Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие фундаментальных и технологических исследований в области наноэлектроники и появление магнитных наноэлементов с новыми функциональными возможностями на базе новых физических явлений стимулирует стремительное развитие вычислительной техники.
Одним из приоритетных направлений современной науки и техники является исследование и применение новых магнитных материалов для хранения, записи и считывания информации на жестких магнитных дисках.
В настоящее время в качестве носителя записи в жестких магнитных дисках используется тонкопленочный магнитный сплав на основе кобальта с высоким значением коэрцитивной силы. Переход намагниченности, образованный полем записи магнитной головки и разделяющий на дорожке записи области с противоположной намагниченностью, является единицей (битом) информации.
В конце 90-х стали использоваться комбинированные головки, в которых запись осуществляется магнитным элементом индукционного типа, а считывание осуществляется магниторезистивным элементом. Магниторезистивные головки преобразуют изменения намагниченности в изменения электрического сопротивления, то есть в изменения тока на выходе устройства. Использование комбинированных головок значительно увеличило поверхностную плотность хранения информации на жестких магнитных дисках.
В 1988 году Альбер Ферт (Франция, Университет Южного Парижа) и Петер Грюнберг (Германия, Научно-исследовательский центр, г. Юлих) независимо друг от друга открыли эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС)[1], и за это открытие в 2007 году им была присуждена Нобелевская премия по физике.
В 1997 году была внедрена комбинированная головка считывания с ГМС, что позволило значительно увеличить чувствительность, и эта технология в настоящее время стала стандартной.
Применение головок с ГМС привело к увеличению поверхностной плотности записи более чем на два порядка (с ~ 1 до 520 Гбит/дюйм2 (Western Digital) к 2007 году). Это открыло путь к достижению небывалой емкости внешней памяти до 1 Тбайта, а также к производству небольших по размеру жестких дисков диаметром до 0,85 дюйма (21,6 мм, IBM) для мобильных устройств (сверхлегких ноутбуков, пор-
тативных мультимедийных плееров).
Применение чувствительного датчика с использованием эффекта гигантского маг-нитосопротивления в качестве элемента считывания магнитной головки позволило значительно уменьшить как ширину дорожку записи, так и ширину перехода намагниченности, тем самым значительно повысить поверхностную плотность хранения информации. В свою очередь уменьшение ширины дорожки записи влечет за собой уменьшение поперечного размера полюса головки записи. Размеры полюса головки записи становятся соизмеримы с размерами доменной границы, образующими доменную структуру полюса магнитной головки.
Это приводит к необходимости микромагнитного исследования доменных границ и доменной структуры полюса магнитной головки записи.
Такие исследования относятся к области нанофизики доменных структур в тонких магнитных пленках, когда размеры объекта (полюс магнитной головки записи) сравнимы с размерами микроструктуры (доменной границы).
Изучение физических свойств магнитных наноэлементов, помимо решения практических задач, способствует решению фундаментальных проблем физики магнитных явлений. Достижение глубокого понимания свойств наноэлементов должно привести к революционному преобразованию современных устройств серийного производства. Уже сегодня нанофизика магнитных наноэлементов начала прорыв на коммерческий рынок. Яркий пример - считывающие головки с использованием эффекта ГМС для накопителей на жестких магнитных дисках. Другой пример - эффект туннельного магнитосопротивления, позволяющий увеличить быстродействие и уменьшить размеры запоминающих устройств с произвольной выборкой.
С ростом плотности записи информации размеры полюса головки записи уменьшаются до размеров ГМС-головки считывания.
Здесь надо отметить, что общей методологии проектирования устройств на тонких магнитных пленках не существует, несмотря на их большое разнообразие и достаточно широкое применение. Каждый автор использует собственный метод и собственную модель.
Очевидно, что для облегчения задачи разработчиков необходимо создание общей методологии анализа и практического расчета доменных структур, пригодной для практического проектирования технических устройств. Это
и является основной основной задачей настоящей работы.
Решение этой задачи применительно к магнитным дискам разбивается на несколько этапов.
Первой задачей настоящей диссертации является исследование доменных границ в тонких магнитных пленках и определение полей записи магнитной головки на основе микромагнитного моделирования процесса изменения доменной структуры полюса головки под действием внешнего магнитного поля.
Одной из основных теоретических проблем цифровой записи на жестких магнитных дисках остается определение ширины перехода намагниченности между противоположно намагниченными доменами на дорожке записи. Решение этой задачи связано с процессами записи, хранения и считывания информационного перехода. Эти три процесса происходят независимо во времени, каждый из них вносит свои ограничения на размеры минимально возможной величины перехода, и поэтому решение задачи о теоретическом пределе информационной плотности жестких магнитных дисков с тонкопленочным магнитным металлическим слоем невозможно без анализа каждого из них.
Экспериментально с помощью магнитного силового микроскопа при исследовании области перехода намагниченности в тонкопленочном носителе для продольной записи показано, что область перехода намагниченности имеет зубчатую (пилообразную) форму. Пилообразные доменные границы, образующиеся в процессе записи в пленках, до последнего времени практически не изучены.
Создание магнитного диска с тонкопленочным металлическим рабочим слоем требует проведения детальных теоретических исследований пилообразных границ между противоположно намагниченными областями дорожки записи.
Каждая сторона пилообразного перехода представляет собой доменную границу, в которой нормальные составляющие намагниченности при переходе через доменную границу изменяют свое направление на противоположное. Такие доменные границы называют заряженными доменными границами.
Существование заряженных доменных границ (ЗДГ) в тонких магнитных пленках было хорошо известно из экспериментальных наблюдений. Несмотря на важность изучения ЗДГ, их теоретическому исследованию уделялось недостаточно внимания. Детальное изучение структуры отдельной ЗДГ представляет интерес как с чисто
научной, так и с практической точек зрения.
Второй задачей диссертации является детальное изучение заряженных доменных границ и использование полученных результатов для исследования перехода намагниченности в тонкопленочном металлическом рабочем слое жесткого магнитного диска.
Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является всестороннее исследование микромагнитной структуры доменных границ в тонких магнитных пленках и создание практического инструментария для разработки магнитных наноэлементов.
Для достижения этой цели были поставлены задачи и получены следующие основные новые научные результаты:
I. Предложен общий метод определения распределения намагниченности в двумерных доменных границах Блоха и Нееля, позволяющий выбирать простые аналитические функции с минимальным числом переменных параметров;
II. Исследованы распределения намагниченности 180 двумерных доменных границ Блоха и Нееля.
III. Проведено исследование промежуточных двумерных границ Блоха и Нееля и
показано, что с ростом поворота намагниченности в смежных доменах:
распределение намагниченности в двумерных доменных границах Блоха становится асимметрично не только по ширине границы, но и по толщине пленки и энергия границы увеличивается;
распределение намагниченности в двумерных доменных границах Нееля сохраняет нечетную симметрию как по ширине границы, так и по толщине пленки и энергия границы уменьшается;
происходит переход промежуточной двумерной границы Блоха в промежуточную двумерную границу Нееля.
IV. Исследованы одномерные и двумерные заряженные доменные границы показа
но, что с ростом угла наклона границы от незаряженного направления распре
деление намагниченности в заряженной границе становится асимметричным.
V. Проведено детальное исследование изменения доменной структуры полюса магнитной головки под действием внешнего магнитного поля и при этом доменная структура полюса изменяется таким образом, что доменные границы при смещении остаются незаряженными. Получены параметры краевой зоны и выражение поля записи симметричной и асимметричной двухполюсной тонкопленочной магнитной головки. Полученные результаты позволяют на стадии проектирования магнитной головки выбирать оптимальные параметры, необходимые для надежной записи информации на высококоэрцитивный рабочий слой жесткого магнитного диска.
VI. Исследован переход намагниченности пилообразной формы в тонкопленочном рабочем слое и получена система уравнений, определяющих основные параметры пилообразного перехода намагниченности как при действии поля записи, так и в его отсутствие (в процессе размагничивания). Показано, что ширина перехода намагниченности зависит как от значения коэрцитивной силы тонкопленочного слоя, так и от пространственного распределения поля записи магнитной головки, а именно: чем больше значение коэрцитивной силы и чем больше градиент поля записи магнитной головки, тем уже переход намагниченности. Проведен расчет ширины перехода намагниченности в зависимости от значений коэрцитивной силы, градиента поля записи, неконтакта (расстояния от рабочего слоя носителя до полюсов магнитной головки), зазора магнитной головки. Получено выражение сигнала воспроизведения пилообразного перехода намагниченности (бита информации) с нерегулярными (случайными) размерами зубцов пилы. Проведен расчет амплитудных, фазовых и шумовых характеристик воспроизведения с учетом флуктуации размеров пилообразного перехода намагниченности.
Научная новизна работы. В настоящей диссертации впервые поставлена и решена задача создания общего метода анализа и практического расчета доменных структур, пригодных для проектирования наноэлементов. Полученные в диссертации результаты способствуют решению фундаментальных проблем микромагнитных структур; позволяют получить новую и ценную информацию о магнитных свойствах ферромагнетиков, углубить наши знания по многим вопросам в области тонких магнитных пленок как основы для разработки магнитных наноэлементов.
Проведенное детальное исследование доменной структуры полюса показывает, что под действием внешнего магнитного поля доменная структура изменяется таким образом, что доменные границы при смещении остаются незаряженными. Это, во-первых, важный физический результат, следствием которого является отсутствие дополнительных источников поля рассеяния полюса магнитной головки в процессе записи. Во-вторых, значительно упрощается расчет доменной структуры полюса магнитной головки записи сложной формы. Полученные результаты позволяют на стадии проектирования магнитной головки записи выбирать оптимальные размеры для надежной записи информации на жесткий магнитный диск.
Исследование перехода намагниченности пилообразной формы в тонкопленочном рабочем слое для продольной записи информации на жестких магнитных дисках позволяет научно обосновать решение таких важных вопросов, как повышение плотности записи информации, сокращение сроков разработки, улучшение их качества за счет разработанной методики определения магнитных и импульсных параметров магнитного слоя при учете пилообразной формы перехода намагниченности.
Практическая ценность работы заключается в создании метода анализа практического расчета доменных структур, пригодных для проектирования магнитных наноэлементов. Приведенные примеры иллюстрируют возможности расчета доменных структур в практически используемых магнитных наноэлементах вычислительной техники и далеко не исчерпывают всех перспектив, которые они открывают перед исследователями при создании новых элементов. Творческое применение методов расчета поможет разработчику элементов вычислительной техники рационально выбирать размеры таких элементов для надежной работы в реальных условиях. Результаты применимы к любым пленкам с одноосной анизотропией.
Предложенная методика расчета параметров пилообразного перехода намагниченности позволяет установить связь параметров перехода намагниченности со свойствами магнитного рабочего слоя жесткого диска и с характеристиками магнитной головки. Решение этой задачи позволяет выполнить и обратную задачу - определение оптимальных сочетаний параметров магнитной среды, необходимых для получения заданной информационной плотности. Разработанные при выполнении данной работы методики расчета магнитного диска с тонкопленочным металлическим магнитным слоем использованы при проектировании накопителей. С помощью предложен-
ного метода получены результаты, пригодные для непосредственного применения в процессе разработки запоминающих устройств, датчиков на анизотропных пленках с доменной структурой и других магнитных наноэлементов.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Всесоюзная конференция по основным вопросам техники магнитной записи (Вильнюс, 1984 г,); Всесоюзное совещание по доменным и магнитооптическим запоминающим устройствам (Суздаль, 1985 г.); 2 и 7 Всесоюзные научно-технические конференции по совершенствованию технической базы, организации и планирования телевидения и радиовещания (Москва, 1987 г.; Москва, 1990 г.); Всесоюзные научно-технические конференции по проектированию внешних запоминающих устройств на подвижных носителях (Пенза, 1988 г.); Международные конференции по прикладному магнетизму "Интермаг"(Вашингтон, 1989 г.; Брайтон, 1990 г.); научно-техническая конференция по проблемам технологии магнитных элементов дисковых накопителей информации (Астрахань, 1989 г.); Всесоюзная конференция по моделированию и производству систем ВЗУ ЭВМ (Пенза, 1990 г.); Семинар по проблемам магнитной записи (Москва, 1991 г.); Российская конференция с международным участием "Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения"УКИ08, (Москва, 2008 г.); 9, 11, 12 и 20 Всесоюзные школы-семинары "Новые магнитные материалы для микроэлектроники"(Саранск, 1984 г.; Ташкент, 1988 г.; Новгород, 1990 г.; Москва, 2006 г.; Москва, 2009 г.); 21 Международная конференция "Новое в магнетизме и магнитных материалах"(Москва, 2009 г.).
Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 44 публикациях, в их числе 21 публикация в изданиях перечня Высшей аттестационной комиссии. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, содержит 258 страниц, 75 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 157 названий.
