физические свойства и область примене ния магнитных материалов. Она является результатом соотношения между различными взаимодействиями в магнетике. Для описания свойств магнитных материалов выделяют пять основных взаимодействий [77,82]: 1) магнитостатиче-ское; 2) обменное; 3) взаимодействие, определяемое ориентацией магнитных моментов ионов (атомов) относительно внутренней структуры магнитного материала; 4) взаимодействие магнитных моментов с внешним магнитным полем Н; 5) взаимодействие магнитных моментов с локальными напряжениями.
Выражение для полной свободной энергии ферромагнетика имеет вид: где Емс - магнитостатическая энергия; Еош - энергия обменного взаимодействия; ЕА - энергия анизотропии; Ен - энергия Зеемана; Ему - энергия маг-нитоупругого взаимодействия; Еу - упругая энергия. Каждое слагаемое в (1.3) может быть представлено в виде объемного интеграла от плотности энергии [77]. Эти взаимодействия определяют статически равновесную структуру пространственного распределения магнитных моментов: структуру доменов и доменных границ, а если структура является неравновесной - действующие на магнитные моменты силы. Магнитостатическая энергия достигает минимума, когда распределение намагниченности М реализуется путем разбиения образца на домены - области однородной намагниченности, разделенные переходными областями - доменными границами, в которых намагниченность меняется по направлению. Наличие доменной структуры в магнитоупорядоченных материалах является их важнейшим свойством. При образовании доменов магнитные заряды на поверхности образца становятся знакопеременными, что снижает магнитостати-ческую энергию. Формирование доменов сопровождается и возрастанием энергии, связанным с образованием доменных границ. Когда выигрыш в энергии за счет образования доменов становится меньше энергии, необходимой для обра зования доменных границ, процесс образования доменов заканчивается. Магнитостатическое взаимодействие доменов в пленках ферритов-гранатов определяет характер доменной структуры и ее упорядоченность, уменьшает предел обратимых смещений доменной границы Ахс и величину остаточной намагниченности Мг [5]. Обменное взаимодействие ответственно за магнитное упорядочение и является следствием кулоновского взаимодействия между зарядами электронов и квантовомеханического принципа асимметрии электронных волновых функций. Минимум энергии обменного взаимодействия достигается при пространственно однородном распределении намагниченности М по образцу. Обменное взаимодействие препятствует резкому изменению ориентации магнитных моментов (спинов) в материале, поэтому углы между соседними спинами в доменной границе остаются малыми. Энергия анизотропии связана с ориентацией намагниченности М по отношению к внутренней структуре магнитного материала. Магнитная анизотропия ведет к тому, что среди направлений вектора намагниченности М в магнитном материале имеются преимущественные, параллельные оси легкого намагничивания, дающие минимум энергии анизотропии. Плотность энергии взаимодействия ферромагнетика с внешним магнитным полем Н (энергия Зеемана) имеет вид: где 9МН - угол между векторами напряженности поля Н и намагниченности М. Если направления внешнего поля Н и оси легкого намагничивания не совпадают, М отклоняется от оси легкого намагничивания.
В пленках одноосных ферромагнетиков ориентация намагниченности М в доменах характеризуется фактором качества: где Hk - поле одноосной анизотропии. При Q 1 вектор намагниченности М ориентируется вдоль оси легкого намагничивания. Виды доменных структур Конфигурация доменной структуры в магнитном материале зависит от его статических магнитных параметров, коэрцитивности Нс, внешнего магнитного поля Н, анизотропии и предыстории образца [3,10,57,77,82]. Регулярная доменная структура формируется в магнитных материалах с низкой коэр-цитивностью Нс. Если анизотропия в плоскости магнитной пленки отсутствует, то может сформироваться лабиринтная доменная структура, образованная полосовыми доменами, обвивающими друг друга (рис. 1.1а).
Магнитооптическая установка для исследования квазистатических и динамических процессов перемагничивания
Установка предназначена для исследования процессов перемагничивания прозрачных магнетиков в диапазоне частот гармонического магнитного поля / = 10 4 4-2-Ю5 Гц [69,72]. Принцип работы установки основан на использовании эффекта Фарадея. Предусмотрено четыре режима работы: квазистатический, динамический, стробоскопический и режим высокоскоростной фотографии. В установке можно выделить четыре системы, образующих единое целое: 1) оптическая система; 2) система формирования магнитных полей; 3) система регистрации; 4) система термостабилизации. Оптическая система В качестве источника подсветки в установке использован гелий-неоновый лазер с поперечной СВЧ-накачкой типа ЛГИ-201. Длина волны излучения лазера Л = 0,6328 мкм, максимальная выходная мощность Р = 2мВт. Лазеры с СВЧ-накачкой в отличие от широко используемых лазеров с продольной накачкой не требуют высоковольтного питания, имеют широкую область устойчивой работы по мощности излучения, что позволяет при изменении напряжения питания СВЧ-генератора изменять напряженность СВЧ-поля внутри капилляра газоразрядной трубки, изменяя таким образом плотность инверсии активных частиц рабочего вещества в капилляре и соответственно мощность лазерного излучения [18,80]. При импульсной модуляции получена минимальная длительность импульса на полувысоте ти « 0,8 мкс, при гармонической модуляции глубина модуляции превышает 80% на частотах / 0,6 МГц и 10% на частотах / 1,2 МГц [69]. Световой импульс лазера проходит через нейтральный светофильтр (при необходимости ослабления интенсивности лазерного излучения) и поляризатор с угломерным устройством, позволяющим плавно регулировать интенсивность лазерного излучения (рис. 2.2). Далее луч лазера проходит через линзу коллиматора, регулирующего площадь освещенной области образца. Серия диафрагм позволяет устранить постороннюю засветку образца (на рис. 2.2 диафрагмы не показаны). За первой парой диафрагм располагается делитель луча. Отраженный луч подается в окно фотоприемника ФЭУ-62 для регистрации сигнала, пропорционального интенсивности лазерного луча. После второй пары диафрагм луч попадает в устройство подавления интерференции [54].
Основным элементом устройства подавления интерференции путем снижения когерентности лазерного излучения является покровное стекло, матированное абразивным порошком с размером частиц 10-И 5 мкм. Оно расположе но на расстоянии s = 5 + 10 мм перед исследуемым образцом. Вращение матированного стекла с частотой f = 2 + 3 Гц позволяет добиться равномерного освещения исследуемой области образца и получить изображение доменной структуры, свободное от интерференционных искажений (рис. 2.3в), затрудняющих наблюдение доменной структуры, особенно когда ширина доменов сопоставима с шириной интерференционных полос (рис. 2.3а, б) Далее луч лазера освещает исследуемый образец, расположенный в держателе внутри электромагнита, и после объектива и анализатора с угломерным устройством луч подается на светоделительную призму. Одна часть луча проходит через окуляр микроскопа, что позволяет визуально наблюдать доменную структуру образца. Другая регистрируется вторым фотоприемником ФЭУ-62. Практически весь путь лазерный луч проходит внутри светонепроницаемого кожуха, что устраняет постоянную засветку рассеянным светом. Для регистрации фотоэлектрического сигнала из всех перечисленных компонентов оптической системы достаточно использовать лишь источник света, оптическую ячейку (поляризатор-образец-анализатор) и фотоприемник. При этом исключается негативное влияние дополнительных оптических элементов, сказывающееся в увеличении деполяризации света. К тому же величина деполяризации будет минимальна (j «10 5J при использовании в качестве поляризаторов высококачественных поляризационных призм. Деполяризация света на оптике микроскопа, при наклонном падении на границу раздела пленка-воздух, при многократном отражении от границ раздела, а также наведенное двулучепреломление в подложке и элементах оптического тракта приводит к дополнительной засветке образца и уменьшению контраста изображения.
В итоге применение поляризационных призм во многих случаях не обеспечивает существенного улучшения условий наблюдения по сравнению с применением поляроидов, обеспечивающих деполяризацию на уровне Й? 10 4 [94]. Этого достаточно для чувствительности Fh«0,005 (F - удельное фарадеевское вращение, h - толщина образца), которая достигнута в настоящей установке. Система формирования магнитных полей В установке использовано два типа электромагнитов. Первый предназначен для создания постоянного (до Н = \кЭ) или гармонического низкочастотного (/ 102 Гц) магнитного поля, перпендикулярного плоскости образца. Он представляет собой толстый соленоид с водяным охлаждением и внутренним диаметром d - 40 мм. Стабилизатор тока электромагнита позволяет вручную плавно регулировать постоянную составляющую магнитного поля Н, а также имеет генератор развертки, расположенный в блоке управления, для автоматического периодического изменения магнитного поля со временем. Форма изменения поля может иметь как пилообразный, так и синусоидальный вид частотой f = Ю-4 -ПО Гц . Изменение полярности тока электромагнита происходит без механического переключения [75]. Электромагниты второго типа предназначены для создания гармонических
Коэрцитивная сила частных и предельных петель гистерезиса
Помимо того, что разные методы измерения коэрцитивной силы Нс отличаются друг от друга частотным диапазоном магнитного поля (см. п. 1.4), максимальная напряженность поля Нт варьируется в широком диапазоне. В связи с этим нами проведено исследование коэрцитивной силы Нс пленок ферритов-гранатов при измерении Нс по полуширине предельных и частных пе тель гистерезиса (частотамагнитного поля / = 10 Гц), и методом осцилляции доменных границ (/ = 78Гц) [67,68]. Диаметр исследуемой области образца 1,5 мм. Максимальную напряженность магнитного поля Нт при записи петель гистерезиса изменяли в широком интервале полей Нт = (0,01 -И0)//5. Диапазон изменения поля Нт сверху ограничивали превышением в несколько раз величины поля насыщения пленки Нs, снизу - превышением в 1,5 4- 2 раза коэрцитивной силы Нс. Величина коэрцитивной силы Нс пленок ферритов-гранатов зависит от максимальной напряженности магнитного поля Нт, которое достигается в процессе перемагничивания образца (рис. 3.9, 3.10), а вид зависимости Нс{Нт) существенно изменяется при повышении температуры Т с одновременным уменьшением коэрцитивной силы Нс [68]. Эту зависимость можно характери if. зовать критической величиной поля Н ; при максимальной напряженности поля Нт Н ширина петли гистерезиса начинает уменьшаться. Величина поля Н значительно изменяется с температурой Т (рис. 3.9): Н /Нс =3,5 при Т = 25С и Н /Нс=\5 при 7 = 350С. Уменьшение ширины петли гистерезиса Рис. 3.10. Зависимости коэрцитивной силы Нс от максимальной напряженности внешнего магнитного поля Нт при температуре Т = 25 (а), 50 (б) и 80С (в) (образец № 13).
В заштрихованных областях наблюдается смещенная петля гистерезиса, характеризующаяся различными значениями коэрцитивной силы Нс на нисходящей и восходящей ветвях петли. Столь значительное изменение поля Н имеет место в узком интервале температур, когда основные магнитные параметры пленки: Ms (рис. 3.7), Hs изменяются менее чем на 10%. В то же время Н /Hs 1, следовательно, причины изменения Н не связаны с процессами зарождения доменов. В случае прямоугольной петли гистерезиса температурная зависимость коэрцитивной силы определяется в первую очередь характером зависимости Нст(т) (рис. 3.6). Уменьшается разница между величиной поля насыщения Нs и поля старта Нст; перегиб на зависимости коэрцитивной силы от температуры совпадает (по температуре) с перегибом на зависимости поля старта от температуры. Оставляя в стороне другие возможные механизмы изменения Нс с ростом температуры из-за смены вклада различного типа дефектов в Нс (см. п. 1.4), отметим причины, которые могут приводить к противоречиям между результатами измерений коэрцитивной силы Нс, полученными методами осцилляции доменных границ и по полуширине петли гистерезиса. Результаты измерения Нс методом осцилляции доменных границ совпадают с результатами, полученными по полуширине петли гистерезиса, для частного случая, когда не проявляются динамические эффекты при перемагничи-вании, а коэрцитивная сила Нс не зависит от поля Нт (Нс для предельной и частных петель гистерезиса равны, рис. 3.9в) и Нс на нисходящей и восходящей ветвях петли совпадают; для представленных на рис. 3.9 результатов это соответствует температуре Т 45С [67].
Таким образом, различие между величинами Нс, измеренными по полуширине предельной петли гистерезиса и методом осцилляции доменных границ, наиболее выражено в области перегиба на температурной зависимости коэрцитивной силы Нс(т) (рис. 3.7). В отличие от результатов, представленных на рис. 3.7, после перегиба на зависимости Нс(т), представленной на рис. 3.8, при температуре Т 50С коэрцитивная сила Нс для предельных петель гистерезиса остается значительно больше коэрцитивной силы Нс для частных петель гистерезиса. Это связано с тем, что в указанной температурной области (при Т 90С) предельная петля гистерезиса остается прямоугольной и коэрцитивная сила Нс определяется в первую очередь полем старта Нст (рис. 3.6). 3.5.
Влияние рассогласования кристаллографических параметров пленки и подложки на коэрцитивную силу пленки Для выяснения природы перегиба на температурной зависимости коэрцитивной силы Нс(т) рассмотрим физические механизмы происхождения коэр цитивности в ферритах-гранатах. Основными процессами являются зарождение доменов и взаимодействия доменных границ с дефектами кристаллической структуры материала (см. п. 1.4): статистические флуктуации обменной энергии и энергии анизотропии; магнитоупругое взаимодействие доменных границ с дислокациями в пленке; закрепление доменных границ из-за локальных вариаций толщины пленки; модуляция энергии анизотропии из-за периодического изменения микроструктуры по объему пленки. Вклад первых двух механизмов обычно в монокристаллических пленках невелик ( 10_3-н1СГ4Э и 10-1-И0 2Э соответственно), величина Нс определяется последними механизмами (их вклады, по различным оценкам, составляют -10-ИСТ1 Э) [6,83]. Чтобы понять причину изменения Нс, исследованы температурные зависимости постоянных решетки пленки а (т) и подложки as(T) [7,8], поскольку напряжение а1 в пленке (3.1), возникающее при рассогласовании этих параметров, должно оказывать влияние на состояние доменной структуры в пленке из-за наличия эффекта магнитострикции (см. п. 1.4).
О причинах нестабильности петли гистерезиса
Проследим изменения петли гистерезиса с изменением частоты поля при таком значении амплитуды поля, когда вариация поля старта проявляется наиболее ярко (рис. 4.10в). Амплитуда поля выбрана постоянной, чтобы избежать неоднозначностей при анализе результатов исследования. Переход динамической петли гистерезиса в область нестабильности начинает проявляться с появлением на ветвях петли небольших участков нестабильности из-за вариации поля старта (рис. 4.96, в) [120]. Амплитуда магнитного поля при этом достигает величины 1,7//0. Такие участки соответствуют нисходящим ветвям петли гистерезиса и связаны с процессами зарождения доменов. Форма петли гистерезиса по мере увеличения частоты поля приближается к прямоугольной - вариация поля старта приводит к раскрытию петли гистерезиса и вариации коэрцитивной силы АНС (рис. 4.1 Об). Участки нестабильности распространяются на восходящую ветвь петли гистерезиса. Поскольку нестабильность характеризуется вариацией поля старта АНст, а для динамических петель гистерезиса более удобным является временной параметр - время задержки зародышеобразования t3, то для характеристики петли гистерезиса в области нестабильности мы вводим параметр At3 - вариация времени задержки зародышеобразования.
Этот параметр позволяет характеризовать петлю гистерезиса в области нестабильности на участках максимальных размытий ветвей петли. Примечательно то, что минимальное время задержки зародышеобразования /ш для выбранных условий (рис. 4.10в) стремится к нулю, так как минимальное поле старта //п соответствует полю старта при квазистатическом пе-ремагничивании Нат. В результате вариация времени задержки зародышеобразования At3 соответствует максимальному времени задержки зародышеобра Э и частоте поля / = 100 (а), 200 (б) и 500 Гц (в) и динамические доменные структуры, соответствующие фазам (р = 0 и 45 петель гистерезиса (образец № 3). Зависимость времени задержки зародышеобразования t3 от частоты поля / показывает, что в определенной области частот ( / = 0,2 ч- 4 кГц) At3 остается неизменным (At3 « 80 мкс) (рис. 4.11). При увеличении частоты поля диапазон времени нестабильности начинает резко уменьшаться, а петли гистерезиса преобразуются в частные петли (рис. 4.10г-е). Чем больше частота поля /, тем, соответственно, меньше время полупериода поля Г/2 (рис. 4.11). С увеличением частоты поля / наступает момент, когда время нестабильности сравнимо с величиной полупериода поля Г/2, так что часть зародышей перемагничивания остаются незадействованными в процессе перемагничивания. Процесс перемагничивания может происходить с использованием только тех зародышей, время формирования которых меньше времени полупериода поля. Результат такого ограничения наблюдается в области частот поля / « 5 кГц (рис. 4.10в, г): уменьшение времени задержки за родышеобразования t3 с увеличением частоты поля / происходит в соответствии с уменьшением Г/2. С дальнейшим ростом частоты поля / наблюдается более резкое уменьшение времени tax, поскольку не достигается состояние насыщения образца и динамическая петля гистерезиса переходит в частную петлю (рис. 4.10е). В области низких частот наблюдение явления нестабильности на петле гистерезиса затруднено тем, что время At3 составляет доли процента от времени полупериода поля Т/2 (рис. 4.11) и оказывается сравнимым и/или ниже разрешающей способности осциллографа (рис. 4.9а, б).
Нами экспериментально установлено, что частота поля /, при которой время полупериода поля Т/2 становится сравнимым с временем t3 (рис. 4.11), соответствует переходу с увеличением амплитуды поля или частоты от прямоугольной симметричной динамической петли гистерезиса (рис. 4.10в) к треугольной асимметричной петле (рис. 4.1е). Для характеристики указанного перехода введем следующий параметр: / - граничную частоту гармонического поля, выше которой состояние насыщения образца не достигается в течение обоих полупериодов поля. На величину / оказывает влияние скорость движения доменных гра ниц. Она отвечает за то, как быстро домен с противоположным направлением намагниченности прорастает на всю видимую область, то есть как быстро образец переходит в состояние насыщения. В связи с этим при увеличении скорости движения доменных границ частота / увеличивается и динамическая петля гистерезиса остается прямоугольной в области больших частот поля (рис. 4.126).
Важен и вид зависимости скорости движения доменных границ от действующего поля - V(H). Когда скорость V слабо зависит от поля Н и достигает насыщения (рис. 4.13а, б), домены, независимо от различия во времени задержки зародышеобразования t3, прорастают с одинаковой скоростью. Когда скорость движения доменных границ V изменяется с изменением поля Н (рис. 4.13 в), процессы роста доменов с большим временем задержки зародышеобразования t3 происходят в больших полях, а, соответственно, и с большей скоростью. В результате нестабильность на петле гистерезиса проявляется слабо. Для выяснения причин изменения формы петли гистерезиса проведено изучение динамических доменных структур методом высокоскоростной фотографии. Информация об изменении формы доменов получена при сканировании импульсом лазера по периоду исследуемого процесса (см. п. 2.3), что позволило сравнить регулярность формирования динамической доменной струк туры с интегральными характеристиками, полученными по петле гистерезиса. На рис. 4.9 представлены фотографии доменных структур при разных частотах поля / для двух наиболее характерных участков петли гистерезиса, соответствующих фазам ср = 0 и 45 гармонического поля. Фазе ср - 90 для всех петель гистерезиса соответствует насыщенное монодоменное состояние. В исходном состоянии в пленке формировалась лабиринтная доменная структура (рис. 4.9а). Влияние динамических механизмов перемагничивания начинает сказываться в увеличении отростков на участках полосовых доменов, приводящих к более частому ветвлению доменов (рис. 4.96) по сравнению со случаем равновесного формирования лабиринтной структуры (рис. 4.9а). С увеличением частоты поля / ветвление увеличивается (рис. 4.9в). Это - признак усложнения структуры движущихся доменных границ и появления в них участков с различной эффективной массой, что обусловлено движением доменных границ в нелинейном режиме при известном явлении насыщения скорости движения доменных границ [77].
Похожие диссертации на Квазистатические и динамические петли гистерезиса пленок ферритов-гранатов
