Динамические преобразования доменных границ в импульсных магнитных полях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи УДК 537.62, 538.955

НИКОЛАЕВА Елена Петровна

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ

01.04.Ю - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета Московского государственного университета теш М.Б.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Попков А.Ф.

Ведущая организация - Институт физики твердого тела АН СССР

Защита диссертации состоится 26 декабря 1991 г. в 13-оо час. на заседании специализированного совета K002.74.0i при Институте радиотехники и электроники АН СССР по адресу-' 141120, Моск.обл., г.Фрязино, пл.Введенского,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЙРЭ АН СССР.

Автореферат разослан "¿Г" ноября 1991 г.

профессор Логгинов А.С.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Юрченко С.Е.

Ученый секретарь специализированного совета ; .<'-:^.;дат физико-математических наук

Чусов И.И

.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Один из наиболее перспективных путей создания элементной базы для УВЫ и различных магнитооптических устройств связан с возможностью использования в качестве носителя информации различных видов доменных структур в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов (ФГ). Особый интерес в этой связи представляет доменная структура в виде цилиндрических магнитных доменов (1ВД). Устройства на ЦМД выгодно отличаются от многих других типов устройств простотой осуществления операций записи, низкой стоимостью хранения информации, малым потреблением энергии, широким диапазоном рабочих температур, способностью сохранять информацию при отключении источника питания и т.д. Начиная с 1йй.чг., янтенсивно развивается новое научное направление в магнитной микроэлектронике , связанное с перспективой создания запоминающих устройств (ЗУ), в которых носителем информации является пара од-юполярных вертикальных блоховских линий (ВБЛ) в доменной границе '.ДГ). Устройства, состоящие из нескольких накопителей на ВБЛ, мо-'ут успешно конкурировать с любыми другими ЗУ на магнитном носи-■еле не только по емкости, быстродействию, надежности, но и по 'дельной стоимости бита информации.

В связи с широким практическим использованием пленок ФГ ис-:лючительно важное значение приобретает исследование структуры и ©ойств доменов и ДГ в наиболее перспективных для этих целей ма-ериалах. Кроме чисто прикладного значения, исследования динами-[еских свойств.ДГ при импульсном перемагничивании представляют и ольшой самостоятельный научный интерес.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в исследова-

А

нии динамических'свойств ДГ, очень многие важные с практической и научной точек зрения вопросы остаются невыясненными. До сих пор нет единой теории, описывающей нестационарное движение доменных границ, а разработанные в Настоящее время модели ДГ и механизмы их движения несовершенны и очень часто плохо согласуются с результатами экспериментов. Это связано, во-первых, со сложностью точного теоретического описания различных режимов движения ДГ, а, во-вторых, с недостатком корректных экспериментальных данных по динамике ДГ, полученных прямыми магнитооптическими методами.

Целью работы является исследование процессов динамического преобразования доменных границ в тонких магнитных пленках ФГ методом высокоскоростной фотографии. При этом ставятся задачи исследовать :

- нестационарное движение ДГ, приводящее к возникновению вертикальных блоховских линий :

- процессы движения ДГ, сопровождающиеся такими явлениями, как формирование диффузной ДГ (ДОГ) и генерация магнитных возмущений (МВ):

- влияние ромбической анизотропии и поля в плоскости пленки на процессы динамического преобразования ДГ.

Научная новизна работы заключается в следующем: з. Установлены особенности влияния ВМ на динамику ДГ в области импульсных магнитных шлей, соответствующих спонтанному зарождению и аннигиляции таких магнитных неоднородностей.

2. Обнаружен новый режим нестационарного движения ДГ в импульсных магнитных полях, сравнимых с полем одноосной анизотропии.

3. Выявлены особенности влияния ромбической анизотропии и магнитного поля в плоскости образца на формирование диффузной ДГ и маг-

китных возмущений среды в пленках ФГ с ориентацией (2Ю).

Практическая ценность. Экспериментальные результаты диссертационной работы важны для получения целостной картины динамики ДГ в широком диапазоне импульсных магнитных полей и более полной информации о процессах динамического преобразования структуры ДГ.

Результаты исследования пленок ФГ о ориентацией (210) могут быть использованы при разработке быстродействующих магнитооптических приборов.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Установление ограниченного диапазона изменений напряженности импульсного магнитного поля в области насыщения скорости движения. ДГ, в пределах которого происходит спонтанное зарождение и аннигиляция вертикальных, блоховских линий.

2. Обнаружение нового режима нестационарного движения ДГ в импульсных магнитных полях, сравнимых' с полем одноосной анизотропии, сопровождавшегося периодическим изменением ширины ДГ во времени. Выявление общих закономерностей такого движения.

3. Доказательство определяющей роли процессов структурного преобразования распределения магнитных моментов в реализации нового типа динамического поведения ДГ.

4. Результаты экспериментального исследования формировслия диффузной ДГ под действием магнитного поля в плоскости пленки и доказательство независимости процессов диффузного и периодического во времени уширения ДГ.

5. Обнаружение сильного влияния ромбической анизотропии на процессы динамических преобразований ДГ в пленках ФГ ориентации Г 210).

Апробация результатов. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на!

- X Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Рига, 1986 г.;

- Всесоюзном семинаре "Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах (1Щ) и вертикальных блоховских линиях (ВБЛ), Симферополь, 1987 г.;

- ИХ Семинаре по функциональной магнитоэлектронике, Красноярск, 1988 Г.;

- XXI Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Новгород, 1990 г.

■ Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 139 наименований. Работа изложена на 123 страницах, включая 36 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы и описана структура диссертации, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации представляет обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных результатам и методам исследования статических и динамических свойств ДГ в эпитаксиальных пленках ФГ. Особое внимание уделено особенностям нестационарного движения ДГ, дальнейшее исследование которых составляет основу оригинальных глав диссертации.

Во второй главе описывается используемая установка высокоскоростной фотографии с двухимпульсной подсветкой, обеспечивающая пространственное разрешение = 1 мкм. В качестве источников подсветки используются азотные лазеры с длительностью импульса - 8 не. Доменная структура в исследуемой магнитной пленке выводится из равновесного состояния импульсами магнитного шля смешения прямоугольной формы, которые создаются плоской однослойной катушкой. Импульсы тока в катушке с амплитудой до 20 А, максимальной длительностью до 3 мкс и передним фронтом тф - 2 не формировались усилителем-ограничителем на лампах ГИ-49Б, а с амплитудой до юо А - генератором на тиратроне ТГИ 100/8 (т^ = 35 не). Изображение доменной структуры усиливается электронно-оптическим преобразователем УМ-93 и регистрируется фотоаппаратом.

Приведены параметры исследованных пленок ферритов-гранатов состава (BiLuïgfFeGaigO.^ и fBiTmigfFeGaïgO^ С КрИСТЭЛЛОГрафИ-ческими ориентациями dm и f2ioi.

Третья глава посвяшена экспериментальному исследованию динамики ДГ в пленках ФГ с ориентацией ГНЛ и обсуждению полученных результатов.

В разделе 3.1 рассматриваются динамические свойства ДГ в области ншп от единиц до нескольких десятков эрстед.

Обнаружено, что в импульсных магнитных полях, когда скорость ДГ при увеличении напряженности H переходит от линейного нарастания к стадии насыщения, отдельные участки ДГ движутся с разными скоростями, что приводит к существенным искажениям формы доменов (рис.1). Использование 2-х импульсной подсветки позволяет обнаружить, что отдельные участки ДГ за одно и то же время т смешаются на различные расстояния, а некоторые из них остаются практически неподвижными. Положение неподвижных участков изменяется

а

15

10

периодическое уширение ДГ

движение участков ДГ с различной подвижностью 1

движение ДГ без искажения формы

Г

и

1-'ис.!. Зависимость скорости ДГ от напряженности импульсного магнитного поля.

от импульса к импульсу, т.е. их наличие не связано с микродефектами исследуемых образцов. На основании изложенных фактов сделан вывод, ото наблюдаемые участки ДГ с меньшей подвижностью содержат изолированные ВБЛ или кластеры ВМ.

Движение ДГ в диапазоне импульсных магнитных полей от единиц до нескольких сотен эрстед происходит с постоянной скоростью насыщения (рис.1). При этом в полях Н < в такое движение со-

НМЛ

провождается искажениями формы ДГ, а в нтжтт > н _ - нет, что сви-

JAM.11 1л р

детельствует о наличии по крайней мере двух механизмов диссипации энергии в доменной стенке, приводящих к насыщению ее скорости.

Следующие разделы третьей главы посвящены изучению динамических свойств ДГ в н сравнимых с полем одноосной анизотропии

ИМЛ

ю3 3).

Обнаружен новый режим нестационарного движения ДГ, проявляющийся в том, что при превышении некоторой критической напряженности н визуально наблюдаемая ширина ДГ с течением времени из-

НМЛ

меняется периодически - после расширения происходит сжатие ДГ до ширины, характерной для статической доменной стенки, затем процесс повторяется (рис.2). При оценке ширины динамической ДГ необходимо учитывать, что в эксперименте наблюдается не реальное изображение ДГ, статическая ширина которой в пленках ФГ составляет = ю мкм, а дифракционная картина, первый максимум которой имеет ширину - 1 мкм. При наблюдении движущейся ДГ дифракционная картина начинает адекватно воспроизводить изображение стенки, если динамическая ширина последней становится сравнимой с длиной волны подсветки (*• = о.58 мкм). Следовательно, наблюдаемое ушире-ние динамической ДГ больше статической ширины по крайней мере на два порядка.

Рис.2. Зависимость ширины ДГ от времени.

Детально исследованы особенности развития процесса уширения ДГ в различных образцах. Установлено, что изменение ширины ДГ сопровождается ростом скорости доменной стенки (рис.1).

Визуальные наблюдения показывают, что в любой момент времени пульсирующая доменная стенка (рис.2) имеет такой же вид, как и диффузная ДГ, наблюдаемая при наличии ромбической компоненты анизотропии или магнитного поля в плоскости пленки. В связи с этим возникает предположение, что периодическое изменение ширины движущейся ДГ имеет ту же природу, что и диффузное уширение. Для проверки этой гипотезы исследованы динамические свойства ДГ при наличии магнитного шля в плоскости образца.

На рис.3 схематически представлены области существования различных режимов движения ДГ для образца, в котором происходит периодическое уширение ДГ (рис.з-а> и для образца, в котором такой режим движения не наблюдается (рис.з-б).

Показано, что при превышении некоторых критических напряжен ностей ншп и Ндд (рис.з, область П) во всех исследованных пленках формируется диффузная ДГ (в области 1, рис.з влияние н^ на динамику ДГ не обнаружено). При этом выявлены следующие особенности, характерные для динамики ДДГ.

1. ДГ, перпендикулярные н^, становятся диффузными, а парал- ' цельные нпл остаются неуширенными.

2. ДГ, движущаяся вдоль нпл, имеет большую ширину, чем ДГ, движущаяся против нпл.

3. Ширина ДГ линейно зависит от времени (в течение импульса

гагнитного поля Тт„,„ ^ 1 мкс). имп

4. При увеличении напряженности нпл ширина ДГ растет.

Обнаружено, что существует интервал полей ншп, в котором

Рис.3. Области существования различных режимов движения ДГ. т без искажения формы (неуширенная ДГ), и - диффузная ДГ, XII - ДГ с периодическим во времени изменением ширины, IV - генерация МВ движущейся ДГ.

ширина ДДГ достигает своего максимального значения: при увеличении или уменьшении н п ширина ДДГ уменьшается.

Установлено, что в присутствии магнитного поля в плоскости пленки процесс периодического уширения ДГ подавляется (рис.з, область III). При увеличении напряженности нпл амплитуда периодических изменений ширины доменной стенки, движущейся против н , уменьшается и в конечном итоге становится равной своему статическому значению, в то время как ширина ДГ с противоположным направлением движения монотонно растет и также практически перестает зависеть от времени.'

Если в образце наряду с периодическим уширением ДГ наблюдается процесс генерации МВ, то с увеличением нпл генерация МВ подавляется. В образцах, где при нпл = <> периодическое уширение ДГ ч- наблюдается, поле в плоскости стимулирует генерацию МВ (рис.з,

область IV).

На основании проведенных исследований сделан вывод, что процессы диффузного уширения ДГ и периодического во времени уширения ДГ являются независимыми.

Эффект уширения изображения ДГ может быть вызван по крайней мере двумя причинами: неоднородностью свойств магнитного материала по толщине пленки (имеются в виду различного рода дефекты, слоистая структура пленки, обусловленная особенностями процесса роста, и т.д.) или периодическим преобразованием структуры движущейся ДГ, которое присуще при определенных условиях всем пленкам - и однородным, и неоднородным.

Исследованные пленки ФГ были подвергнуты тщательной проверке на неоднородность состава по толщине. Для этого участок поверхности образцов был сошлифован с углом наклона к плоскости пленки ^ 3°. Результаты рентгеновского микроанализа (проведенного в Институте физической химии АН СССР) показали, что химический состав по толщине пленки практически не изменяется, а толщина переходного слоя на границе подложка - пленка составляет = i мкм (типичное значение для эпитаксиальных пленок магнитных гранатов).

Существенное влияние на динамику ДГ могут оказывать изменения магнитных свойств в тонких переходных слоях на границах раздела пленка - подложка или пленка - воздух. Для определения степени влияния таких слоев на динамику ДГ в образцах с ориентацией (1Ш мы применили метод, основанный на использовании процессов перемагничивания, происходящих в аксиально-симметричном магнитном поле, сравнимом с полем одноосной анизотропии, ß таких образцах в области небольших градиентов импульсного поля возникает волна опрокидывания магнитных моментов (BÖHM), распространяющаяся к цен-

тру катушки. Если в образце существуют слои с отличающимися друг от друга магнитными свойствами, то граница ВОММ будет несквозной, что проявится в соответствующем изменении контраста на экране электронно-оптического преобразователя. Результаты исследований показали, что периодическое уширение ДГ наблюдалось как в образцах со слоистой структурой, так и в однородных образцах.

Таким образом, периодическое во времени уширение ДГ может быть обусловлено только структурными динамическими преобразованиями, а не неоднородностями состава по толщине пленки или дефектами.

Для интерпретации экспериментальных результатов был проведен анализ существующих теоретических представлений и на основании этого сделан вывод о возможном механизме периодического уширения ДГ. Он заключается в том, что впереди движущейся ДГ у одной из поверхностей пленки образуется область неоднородного распределения намагниченности, которая со временем расширяется как вдоль направления движения ДГ, так и по толщине пленки. Спустя время т = ю не вертикальная компонента вектора намагниченности в неоднородной области становится отрицательной, и начинает зарождаться домен противоположной полярности. Намагниченность в области возмущения прецессирует с частотой, отличной от частоты прецессии векторов в ДГ, причем вектор намагниченности в домене направлен противоположно внешнему магнитному полю и находится в ме-тастабильном состоянии, т.е. любое (сколь угодно малое) отклонение его от оси г неизбежно начинает увеличиваться (процесс локального перемагничивания). Можно предположить, '.¡то в определенный момент времени такая структура "растянутой" ДГ становится энергетически невыгодной и область локального перемагничивания

начинает "стягиваться", т.е. произойдет уменьшение ширины ДГ: затем описанный процесс периодически повторяется.

В третьей главе также представлены зависимости скорости ДГ от напряженностей магнитных полей ншп и нщ, на основе которых сделан вывод о том, что скорость насыщения в образцах иследуемого состава ориентации (ill) (5 + ю м/с) недостаточна для использования их в реальных магнитооптических устройствах. Показано, что при наличии магнитного поля в плоскости образца (Н < 200 Э) скорость ДГ увеличивается всего в несколько раз, что также является недостаточным для практического применения используемых образцов. Одним из способов, позволяющим улучшить динамические параметры ДГ представляется использование пленок с магнитной анизотропией в плоскости образца.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования динамических свойств ДГ в пленках ФГ с ромбической анизотропией. В качестве таких материалов выбраны образцы с ориентацией (2Ю), как одни из перспективных, но наименее изученных в настоящее время.

Выделены следующие характерные особенности статических доменных конфигураций. Во-первых, границы полосовых доменов ориентированы вдоль кристаллографического направления СТ203. Во-вторых, ЦМД вытянуты вдоль этого же направления, причем участки ДГ, перпендикулярные оси Cl20], дяффузны из-за существенного отклонения оси легкого намагничивания (ОЛН) от нормали к пленке (см. систему координат на рис.4).

Изучен характер зависимости скорости ДГ вдоль оси у от напряженности импульсного магнитного поля (рис.ft). Выявлены три характерных участка на зависимости vVHim,TT): линейный с положи-

Рис.4. Взаимное расположение кристаллографических направлений и ОЛН в образцах ориентации (210 к

Рис.ь. Зависимость скорости ДГ от напряженности импульсного магнитного поля

^мп*

тельной подвижностью (До пикового значения нелинейный с

отрицательной подвижностью и линейный с положительной (но меньшей, чем на 1-ом участке) подвижностью. Определено, что в исследуемых образцах достигаются высокие значения подвижности ДГ

о

ю м/(Эс)) и скоростей движения ю м/с), что делает их хорошей рабочей средой для быстродействующих магнитооптических приборов.

Выявлена однонаправленная анизотропия генерации МВ участками ДГ, движущимися вдоль направления £120].

Установлен характер зависимости скорости ДГ от ншп для ориентации магнитного поля в плоскости пленки параллельно < Нх > (рис.б-а) и перпендикулярно < ну) (рис.б-б) доменной стенке. Из приведенных данных следует, что наличие поля в плоскости пленки существенно не изменяет предельное значение скорости vлик и поля н в котором эта скорость достигается.

а б

Рис.6. Зависимость скорости ДГ от напряженности импульсного шля при наличии магнитного поля в плоскости пленки ( о соответствует движению вдоль оси v, х - в противоположном направлении).

Обнаружено, что более интенсивно процесс генерации MB протекает впереди ДГ, которая движется с меньшей скоростью.

Ни в одном из исследованных образцов с ромбической анизотропией периодического уширения ДГ не наблюдалось.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему.

з. Выполнено детальное исследование нестационарного движения доменных границ в пленках ферритов-гранатов состава (BiLu>3! FeGa)5o12 и (BiTm(FeGa >5C>12 с ориентацией (Ш). Обнаружено, что в ограниченном интервале импульсных магнитных полей нт„,_ на стадии насыщения скорости происходят локальные необрати-

.НМЛ

мые изменения структуры ДГ - зарождение и аннигиляция вертикаль-

ных блоховских линий. Установлено, что кластеры образующихся ВЕЛ при одинаковой напряженности ншп могут содержать разное число блоховских линий.

2. Экспериментально обнаружен новый режим нестационарного движения доменных границ в импульсных магнитных полях с напряженностью, сравнимой с напряженностью поля одноосной анизотропии, проявляющийся в том, что при превышении некоторой критической напряженности импульсного магнитного поля визуально наблюдаемая ширина ДГ с течением времени изменяется периодически. Детально исследованы особенности процесса уширения доменной границы в различных образцах.

3. Исследовано формирование диффузной ДГ под действием магнитного поля в плоскости образца н^.

а) Показан характер изменения ширины ДГ в зависимости от величины и направления н^.

б) Обнаружено, что существует интервал полей ншп (в изучен-

о

ных образцах вблизи ~ ю Э), в котором ширина ДЦГ достигает своего максимального значения: при увеличении или уменьшении ширина ДЦГ уменьшается.

4. Проведен детальный анализ условий и определена область допустимых изменений напряженностей и ориентации внешних магнитных полей, необходимых для уширения доменной границы. Показано, что при наличии магнитного поля или наведенной анизотропии в плоскости пленки процесс периодического уширения ДГ подавляется и, несмотря на внешнее сходство явлений диффузного и периодического во времени уширения ДГ, они представляют собой независимые режимы движения доменных границ.

5. Установлено, что процесс периодического изменения ширины

доменной границы не обусловлен дефектами и неоднородностью свойств магнитной пленки по толщине. На основе анализа существуга-шх теоретических представлений сделан вывод о возможном механиз-ie периодического уширения ДГ, обусловленного структурными изменени-ши доменной стенки.

6. Исследованы статические и динамические свойства доменных 'раниц в пленках ферритов-гранатов состава (BiLu)3iFeGa)5o12 с фиентацие й (2 ю).

а) Обнаружена однонаправленная анизотропия генерации МБ участками ДГ, движущимися вдоль направления ГТ201. Установлено ¡лияние ориентации и напряженности поля в плоскости на скорость рменных стенок и интенсивность генерации ДГ магнитных юзмущений.

б) Определено, что в исследуемых образцах достигаются высо-

сие значения подвижности доменных границ ю м/(Э'с)> и ско-2

юстей движения ю м/с), что делает их хорошей рабочей сре-;ой для быстродействующих магнитооптических приборов.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публи-;ациях.

.. Балбашов A.M., Непокойчицкий Г.А., Шабаева Е.П. Особенность (инамики доменных границ в пленках ферритов гранатов с малой дис-жпацией. // х Всесоюзная школа-семинар "Новые магнитные материалы шкроэлектроники". Тезисы докладов. Рига, 1986.-Ч-l.-с.191-192. !. Балбашов A.M., Логгинов A.C., Непокойчицкий Г.А., Шабаева Е.П. ¡ериодичность процесса неоднородного вращения векторов намагни-юнности, инициируемого движущейся доменной границей // Письма в СГФ,-1987.-Т.13.N4.-С.231-235.

3. Балбашов A.M., Логгинов A.C., Нелокойшцкий Г.А., Никитин Н.И., Шабаева Е.П. Особенности нестационарного движения доменных границ в пленках ферритов-гранатов it Всесоюзный семинар "Элементы ж устройства на цилиндрических магнитных доменах (1Щ) и и вертикальных блоховских линиях (ВБЛ). Тезисы докладов. Симферополь, 1987.-С.35.

4. Балбашов A.M., Логгинов A.C., Непокойчицкий Г.А., Шабаева Е.П., Уширенная доменная граница и модель ее возникновения И ш Семинар по функциональной магнитоэлектронике. Тезисы докладов. Красноярск, 1988,- С.124-125.

5. Логгинов A.C., Шабаева Е.П. Влияние магнитного поля в плоскости пленки феррита-граната на периодическое уширение доменных границ Н xii Всесоюзная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Тезисы докладов. Новгород, 1990.-С.198-199.

6. Балбашов A.M., Логгинов A.C., Шабаева Е.П. Динамические свойства доменных границ в пленках ферритов-гранатов ориентации <210) и ШФ.-1991. -Т. 61.В. 6. -С. 159-162.

Подписано в печать II.II.1991 г.

Формат 60x84 1/16. Объем 1,16 усл.п.л. Тираж 100' экз. Ротапринт ИРЭ АН СССР. Заказ № 278.