Формирование упорядоченных доменных структур в пленках ферритов-гранатов в импульсном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

• ; 1З ОД На правах рукописи

- ' Г - - ••

. - 1 ...!

МОИСЕЕВ Николаи Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР В ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.04.11-физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-1998

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент М.В. Логунов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник О.С. Колотов

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник В.В. Рандошкин

Ведущая организация:

Институт проблем управления РАН

Защита состоится 21 мая 1998 г. в 15.30 час. на заседании диссертационного совета К053.05.77 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮРА- .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан 16 апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 053.05.77 в МГУ им. М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук /1 ff Лг) O.A. Котельникова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Доменная структура и характер ее перестройки во внешнем магнитном поле важны для понимания физики магнитных явлений и определяют механизмы перемагничивания образцов, восприимчивость, динамические свойства и т.д. В последнее время интенсивно исследуются процессы упорядочения в доменной структуре магнитных пленок. Обнаружено формирование спиральных, кольцевых доменов, различных модификаций решеток цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и гантелевидных доменов [1-4], что дало новый импульс развитию физики доменных структур.

Подобного рода исследования являются основой для создания разнообразных технических устройств. Например, кристаллы р пленки с гигантскими магнитооптическими эффектами нашли широкое применение в запоминающих и оптоэлектронных устройствах - модуляторах, дефлекторах, изоляторах, оптических процессорах [5]. Устойчивая работа таких приборов определяется в первую очередь возможностями управления параметрами доменных структур.

Объектами многих экспериментальных и теоретических исследований динамических свойств являлись доменные границы и ЦМД. Поведение полосовых доменов в импульсном поле изучено в меньшей степени, а динамика массива полосовых доменов изучалась лишь в единичных работах. В то же время полосовые домены являются основой спиральных, кольцевых и других доменных структур. Динамические свойства доменов в пленках ферритов-гранатов сложным образом зависят от магнитного поля, что связано как с динамическими преобразованиями структуры доменных границ, так и с комбинированным характером анизотропии пленок.

Наиболее полно теоретически и экспериментально изучены статические свойства упорядоченных доменных структур. Экспериментально исследованы условия образования структур в переменных и импульсных магнитных полях. При проведении экспериментов регистрировали усредненный либо конечный (статический, после оконча-

ния импульса поля) вид доменной структуры; сведений об исследовании динамики процессов формирования упорядоченных структур очень мало [4,6]. В опубликованных работах не приводились данные о динамических параметрах пленок (скорости, подвижности доменных границ, константе затухания), что не позволяет сделать однозначные выводы о связи наблюдавшихся явлений с параметрами магнетиков. Во многом это обусловлено отсутствием аппаратуры, позволяющей регистрировать, накапливать и обрабатывать большой массив данных фотографий динамических доменов. Немаловажно и то, что использование проекционной печати вносит заметные искажения з изображения доменов.

В большинстве работ для формирования доменных структур использовали переменное магнитное поле звуковых и ультразвуковых частот. Для формирования структур необходимы 102 - 104 периодов поля и структуры существовали только в динамике. В импульсном юле формирование структур возможно в результате приложения серии импульсов или даже единичного импульса, что значительно упрощает интерпретацию экспериментальных результатов^

Отметим отсутствие теоретических работ по исследованию динамики процессов формирования упорядоченных доменных структур.

Цель работы: исследование закономерностей динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур в плен-;<ах ферритов-гранатов в импульсных магнитных полях. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие конкретные задачи:

1. Отработать методику исследования динамики доменных структур в импульсных магнитных полях методом высокоскоростной фотографии с последующей компьютерной обработкой фотографий динамических доменов.

2. Разработать программу расчета параметров анизотропии как одного из основных факторов, определяющих свойства доменных структур, для пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией .

3. Исследовать динамику расширения одиночных полосовых доменов и массива прямолинейных полосовых доменов в областях линейной и нелинейной динамики доменных границ.

4. Провести исследование закономерностей динамики формирования упорядоченных доменных структур в пленках ферритов-гранатов (сотовой, кольцевой, спиральной структур) в однородном импульсном магнитном поле.

Научная новизна представленных в диссертации результатов заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. Отработана методика исследований динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур в импульсном магнитном поле с помощью высокоскоростной фотографии с последующей компьютерной обработкой фотографий динамических доменов.

2. Установлены закономерности развития изгибной неустойчивости полосового домена в магнитных полях, соответствующих линейной динамике доменных границ.

3. Обнаружен и исследован механизм формирования сотовой доменной структуры в пленках ферритов-гранатов непосредственно из лабиринтной под действием серии импульсов магнитного поля. Установлено, что процесс зависит не от частоты следования импульсов, а от их числа.

4. Методом высокоскоростной фотографии установлены, механизмы генерации кольцевых доменов и условия образования концентрических кольцевых структур в импульсном поле. Выявлена ключевая роль дефектов материала в данных процессах перестройки доменной структуры.

5. Исследовано влияние температуры, постоянных и импульсных магнитных полей на закономерности динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур. Показано, что формирование-кольцевых и спиральных доменов возможно в магнитных полях, соответствующих линейной динамике доменных границ. Процессы сжатия/расширения доменов в упорядоченных структурах при изменении магнитного поля проходят с гистерезисом, приче,

ширина'гистерезисной области по полю в несколько раз превышает коэрцитивную силу пленки.

6. Установлено, что зависимости равновесной ширины доменов в полосовой, спиральной, кольцевой структурах от поля смещения лежат на одной кривой, а период полосовой структуры существенно превышает период спиральной доменной структуры.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов перестройки доменной структуры пленок ферритов-гранатов при воздействии импульсных магнитных полей, приводящих к формированию сотовых, кольцевых, спиральных доменных структур, и могут быть использованы при проектировании доменных логических и оп-тоэлектронных устройств. Разработанная программа расчета параметров анизотропии для пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией на основе метода фазовых переходов позволяет оперативно получать информацию о параметрах одноосной, кубической, ромбической анизотропии пленок ферритов-гранатов.

Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на XIV и XV Всероссийских школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1994; Москва, 1996), на международной научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1997), на конференциях молодых ученых Мордовского госуниверситета им. Н.П.Огарева (Саранск, 1996; Саранск, 1997).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 138 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков, 3 таблицы и 189 наименований цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, описана структура и содержание работы, приведены основные полученные в работе результаты.

Первая глава представляет собой обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию доменной структуры в магнитных материалах. Дан краткий исторический очерк развития физики доменных структур. Приведена классификация видов доменных границ, описаны их основные параметры и характеристики. Проанализированы основные методы наблюдения и методы исследования доменных структур. Далее обзор построен на качественном сравнении процессов формирования различных доменных структур (полосовой, сотовой, спиральной, кольцевой структур) в пленках ферритов-гранатов. Рассмотрены различные способы формирования доменных структур. В конце первой главы на основе проведенного литературного обзора определены цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена методам исследования динамических процессов в магнитных пленках, методикам измерения и расчета основных параметров пленок ферритов-гранатов. Динамические процессы в пленках изучали с помощью универсальной магнитооптической установки [7], позволяющей проводить исследования методом высокоскоростной фотографии со временем экспозиции 5*10'9 с, пространственным разрешением до 0.3 мкм и фотоэлектрическим методом с временным разрешением до Ю-9 с одновременно. Принцип работы установки основан на использовании эффекта Фарадея.

Метод высокоскоростной фотографии является наиболее информативным при изучении динамических процессов перестройки доменной структуры. В то же время он является весьма трудоемким, а использование проекционной печати приводит к геометрическим искажениям изображений. Существенной является проблема накопления и обработки информации, особенно при изучении неповторяющихся

7

процессов. Поэтому установка дополнена видеокамерой для записи изображения динамических доменов и отработана методика компьютерной обработки большого количества экспериментальных данных. Б результате наряду с решением проблемы накопления (на видеокассете размещается свыше 2*105 кадров) и обработки данных повышена общая чувствительность установки и снижены геометрические искажения изображений до 1% благодаря использованию видеокамеры на матрицах ПЗС. За счет автономного источника питания видеокамеры уменьшены на порядок помехи на изображении, возникающие из-за работы импульсного лазера.

Важным параметром пленок ферритов-гранатов является анизотропия. Для определения параметров анизотропии мы использовали метод ориентационных фазовых переходов [8]. Ориентационные за-иисимости полей фазовых переходов описываются сложными уравнениями, что весьма затрудняет процедуру расчета констант анизотропии. Для поиска правильного решения была составлена программа с разветвленным алгоритмом расчета и сравнения данных. С помощью программы осуществляется перебор вариантов решений (двумя способами определяется константа кубической анизотропии - по третьей и четвертой гармонике, в зависимости от значения фактора качества материала расчет осуществляется по различным формулам), и выбирается вариант, для которого наблюдается наименьшее расхождение между экспериментальными и рассчитанными зависимостями. Программа выводит на печать параметры анизотропии и графики экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных зависимостей полей фазовых переходов для пленок ферритов-гранатов, выращенных на подложках с кристаллографической ориентацией (111), (110) и (210).

Для образцов с ориентацией (111), (ПО) наблюдается хорошее согласие экспериментальных и рассчитанных зависимостей, причем для (111)-пленок одноосная анизотропия на порядок превышает остальные компоненты анизотропии. Однако для ряда (210)-пленок даже после минимизации ошибки расхождения оказываются существенными - более 20 %. Это связано с наличием в экспериментальных за-

висимостях гармоник 5-6 порядков, в то время как теория [9] учитывает гармоники до 4 порядка включительно.

В третьей главе диссертации изложены результаты исследования динамики полосовых доменов и доменных границ (ДГ) в однородном импульсном магнитном поле Ни. Неоднородность реальных пленок ферритов-гранатов влияет на процессы перемагничивания в сильных магнитных полях [5], приводя к генерации магнитных возмущений впереди движущихся ДГ [10], искажениям формы ДГ [11], изменению условий процессов вращения намагниченности [12]. В настоящей рз-. боте пленки ферритов-гранатов были отобраны с тем, чтобы в области полей Н„ < 300 Э, соответствующем области формирования доменных структур, не наблюдались существенно неодномерньге явления при движении ДГ. Это облегчает интерпретацию результатов экспериментов по формированию доменных структур, рассматриваемых далее в главе 4.

Для исследованных пленок с большим фактором качества <3 > 30 имеет место насыщение скорости в широком диапазоне импульсных магнитных полей. Критическое поле линейной динамики ДГ для таких образцов <10 Э и, поскольку для перестройки доменной структуры необходимы поля на порядок выше, все процессы формирования доменных структур возможны только вдали от области линейной динамики ДГ, где динамические ДГ движутся с постоянной небольшой скоростью, а их структура является сложной и изменятся в процессе движения ДГ. Особое внимание уделено пленкам ферритов-гранатов с высоким гиромагнитным отношением [5] из-за высокой скорости ДГ и широкого диапазона линейной динамики ДГ, что позволило ряд экспериментов по изучению формирования структур провести именно в области линейной динамики ДГ, в то время как результаты работ [1-4] получены для нелинейной области.

V Третьей группой пленок, исследованных в настоящей работе, являются пленки, выращенные на подложках с ориентациями (НО) и (210). Характерной их особенностью является усложнение анизотропии материала и появление наряду с одноосной и кубической компо-

нентами ромбического компонента анизотропии, что повышает скорость насыщения ДГ.

Далее приведены результаты исследования процесса удлинения полосового домена и развития изгибной неустойчивости его формы в малых полях. Показано, что время развития изгибной неустойчивости при движении домена в области полей, соответствующих линейной динамике ДГ, быстро снижается с ростом поля и составляет единицы микросекунд уже при Н ~ 5 Э. Описана методика формирования массива прямолинейных динамических полосовых доменов. Направление движения доменов в массиве отклоняется от перпендикуляра к движущейся границе массива вследствие действия гиротропных сил на головку удлиняющихся полосовых доменов. Величина угла сноса составляет 5-25°. Скорость расширения массива полосовых доменов в режиме насыщения на 20% превышает скорость насыщения ДГ.

Четвертая глава посвящена исследованию механизмов формирования упорядоченных доменных структур (сотовой, кольцевой, спиральной) при воздействии на образец одиночного импульса или серии импульсов магнитного поля в присутствии постоянного поля смещения Нсм перпендикулярно плоскости пленки. Рассмотрены следующие процессы формирования структур: сотовой доменной структуры непосредственно из лабиринтной, кольцевых структур из лабиринтной и из решетки ЦМД, спиральных доменов при размагничивании из насыщенного состояния, из лабиринтной структуры и из решетки ЦМД. Определены области формирования и области устойчивости доменных структур, закономерности динамических процессов формирования структур.

Процесс формирования сотовой структуры из лабиринтной наблюдается в узком диапазоне действующих полей Hd = Н„ - Нсм, левая граница области определяется полем насыщения феррит-гранатовой пленки На = Ннас, правая совпадает со статическим полем деформационной неустойчивости изолированного полосового домена Нсг [13]. Для исследуемых образцов формирование сотовой структуры наблюдалось в области действующих полей, сравнимых с критическим по-

лем линейной динамики ДГ, где доменная граница движется в режиме насыщения.

Рис. 1. Число импульсов магнитного поля N,1, необходимое для образования в лабиринтной структуре первого кластера из. четырех сот, в зависимости от поля смещения Нсм при Н„ = 116 Э, ти = 2 мкс.

В промежутках между импульсами магнитного по.т сотовая структура остается замороженной сколь угодно долго. Следовательно, сотовую структуру можно отнести к рефлексивным структурам. Существует оптимальное соотношение между величинами Ни и Нем (рис. 1), наиболее благоприятное для образования сотовой доменной структуры; процесс формирования структуры не зависит от частоты следования импульсов магнитного поля, а только от их числа (рис. 2).

Формирование сотовой структуры обусловлено разрывом полосовых доменов под действием импульсов поля Ня и последующим упорядочением благодаря магнитостатическому взаимодействию доменов в поле смещения Нсм . В то же время разрыв полосового домена с закрепленными концами, согласно [13], возможен лишь при Ш > 47сМ5. Вероятностный характер процесса формирования сотовой структуры и то, что он наблюдается в области действующих полей Н<1, сравнимых с критическим полем линейной динамики доменных границ, но меньших статического поля разрыва полосовых доменов, свидетельствуют о существенном влиянии структуры динамических ДГ, появления в них лидирующих и отстающих участков [14] на ход процесса.

Далее рассмотрено формирование кольцевых доменов из лабиринтной структуры и из решетки ЦМД при воздействии на образец

одиночного импульса или серии импульсов магнитного поля. В обоих случаях генерация кольцевых доменов происходит в узком интервале импульсных магнитных полей Н„, зависящем от длительности импульса и от величины поля смещения Нсм (рис. 3). Верхняя граница области по полю смещения обусловлена приближением к полю коллапса ЦМД Но, диапазон формирования по Ни наиболее широк вблизи поля эллиптической неустойчивости ЦМД Ш. Справа от области формирования кольцевых структур в диапазоне от Ш до Н0 происходит формирование решетки ЦМД, слева - спиральных доменов и сотовой структуры, выше - лабиринтной («гребешковой») структуры.

Nc.

ТТПТУГ—2'

BÚO 400 О

О ЮО ЙОО 300 400

Nn, 103

Рис. 2. Плотность сотовой структуры Nc в зависимости от числа импульсов магнитного поля п, Н» = 108 Э, Нсм = 36 Э, т„ = 2 мкс.

Кольцевые домены образуются при воздействии одиночного импульса поля; после серии импульсов могут формироваться концентрические кольцевые структуры. Показано, что область устойчивости таких структур по постоянному полю смещения увеличивается при наличии одного или нескольких ЦМД либо точечного дефекта внутри кольцевых доменов.

Выявлена взаимосвязь образования кольцевых доменных структур с наличием микродефектов в пленке и зависимость типа формирующейся структуры - кольцевые доменные структуры или концентрические кольцевые доменные структуры - от типа дефектов. Критерием различия дефектов являлись величина импульсного поля Нш, в котором происходит зарождение дефекта при неизменном поле смещения, намагничивающем пленку до насыщения, и протяженность

самого дефекта. В зависимости от протяженности дефекты подразделялись на точечные и линейные в виде царапин длиной 10-50 мкм. На точечных дефектах с Нш> 150 Э, как правило, зарождались одиночные кольцевые домены. Центры зародышеобразования с пониженным Низ < 100 Э являлись центрами формирования концентрических доменных структур. Линейные дефекты с низким Ню при приложении серии импульсов магнитного поля генерировали ЦМД, заполняющие область внутри кольцевого домена. Условия образования кольцевых доменных структур оптимальны при Нсм, сравнимом с полем коллапса ЦМД. Установлено два механизма генерации кольцевых доменов: образование домена вокруг точечного дефекта или же в результате

Нем. Э

Рис. 3. Область формирования кольцевой доменной структуры для импульсов Нн длительностью 0.2 мке и 10 мкс.

Изучены процессы формирования спиральных доменов в импульсном магнитном поле из исходной лабиринтной структуры, при размагничивании из насыщенного состояния пленки и из решетки ЦМД. При размагничивании пленки феррита-граната из насыщенного состояния формирование спиральных доменов связано с зарождением в монодоменной пленке зародыша обратной магнитной фазы, из центра которого начинает расти полосовой домен в виде спирали. Направление закрутки меняется на противоположное при изменении направления поля Нсм. Процесс формирования спиральной структуры из лабиринтной носит пороговый характер по параметрам Ни, необходимое число импульсов и место образования спирального домена

13

меняется от эксперимента к эксперименту при сохранении неизменными внешних условий.

Спиральные домены формируются в действующих полях На < Нг- Область формирования спиральных доменов частично перекрывается с областями формирования других упорядоченных доменных структур. Справа область формирования спиральных доменов соприкасается с диапазоном формирования кольцевых доменов. Спиральные домены, сформированные на границе этой области, через несколько микросекунд после окончания импульса поля свертываются.

Показано, что формирование спиральных доменов, как и кольцевых, возможно в действующих полях, соответствующих области линейной динамики ДГ. Особую роль в механизме формирования спиральных доменов играют динамическая гиротропная сила, действующая на стенки движущегося полосового домена, и деформационные искажения ДГ полосового домена. Своеобразным индикатором возможности формирования спиральной доменной структуры в том или ином образце является наличие перехода ЦМД в разреженной решетке ЦМД при снижении поля смещения не в гантелеидный, а в полосовой Б-домен при снижении поля смещения. Затем из Б-домена при дальнейшем снижении поля Нш происходит формирование спирального домена.

На условия образования спиральных доменов большое влияние оказывает наличие анизотропии в плоскости пленки. В образцах с ориентацией (110), (210) возможно образование кольцевых доменов, однако спиральные домены не формируются. Неоднородность импульсного магнитного поля (наличие составляющей в плоскости пленки и градиента поля) ухудшает условия образования спиральных доменов, в то время как формирование сотовых, кольцевых доменов, решеток гантелевидных доменов, наоборот, облегчается.

Процессы сжатия/расширения доменов в упорядоченных доменных структурах при изменении магнитного поля происходят с гистерезисом, причем ширина гистерезисной области по полю в несколько раз превышает коэрцитивную силу пленки и зависит от вида структуры.

Известно, что размеры одних и тех же доменных структур зависят не только от параметров магнитного материала, но и от способа формирования структур. Между тем имеющиеся данные о размерах спиральных, кольцевых доменов получены для пленок с различными параметрами и с помощью различных методов формирования.

Нами данные о размерах полосовых, кольцевых, спиральных доменах, ЦМД получены для одного и того же образца, в котором перечисленные доменные структуры удается сформировать независимо друг от друга, а при подборе параметров нескольких серий импульсов магнитного поля, прикладываемых последовательно к образцу - и одновременно. Это дало возможность сопоставить характерные размеры структур (ширину и период Р доменов, диаметр ЦМД) для одних и тех же условий эксперимента (рис. 4).

2а

3 20

I16

^ 12-1 &=

а

до

X ж ж ** ж Ж ж Ж ь Ж

- - - .............. __ ,

10 20 ЗО 40 Нем. Э

50 60

70

- УГ (ПД) ■ Т?(сгшрали)

Ро(ПД) - а(цмд)

Р(спнрали) - •(У(КД)

Рис. 4. Равновесные размеры доменных структур в зависимости от поля смещения Нсм.

Завершается диссертация изложением основных полученных в работе результатов и списком цитированной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Отработана методика исследований динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур в импульсном магнитном поле с помощью высокоскоростной фотографии с последующей компьютерной обработкой'фотографий динамических доменов, что позволило решить проблему накопления и обработки боль-

шого массива данных фотографий динамических доменов, снизить геометрические искажения изображений до 1 %.

2. Для обработки экспериментальных результатов при измерении параметров анизотропии пленок ферритов-гранатов по методу фазовых переходов составлена программа с разветвленным алгоритмом расчета и сравнения данных. Программа применима для пленок с кристаллографической ориентацией (111), (110) и (210).

3. Установлены закономерности развития изгибной неустойчивости полосового домена при удлинении домена в магнитных полях, соответствующих линейной динамике доменных границ.

4. Обнаружен и исследован механизм формирования сотовой доменной структуры в пленках ферритов-гранатов непосредственно из лабиринтной под действием серии импульсов магнитного поля.. Показано, что процесс зависит не от частоты следования импульсов, и от их числа.

5. Методом высокоскоростной фотографии установлены механизмы генерации кольцевых доменов и условия образования концентрических кольцевых структур в импульсном поле. Выявлена ключевая роль дефектов материала в данных процессах перестройки доменной структуры.

6. Исследовано влияние температуры, постоянных и импульсных магнитных полей на закономерности динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур. Показано, что формирование кольцевых и спиральных доменов возможно в магнитных полях, соответствующих линейной динамике доменных границ. Процессы сжатия/расширения доменов в упорядоченных структурах при изменении магнитного поля происходят с гистерезисом, причем ширина гистерезисной области по полю в несколько раз превышает коэрцитивную силу пленки.

7. В результате исследования равновесных размеров доменных структур установлено, что зависимости равновесной ширины доменов в полосовой, спиральной, кольцевой структурах от поля смещения лежат на одной кривой, а период полосовой структуры существенно превышает период спиральной доменной структуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Логунов М.В., Моисеев Н.В. Генерация кольцевых доменов в пленках феррит-гранатов // Тез. докл. XIV школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники"- М., 1994.- Ч. 3,- с. 8-9.

2. Логунов М.В., Моисеев Н.В. Формирование упорядоченных доменных структур в импульсном магнитном поле II Тез. докл. XV школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники" -М., 1996-с. 427-428.

3. Зарождение доменов в пленках феррит-гранатов / Иванов О.Ю., Косинец Г.А., Логунов М.В., Моисеев Н.В. // Тез. докл. XIV школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники" -М., 1996-с. 439-440.

4. Моисеев Н.В. Динамическая самоорганизация сотовой доменной структуры // Тез. докл. I конф. молодых ученых МГУ им. Н.П.Огарева, Саранск, 1997, ч. 2, с. 4.

5. Иванов О.Ю., Моисеев Н.В. Динамика зарождения доменов новой фазы // Тез. докл. I конф. молодых ученых МГУ им. Н.П.Огарева, Саранск, 1997, ч. 2, с. 5.

6. Логунов М.В., Моисеев Н.В. Формирование сотовой доменной структуры в магнитных пленках // Письма в ЖТФ, 1997, Т. 23, в. 9, с. 46-51.

7. Моисеев Н.В., Юдина C.B. Статические и динамические параметры полосовых доменов в сотовой и лабиринтной доменных структурах // Тез. докл. II конф. молодых ученых МГУ им. Н.П.Огарева, Саранск, 1997, с. 35.

8. Моисеев Н.В. Измерение и моделирование параметров анизотропии в пленках с различной кристаллографической ориентацией // Тез. докл. II конф. молодых ученых МГУ им. Н.П.Огарева, Саранск, 1997, с. 36.

9. Логунов М.В., Моисеев Н.В. Динамика массива полосовых доменов в импульсном магнитном поле // Тез. докл. междунар. науч-но-техн. конф. "Проблемы и прикладные вопросы физики", Саранск, 1997, с. 54.

10. Логунов М.В., Моисеев Н.В., Сажин Ю.Н. Орторомбическая анизотропия (210)-феррогранатовых пленок // Тез. докл. междунар. научно-техн. конф. "Проблемы и прикладные вопросы физики", Саранск, 1997, с. 86-87.

Список цитируемой литературы

ККандаурова Г.С., Свидерский А.Э. Возбужденное состояние и спиральная динамическая доменная структура в магнитном кристалле // Письма в ЖЭТФ.- 1988,- Т. 47, вып. 8.- С. 410-412.

2. Кандаурова Г.С., Свидерский А.Э. Процессы самоорганизации в многодоменных магнитных средах и формирование устойчивых динамических структур И ЖЭТФ.-1990.- Т. 97, вып. 4,- С. 1218-1229.

3. Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г. Новые типы динамической самоорганизации магнитного момента. // Письма в ЖЭТФ.- 1992. Т. 58, вып. 1.-С. 34-37.

4. Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г., Николаева Е.П., Николаев

A.B. Динамическая самоорганизация и симметрия распределений магнитного момента в тонких пленках // ЖЭТФ.- 1993.- Т. 103, вып. 1.-С. 213-233.

5. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. - М.: Энергоатомиздат, 1990.- 320 с.

6. Николаев A.B., Онищук В.Н., Логгинов A.C. Особенности динамики доменной структуры при импульсном формировании спиральных доменов // Новые магнитные материалы микроэлектроники (Тез. докл. XV школы-семинара)- М., 1996 - С. 398-399.

7. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Универсальная установка для исследования динамических свойств материалов с цилиндрическими магнитными доменами// ПТЭ.- 1985.- № 5,- С. 247-248.

8. Дикштейн И.Е., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г., Тарасенко

B.В. Определение констант анизотропии зпитаксиальных пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией методом фазовых переходов II Микроэлектроника. - 1984. Т. 13, вып. 4.-

C. 337-346.

9. Балбашов A.M., Лисовский Ф.В., Мансветова Е.Г. Свойства пленок ферритов-гранатов с (210)-ориентацией // Препринт N 25 (500).- М.: ИРЭ АН СССР, 1988.- 26 с.

10. Иванов Л.П., Логгинов A.C., Непокойчицкий Г.А. Экспериментальное обнаружение нового механизма движения доменных границ в сильных магнитных полях // ЖЭТФ.- 1983.- Т. 84, вып. 3.- С. 1006-1022.

11. Kleparski V.G., Pinter I, Zimmer G.J. Domain wall widening in high drive fields // IEEE Trans. Magn.- 1981.- Vol. MAG-17, N 6.- P. 2775-2777.

12. Колотов O.C., Погожев В.А. Импульсное перемагничивание пленок ферритов-гранатов // Вестник МГУ. Сер. 3, Физика, Астрономия.- 1991.- Т. 32, № 5.- С. 3-17.

13. Барьяхтар В.Г., Вайсман Ф.Л., Горобец Ю.И. Локальное перемагничивание изолированного полосового домена в пленках ферритов-гранатов // УФЖ.- 1984.- Т. 29, N 6.- С. 872-876.

14. Четкин М.В., Смирнов В.Б., Попков А.Ф., Парыгина И.В., Звездин А.К. , Гомонов C.B. Динамика кластеров вертикальных бло-ховских линий // ЖЭТФ.- 1988.- Т. 94, вып. 11.- С. 164-173.

/. / / # / / / / "" >/'*"! //] ц (,/ % ->• /

и./ # ^ / у

МОРДОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И ХИМИИ

На правах рукописи УДК 537.622

МОИСЕЕВ НИКОЛАЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР В ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ В ИМПУЛЬСНОМ

МАГНИТНОМ ПОЛЕ

(специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ • кандидат физико-математических наук, доцент М.В. Логунов

САРАНСК - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................:........................................................................4

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР............................................................11

1.1. Доменная структура в ферромагнетиках.....................................11

1.2. Методы наблюдения статических и динамических доменных структур.............................................................................19

1.3. Монокристаллические пленки ферритов-гранатов.....................24

1.4. Динамика доменных границ, полосовых доменов

и ЦМД в магнитных пленках.........................................................25

1.5. Доменные структуры в пленках ферритов-гранатов

и методы их формирования...........................................................34

1.6. Выводы и постановка задачи.........................................................51

Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ ............................................54

2.1. Методика исследования динамических свойств пленок ферритов-гранатов в импульсном магнитном поле................... .54

2.2. Формирование однородных и градиентных импульсных магнитных полей.............................................................................58

2.3. Статические параметры монокристаллических пленок ферритов-гранатов и методы их исследования.............................58

2.4. Измерение и расчет параметров анизотропии магнитооптических пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией............................................62

Глава 3. ДИНАМИКА ПОЛОСОВЫХ ДОМЕНОВ И ДОМЕННЫХ

ГРАНИЦ В ИМПУЛЬСНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ .................72

ЗЛ. Динамика доменных границ и полосовых доменов....................72

3.2. Скорость удлинения и изгибная неустойчивость

полосового домена..........................................................................76

3.3. Формирование массива прямолинейных полосовых

доменов...........................................................................................80

3.4. Динамика массива полосовых доменов в импульсном магнитном поле...............................................................................82

Глава 4. ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ ДОМЕННЫХ СТРУКТУР ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ .................................................................87

4.1. Формирование сотовой доменной структуры.............................87

4.2. Влияние температуры на процесс формирования

сотовой доменной структуры........................................................96

4.3. Условия формирования кольцевых доменов.............................100

4.4. Механизмы формирования кольцевых доменных

структур.........................................................................................107

4.5. Формирование спиральных доменов..........................................110

4.6. Равновесные размеры упорядоченных доменных

структур..........................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................119

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................121

ВВЕДЕНИЕ

Доменная структура и характер ее перестройки во внешнем магнитном поле важны для понимания физики магнитных явлений и определяют механизмы перемагничивания образцов, восприимчивость, динамические свойства и т.д. В последнее время интенсивно исследуются процессы упорядочения в доменной структуре магнитных пленок. Обнаружено формирование спиральных, кольцевых доменов, различных модификаций решеток цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и гантелевидных доменов [74,75,94,97], что дало новый импульс развитию физики доменных структур.

Подобного рода исследования, являются основой для создания разнообразных технических устройств. Например, кристаллы и пленки с гигантскими магнитооптическими эффектами нашли широкое применение в запоминающих и оптоэлектронных устройствах - модуляторах, дефлекторах, изоляторах, оптических процессорах [126]. Устойчивая работа таких приборов определяется в первую очередь возможностями управления параметрами доменных структур.

Объектами многих экспериментальных и теоретических исследований динамических свойств являлись доменные границы и ЦМД- Поведение полосовых доменов в импульсном поле изучено в меньшей степени, а динамика массива полосовых доменов изучалась лишь в единичных работах. В то же время полосовые домены являются основой спиральных, кольцевых и других доменных структур. Динамические свойства доменов в пленках ферритов-гранатов сложным образом зависят от магнитного поля, что связано как с динамическими преобразованиями структуры доменных границ, так и с комбинированным характером анизотропии пленок.

Наиболее полно теоретически и экспериментально изучены статические свойства упорядоченных доменных структур. Экспериментально исследованы условия образования структур в переменных и импульсных маг-

нитных полях. При проведении экспериментов регистрировали усредненный либо конечный (статический, после окончания импульса поля) вид доменной структуры; сведений об исследовании динамики процессов формирования упорядоченных структур очень мало [95,123]. В опубликованных работах различных авторов не приводились данные о динамических параметрах пленок (скорости, подвижности доменных границ, константе затухания), что не позволяет сделать однозначные выводы о связи наблюдавшихся явлений с параметрами магнетиков. Во многом это обусловлено отсутствием аппаратуры, позволяющей регистрировать, накапливать и обрабатывать большой массив данных фотографий динамических доменов. Немаловажно и то, что использование проекционной печати вносит заметные искажения в изображения доменов.

В большинстве работ для формирования доменных структур использовали переменное магнитное поле звуковых и ультразвуковых частот. Для формирования структур необходимы 102 - 104 периодов поля и структуры существовали только в динамике. В импульсном поле формирование структур возможно в результате приложения серии импульсов или даже единичного импульса, что значительно упрощает интерпретацию экспериментальных результатов.

Отметим отсутствие теоретических работ по исследованию динамики процессов формирования упорядоченных доменных структур.

Исходя из указанных выше проблем была определена цель работы: исследование закономерностей динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур в пленках ферритов-гранатов в импульсных магнитных полях. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие конкретные задачи:

1. Отработать методику исследования динамики доменных структур в' импульсных магнитных полях методом высокоскоростной фотографии с последующей компьютерной обработкой фотографий динамических доменов.

2. Разработать программу расчета параметров анизотропии как одного из основных факторов, определяющих свойства доменных структур, для . пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией .

3. Исследовать динамику расширения одиночных полосовых доменов и массива прямолинейных полосовых доменов в областях линейной и нелинейной динамики доменных границ.

4. Провести исследование закономерностей динамики формирования упорядоченных доменных структур в пленках ферритов-гранатов (сотовой, кольцевой, спиральной структур) в однородном импульсном магнитном поле.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. Отработана методика исследований динамических процессов формирования упорядоченных доменных структур в импульсном магнитном поле с помощью высокоскоростной фотографии с последующей компьютерной обработкой фотографий динамических доменов.

2. Установлены закономерности развития изгибной неустойчивости полосового домена в магнитных полях, соответствующих линейной динамике доменных границ.

3. Обнаружен и исследован механизм формирования сотовой доменной структуры в пленках ферритов-гранатов непосредственно из лабиринтной под действием серии импульсов магнитного поля. Установлено, что процесс зависит не от частоты следования импульсов, а от их числа.

4. Методом высокоскоростной фотографии установлены механизмы генерации кольцевых доменов и условия образования концентрических кольцевых структур в импульсном поле. Выявлена ключевая роль дефектов материала в данных процессах перестройки доменной структуры.

5. Исследовано влияние температуры, постоянных и импульсных магнитных полей на закономерности динамических процессов формирования

упорядоченных доменных структур. Показано, что формирование кольцевых и спиральных доменов возможно в магнитных полях, соответствующих линейной динамике доменных границ. Процессы сжатия/расширения доменов в упорядоченных структурах при изменении магнитного поля проходят с гистерезисом, причем ширина гистерезисной области по полю в несколько раз превышает коэрцитивную силу пленки.

6. Установлено, что зависимости равновесной ширины доменов в полосовой, спиральной, кольцевой структурах от поля смещения лежат на одной кривой, а период полосовой структуры существенно превышает период спиральной доменной структуры.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов перестройки доменной структуры пленок ферритов-гранатов при воздействии импульсных магнитных полей, приводящих к формированию сотовых, кольцевых, спиральных доменных структур, и могут быть использованы при проектировании доменных логических и оптоэлектронных устройств. Разработанная программа расчета параметров анизотропии для пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией на основе метода фазовых переходов позволяет оперативно получать информацию о параметрах одноосной, кубической, ромбической анизотропии пленок ферритов-гранатов.

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на XIV и XV Всероссийских школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1994; Москва, 1996), на международной научно-технической конференции' "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1997), на конференциях молодых ученых Мордовского госуниверситета им. Н.П.Огарева (Саранск, 1996; Саранск, 1997).

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы. Она содержит 138 страниц машинописного текста, включая 48 рисунков и 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 189 наименований.

В первой главе диссертации представлен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию доменной структуры в магнитных материалах. Дан краткий исторический очерк развития физики доменных структур. Приведена классификация видов доменных границ, описаны их основные параметры и характеристики. Проанализированы основные методы наблюдения и методы исследования доменных структур. Далее обзор построен на качественном сравнении процессов формирования различных доменных структур (полосовой, сотовой, спиральной, кольцевой доменных структур) в пленках ферритов-гранатов. Рассмотрены различные способы формирования доменных структур. В конце первой главы на основе проведенного литературного обзора определены цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена методам исследования динамических свойств магнитных пленок ферритов-гранатов, методикам измерения и расчета основных параметров феррогранатовых пленок. Динамические процессы в пленках изучали с помощью универсальной магнитооптической установки" [109], позволяющей проводить исследования методом высокоскоростной фотографии со временем экспозиции 5*10"9 с, пространственным разрешением до 0.3 мкм и фотоэлектрическим методом с временным разрешением до 10'9 с одновременно. Принцип работы установки основан на использовании эффекта Фарадея.

Метод высокоскоростной фотографии является наиболее информатив-• ным при изучении динамических процессов перестройки доменной структуры. В то же время он является весьма трудоемким, а использование проекционной печати приводит к геометрическим искажениям изображений. Суще-

ственной является проблема накопления и обработки информации, особенно при изучении неповторяющихся процессов. Поэтому установка дополнена видеокамерой для записи изображения динамических доменов и отработана методика компьютерной обработки большого количества экспериментальных данных. В результате наряду с решением проблемы накопления (на видеокассете размещается свыше 2*105 кадров) и обработки данных повышена общая чувствительность установки, снижены геометрические искажения до 1% благодаря использованию видеокамеры на матрицах ПЗС. За счет автономного источника питания видеокамеры уменьшены на порядок помехи на изображении, возникающие из-за работы импульсного лазера.

Важным параметром пленок ферритов-гранатов является анизотропия. Для определения параметров анизотропии пленок с ориентацией (111), (110) и (210) использовали метод ориентационных фазовых переходов [49]. Ори-ентационные зависимости полей фазовых переходов описываются сложными уравнениями, что весьма затрудняет процедуру расчета констант анизотропии. Для поиска нужного решения была составлена программа с разветвленным алгоритмом расчета и сравнения данных. С помощью программы осуществляется перебор вариантов решений (двумя способами определяется константа кубической анизотропии по третьей и четвертой гармонике, в зависимости от значения фактора качества материала расчет осуществляется по различным формулам), и выбирается вариант, для которого наблюдается наименьшее расхождение между экспериментальными и рассчитанными зависимостями.

В третьей главе диссертации изложены результаты исследования динамики полосовых доменов и доменных границ в импульсном магнитном поле как в области линейной, так и нелинейной динамики доменных границ. Определены величины критических скоростей и скоростей насыщения для пленок ферритов-гранатов с различной кристаллографической ориентацией и широким диапазоном изменения основных параметров. Исследован про-

цесс удлинения полосового домена, установлены закономерности развития изгибной неустойчивости полосового домена в малых полях. Описана методика формирования массива прямолинейных полосовых доменов, исследованы особенности его динамики в сопоставлении с параллельно изучавшейся динамикой доменных границ в пленках ферритов-гранатов.

Четвертая глава посвящена исследованию механизмов формирования упорядоченных доменных структур (сотовой, кольцевой, спиральной) при воздействии на образец одиночного импульса или серии импульсов магнитного поля. Рассмотрены следующие процессы формирования структур: сотовой доменной структуры непосредственно из лабиринтной, кольцевых структур из лабиринтной и из решетки ЦМД, спиральных доменов при размагничивании из насыщенного состояния, из лабиринтной структуры и из решетки ЦМД. Определены области формирования и области устойчивости доменных структур, закономерности динамических процессов их формирования. Показано, что сжатие/расширение доменов в структурах при изменении магнитного поля происходит с гистерезисом, причем ширина гистере-зисной области по полю в несколько раз превышает коэрцитивную силу пленки. Выявлена ключевая роль дефектов материала в формировании кольцевых доменов.

Завершается диссертация кратким изложением основных полученных в работе результатов и списком литературы.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Доменная структура в ферромагнетиках

Краткий исторический очерк Начало интенсивных исследований в области физики доменных структур [15,56,116,124,138] можно отнести к началу 20-го столетия. В 1907 г. Вейсс излагает первую современную теорию ферромагнетизма, основанную на гипотезах о существовании молекулярного поля. Наличие молекулярного поля приводит к появлению спонтанной намагниченности у ферромагнетика и разбиению его на домены, каждый из которых намагничен до насыщения.

Данная концепция магнитных доменов не была принята экспериментаторами до тех пор, пока в 1919 г. не появилась статья Баркгаузена, в которой было показано, что намагниченность может изменяться резкими скачками -явление, известное теперь под названием эффекта Баркгаузена. Считалось, что размагниченное состояние представляет собой структуру из хаотически расположенных очень малых областей (доменов) внутри материала, а вызываемое внешним полем намагничивание приводит к образованию вытянутых вдоль поля цепочек (ните