Введение к работе
Актуальность темы работы. Хорошо известно, что доменная структура (ДС) является фундаментальным свойством ферромагнетиков, оказывающим определяющее влияние на многие наблюдаемые в них явления. Сюда относятся закономерности гистерезиса, электромагнитных потерь, магнитострикции, ферромагнитного резонанса, распространения спиновых и упругих волн и других практически важных явлений. Основная причина возникновения ДС - связанное с нею уменьшение энергии далыюдействующего диполь-дипольного взаимодействия в кристалле (см., например, [1]). Важнейшим элементом ДС является переходная область между доменами - доменная граница (ДГ). Именно с особенностями ее структуры (то есть распределения намагниченности М внутри ДГ), а также квазистатического и динамического поведения связаны многие важные для практики свойства магнитных материалов. Смещение ДГ и их динамическая перестройка под действием постоянных и переменных магнитных полей являются важными составляющими процессов намагничивания и перемагничивания образцов [1], то есть процессов, лежащих в основе создания магнитных материалов с новыми функциональными возможностями. Особый интерес представляет изучение доменных стенок в тонких магнитных пленках, пластинах и проволоках в связи с возможностью их применения в устройствах считывания, хранения и записи информации [2, 3]. Сюда относятся магнитные считывающие головки, магнитная память, микромагнитные логические элементы с использованием ДГ. При этом быстродействие устройств напрямую зависит от скорости движения ДГ под действием магнитного поля. В настоящее время, в связи с развитием спинтроники, большое значение приобрели также исследования по динамике доменных стенок, управляемой спин-поляризованным током (см., например, [2-5]).
Помимо практической значимости, изучение динамики ДГ весьма интересно с научной точки зрения. Многие свойства доменных стенок, так или иначе, связаны с физикой нелинейных явлений. Это обусловлено в частности тем, что движущаяся доменная граница является реальным экспериментально наблюдаемым топологическим солитоном в ферромагнитном кристалле. Нелинейные свойства в поведении стенок проявляются даже в сравнительно небольших внешних магнитных полях. Впервые достаточно полно нелинейное поведение ДГ было исследовано Шраером и Уокером [6]. Они установили, что характер движения стенок существенно зависит от величины магнитного поля //, приложенного вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН). Оказалось, что существует некоторое критическое поле Яс, ниже которого стенка движется стационарно, а выше - ее скорость осциллирует. В полях /7<с внутренняя структура движущейся стенки слабо искажена по сравнению со статической и скорость стационарного движения ДГ подчиняется закону v=//#, где коэффициент ц называется подвижностью ДГ. С ростом Н распределение М внутри границы видоизменяется и при Я>//с начинается периодическая перестройка структуры ДГ, с чем и связаны осцилляции скорости. Такое поведение ДГ связано с природой спиновых систем, в которых каждый спин (а в целом и намагниченность М магнитно упорядоченной среды), может только прецессировать вокруг направления действующего на него эффективного поля. В работе [6] использовалась модель неограниченного ферромагнитного образца, и
распределение М внутри ДГ считалось зависящим только от одной пространственной координаты (одномерная модель распределения намагниченности). Однако в результате исследований, направленных на учет размагничивающего влияния поверхности реальных объектов, в особенности необходимый при рассмотрении магнитных пленок и проволок, постепенно были сформулированы представления о ДГ с двухмерным распределением М. Сюда относятся, в частности, вихреподобные ДГ [7, 8], существование которых на данный момент не только обосновано теоретически, но и установлено экспериментально (см., например, [9]). Процесс движения ДГ в магнитной пленке, описываемый в рамках двухмерной модели распределения намагниченности, так же обладает всеми упомянутыми выше особенностями, однако является более сложным по сравнению с одномерной моделью. Включение внешнего магнитного поля, направленного вдоль ОЛН, в данном случае вызывает не только смещение стенки, но и смещение вихреподобных распределений намагниченности внутри нее, их аннигиляцию и зарождение новых [10, 11J. Следует заметить, что, являясь чрезвычайно интересным явлением с позиции науки, движение ДГ с осциллирующей мгновенной скоростью нежелательно с практической точки зрения, так как при этом понижается средняя по времени скорость стенки.
Задача о распределении намагниченности внутри ДГ в образцах ограниченных размеров является сильно разветвленной из-за возможности рассмотрения ферромагнитных образцов с разным соотношением геометрических размеров и разным типом анизотропии. В данной работе рассматривается случай пленок с одноосной плоскостной анизотропией, к которым относятся, в частности, пленки пермаллоя, и для которых было впервые предсказано существование двухмерных вихреподобных ДГ, упомянутых выше. Такие стенки в пленках с плоскостной анизотропией существуют при толщинах Ь, больших некоторой /;N. При этом двухмерные блоховские стенки [7] стабильны, а двухмерные неелевские [8] метастабильны (данная ситуация может быть изменена под действием некоторых факторов, например, при включении внешнего магнитного поля, перпендикулярного ОЛН [10]). При b
Все сказанное выше свидетельствует об актуальности изучения статических и динамических свойств доменных границ с фундаментальной и прикладной точек зрения.
Целью работы являлось выяснение влияния внешних полей, толщины и параметров пленок, а также их слоистой структуры на статические и динамические свойства доменных стенок в рамках микромагнитного подхода и двухмерной модели распределения намагниченности при безмоделыюм учете всех основных взаимодействий.
Для достижения цели работы ставились следующие задачи:
1. Исследовать процесс перестройки вихреподобной ДГ под действием
внешнего магнитного поля, направленного в плоскости пленки перпендикулярно
ОЛН, и установить зависимости от толщины пленки, намагниченности насыщения
A/s и константы одноосной анизотропии К. величины поля перестройки
вихреподобной блоховской ДГ в двухмерную меелевскую.
2. Сопоставить двухмерные распределения намагниченности ДГ в
двухслойных пленках пермаллоя с немагнитной прослойкой с таковыми в
одиночных пленках тех же толщин. Выявить влияние различных взаимодействий
на возможность существования различных типов структур стенок. Построить
фазовые диаграммы, описывающие области существования различных
равновесных структур стенок, и сопоставить их с экспериментальными данными.
-
Исследовать стационарное движение неелевских ДГ в ультратонких пленках {b
-
Исследовать нестационарное движение неелевских доменных стенок в ультратонких пленках (b
-
Установить влияние поверхностной анизотропии на движение неелевских ДГ в пленках с b
-
Исследовать зависимость скорости движения ДГ и сценария динамической перестройки ее структуры в многослойных пленках от соотношения толщин и параметров слоев, имеющих различные значения Ms или К, для случаев b>bK и b<6N.
Методы исследования. Результаты диссертационной работы были получены на основе численного микромагнигного моделирования с безмодельным учетом (единственным модельным приближением является зависимость направления намагниченности от двух координат, следующая из геометрии задачи) всех основных взаимодействий: обменного, магнитно-анизотропного, зеемановского и дшюль-дипольного (в континуальном приближении). Статическое распределение намагниченности в ДГ определялось численной минимизацией функционала полной энергии границы, а движение ДГ под действием внешнего поля, параллельного ОЛН, определялось из численного решения уравнения Ландау-Лифшица. Программа для исследования структуры и динамики ДГ в магнитных пленках на основе описанных методов была разработана Л. Г. Корзуниным в лаборатории микромагнетизма ИФМ УрО РАН.
Личный вклад автора. Автором были самостоятельно получены все подготовительные материалы для основной программы расчетов структуры и динамических характеристик ДГ, в частности, материалы, касающиеся выяснения природы расходимостей, возникающих при дискретизации магнитостатической энергии, и их ликвидации. Так же диссертантом была разработана дополнительная программа для получения средних по времени значений скорости ДГ из
временных зависимостей мгновенной скорости границы, рассчитанных с помощью основной программы. Практически все численные эксперименты по получению данных, вошедших в диссертацию, были проведены автором. Диссертант принимал участие в постановке задач исследования, обсуждении результатов исследований и подготовке публикаций по выполненной работе.
Достоверность полученных данных обеспечена использованием точных (безмодельных) теоретически обоснованных методов расчетов, строгой обоснованностью приближений и допущений, подтверждается согласием некоторых результатов с рядом теоретических и экспериментальных данных других авторов.
Новые научные результаты и положення, выносимые на защиту:
-
Получены зависимости от толщины пленки Ь, намагниченности насыщения Ms и константы анизотропии К величины Н± поперечного к ОЛН поля, при которой происходит перестройка асимметричной блоховской стенки в асимметричную неелевскую.
-
Доказано, что стабильность одномерных и двухмерных неелевских стенок в двух пермаллоевых пленках с b>bN, разделенных немагнитной прослойкой, обусловлена не оптимальным замыканием магнитного потока в таких структурах, как предполагалось ранее, а меньшими, чем у двухмерных блоховских ДГ, значениями их обменной энергии. Качественно объяснены наблюдаемые экспериментально фазовые диаграммы.
-
Установлено хорошее качественное совпадение расчетной зависимости подвижности ДГ /г от толщины пленки b с экспериментальными кривыми, а именно: получен глубокий минимум на кривой ц(Ь) при 6~6N, подобный наблюдаемому экспериментально.
-
Установлено формирование вихреподобных распределений намагниченности при нестационарном движении ДГ в пленках с b~bN несмотря на то, что исходная структура стенки является одномерной неелевской. При меньших толщинах пленок (10-15 нм) происходит однородная по толщине пленки прецессия намагниченности ДГ вокруг направления ОЛИ.
-
Показано, что средняя по времени скорость движения ДГ и величина критического поля Яс увеличиваются при уменьшении толщины пленки с Ь<Ьк-Это позволяет считать, что при необходимости получения больших скоростей движения, следует использовать возможно более тонкие пленки из интервала толщин (0, 6N). Получена немонотонная зависимость критического поля Яс от намагниченности насыщения.
6. Установлено, что поверхностная анизотропия типа «плоскость (ось)
легкого намагничивания» увеличивает (уменьшает) скорость стационарного и
нестационарного движения доменной стенки в магнитных пленках с b
величину Яс.
-
Показано, что наличие у пленки с b>bN слоев с разными значениями Ms может вести к кардинальному изменению сценария динамической перестройки ДГ в процессе движения в поле Н>ИС. При этом могут формироваться многовихревые распределения намагниченности, не наблюдаемые в однородных пленках тех же толщин при тех же значениях Я.
-
Установлена возможность увеличения средней по времени скорости движения ДГ за счет слоистой структуры пленки. Показано, что для пленок с параметрами, близкими к пермаллоевым, наиболее эффективно для увеличения
скорости движения ДГ создавать приповерхностные слои с намагниченностью насыщения, большей, чем у внутреннего слоя.
Научная и практическая ценность. Полученные в настоящей работе результаты расширяют нмеюніиеся представления о статических и динамических свойствах ДГ в ферромагнитных пленках с плоскостной анизотропией, указывают возможные пути регулирования скоростей движения ДГ и стимулируют новые исследования в данной области. Результаты могут быть физическим базисом для рассмотрения различных явлений, связанных с процессами намагничивания и перемапшчивания магнитных материалов, изучения природы коэрцитивной силы и электромагнитных потерь. Эти данные получены на современном научном уровне и могут быть полезными как при разработке устройств магнитной записи информации, так и устройств спинтроники.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует пункту 1 Паспорта специальности 01.04.11 - физика магнитных явлений:
Разработка теоретических моделей, объясняющих взаимосвязь магнитных свойств веществ с их электронной и атомной структурой, природу их магнитного состояния, характер атомной и доменной магнитных структур, изменение магнитного состояния и магнитных свойств под влиянием различных внешних воздействий.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и трех приложений. Диссертация изложена на 178 страницах, содержит 78 рисунков и 80 формул. Список литературы включает 142 наименования.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах» (НМММ-ХХІ, Москва, МГУ им. Ломоносова, 28 июня - 4 июля 2009 г.); XXXIII Уральская международная зимняя школа физиков-теоретиков «Коуровка» (Новоуральск, 22-27 февраля 2010 г.); IV Евро-Азиатский симпозиум «Trends in magnetism: Nanospintronics» (EASTMAG-2010, Екатеринбург, Институт физики металлов, 28 июня - 2 июля 2010 г.); IV Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» (Иркутск, ВСГАО, 21-25 сентября 2010 г.); 19-й международный симпозиум «Nanostructures: physics and technology» (Екатеринбург, Институт физики металлов, 20-25 июня 2011 г.); Московский международный симпозиум по магнетизму (MISM-2011, Москва, МГУ им. Ломоносова, 21-25 августа 2011 г.); Международная конференция «Функциональные материалы» (ICFM-201U Украина, Симферополь, Таврический национальный университет 3-8 октября 2011г.).
Работа выполнялась согласно плану РАН в рамках темы "Магнетизм, спинтроника и технология создания новых объемных и низкоразмерных гетерофазных и наноструктурированных материалов и наносистем", гос. per. номер 01.2.006.13391; при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты № 06-02-17082, № 08-02-00327, № 11-02-00931; в рамках программы фундаментальных исследований ОФН РАН (проект ОФН-09-Т-2-1015).
Публикации по результатам работы. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ в рецензируемых журналах. Список публикаций приведен в конце автореферата.
