Исследование импульсного перемагничивания монокристаллов бората железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ММКОВСШГОРДЕНА''1)1Е1и1|А^РДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На птзавах рукописи УДК 538.23/537.62

КИЛ Ен Хен

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ПЕРЕМАГНИЧИВАНКЯ МОНОКРШТАЛЛОВ БОРАТА дЕЛЕЗА

01.04.11 - физика магнитных явлений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москез - 1992

Работа выполнена на кафедре общей физики.для физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник О.С.Колотов.•

Официальные оппоненты- доктор физико-математических наук,

на заседании Специализированного Совета >"3 Отделения физики твердого тела / К 053.05.77 / в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские гори, (ЛГУ, физический факультет, ауд.

ведущий научный сотрудник Е.Е.Шалыгйна,

кандидат физико-математических наук, старший „научный сотрудник А.Г.Темиряэев /Институт радиоэлектроники РАН/.

Ведущая организация - Институт общей и ядерной физики

Российского научного центра "Курчатовский институт", г. Москва.

Защита состоится "2ч " дгШУРЛ 19э<?г. в 12_ часов

факул

Ученый секретарь Специализированного

Совета 1ГЗ ОфГТ / К 053.05.77 /

1

кандидат физико-математических наук, старший научный сотруд;

Г

Т.У.Козлова

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем". Известно, что режим импульсного перемагничивания магнетиков широко используется в технике для формирования импульсов тока, формирования мощных релятивистских пучков электронов в линейных ускорителях, в оптических модуляторах и т.д. В частности, исследуемые в данной работе монокристаллы бората железа успешно используются в скоростных моду.лторах мессбауэровского ^"-излучения. Уместно говорить о становлении самостоятельной отрасли современной техники - магнитной импульсной техники. Естественно, что эта отрасль нуждается в научной базе в виде соответствующего раздела магнетодинамики, посвяшен-ного физике импульсного перемагничивания магнитных материалов.

Цель работы. Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование 180°-ного импульсного перемагничивания монокристаллов бората .железа. Главное внимание уделялось изучению влияния магнитоупругого взаимодействия, исследованию вклада связанных с ним ударных магнитоупругих колебаний в облдай^изме-нения намагниченности, пслучешпо более достоверных сведений о временных свойствах бората железа, получению информации о механизмах импульсного перемагничивания и, прежде всего, исследованию роли механизмов, связанных с движением динамических доменных границ.

Научная новизна.- В результате проведенного систематического исследования временных свойств и интегральных импульсных характеристик монокристаллов бората железа показано, что максимальное время 180°-ного'импульсного перемагничивания в минимальном поле Нгр, при котором еще возможен этот процесс, не превы-иает 25-60 не, что от одного до трех порядков меньше времени пе-

ремагшгчивания известных магнетиков. Установлено, что вклад стадии магнитоупругих колебаний в общее изменение намагниченности достигает 18% в поле Нгр и монотонно стремится .к нулю при повышении амплитуды перемагничивагацего по.гся до 12-16 Э. Найдено, ' что внутреннее действующее поле на начальной стадии перемагничи-вання ускоряет изменение намагниченности, а затем тормозит его. Установлена корреляция между внутренним действующим полем и интенсивностью магнитоупругих колебаний. Показано, что излом кривой импульсного поремагничнвания монокристаллов бората железа связан с уменьшением потерь энергии в магнонной системе. Установлено, что импульсное перемагничивание боратов железа в основном происходит разносторонним вращением локальных векторов намагниченности. Впервые исследовано движение динамических доменных границ, окружахщих зародыши обратной намагниченности.

Практическая ценность-работы. Результаты представляют интерес для разработчиков импульсных устройств на монокристаллах бората :?.елеза, например, модуляторов мессбауэровского "У -излучения. Они могут служить основой для построения теории импульсного перемагничиванил магнитных материалов.

Научные положения, выносимые на затиту:

.1. Ш1фокополосная линия задержки на коаксиальном кабеле, охлаждаемом жидким азотом, впервые использованная в практике исследования переходных процессов в магнетиках.

2. Результаты исследования ударных магнитоупругих колеба- •

ний.

3. Установление взаимосвязи излома кривой импульсного пере-магнлчивапия бората железа с уменьшением потерь на всзбуздение ударных магнитоупругих колебаний.

-54. Результаты исследования двшсения динамических домешых границ, окружающих зародыши обратной намагниченности, возникающие в процессе импульсного перемагничивания.

Аггообапия работц. Материалы диссертации докладывались на XII Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микоо-электройики" /Новгород, 1990/, Х111 Всесоюзной школе-семккаре "Новые магнитные материал микроэлектроники" /Астрахань, 1992/ и опубликованы в лвух публикациях, перечень которых приведен в конце.автореферата. .

Структура и объйм диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 160 отраниц машинописного текста, включая 59 рисунков и 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель диссертационной работы, кратко изложено ее основное содержание по отдельным главам и представлены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе по литературным данным освещается современное состояние проблемы импульсного перемагничивания..Очерчен круг основных вопросов, решаемых при исследовании импульсного перемагничивания. Рассмотрены основные этапы в становлении специального раздела магнетодинамики, посвященного физике импульсного перемагничивания, а также достижения в развитии экспериментальных методов исследования. В связи с тем, что импульсному перемагничиванию бората железа посвящено очень мало работ, для обобщения и использования ранее накопленного опыта

кратко анализируются результаты исследования наиболее интенсивно изучавшихся магнитных материалов: железо-никелевых пленок, пленок ферритов-гранатов, магнитомягких аморфных пленок. Расст матривавтся Физические свойства бората железа, оказывающие влияние на протекание импульсного перемагничивания, а также на возможность использования тех или иных методов исследопния. Обсуждаются результаты исследования динамических свойств бората железа. Отмечается, в частности, что в опубчикованкых ранее нескольких работах, посвященных непосредственно импульсному пере-магничиванив бората железа, содержатся лишь -бщие сведения о временных свойствах этого материала для основных режимов импульсного намагничивания и перемагничивания без исследования связанных с ними принципиальных физических вопросов. В заключительном параграфе первой главы дана развернутая постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальным методам исследования. Значительное внимание уделяется обеспечению требуемой точности исследования временных свойств. Для формирования крутых перепадов магнитного поля, инициирующих исследуемый процесс импульсного перемагничиван'.ш, использован генератор импульсов тока на электромеханическом ртутном реле. Чтобы обеспечить жесткую синхронизацию перемагничивающих импульсов с системой регистрации сигнала перемагничивания без существенных потерь во временном разрешении установки для компенсации мертвого времени системы регистрации.впервые в практике исследования переходных процессов в магнетиках применена широкополосная линия на коаксиальном кабеле , охлаждаемом жидким азотом. Использовались две индукционные установки. Одна из них полностью разработана автором на базе электромеханического ртутного реле и использовалась для

прецизионного измерения времени пепемагничивания. Она характеризуется следующими данными: максимальная амплитуда перемагничива-ющих и.шульсов 13 Э, длительность нарастания их Трента 4: 0,5 не, собственное врет нарастания канала регистрации /вклкчач упомя-.нутую линию задержки/ - 0,4 не.

При изучении магнитоупругих колебании и изучении внутреннего действующего поля использовалась установка, ранее эксплуатировавшаяся в на^еи лаборатории. В ней длительность Фронта импуга-сов достигала 1-3 не.. Зато ¡мелась возможность варьирования длительности фронта /до 20;-30 не/ и получения двухступенчатых импульсов. И, наконец, для комялексного исследования импульсного перемагничивания разработана универсальная стробоскопическая магнитооптическая установка, позволяющая наблюдать динамические домены и исследовать поведение средней намагниченности, отличающаяся от известных ранее оригинальной конструкцией поремагничи-ващэго устройства, позволяющего исследовать монокристаллы бората железа, а также применением в канале регистрации магнитооптического и индукционного сигналов упомянутой выше линии задержки. Универсальная магнитооптическая установка характеризуется следующими параметрами: длительность светового импульса ^ 0,5 не, периодическая нестабильность его появления во времени < 0,2 но, амплитуда перемагяичиващих импульсов 12 Э, длительность •фронта перемагничивающих импульсов 3,3 не, собственное время нарастания канала регистрации сигнала 0,4 не, пространственное разрешение ~ 2 мкм.

В конце второй главы приводятся сведения об исследуемых монокристаллах бората железа. Образцы имели форму неправильных многоугольников с поперечнк.и размерами от 3 до В мм. Исследовалось шесть образцов, отличатихся друг от друга толщиной /от 24 до

-8110 мкг,»/ и значенном граничного поля Нг/>/от 1,3 до 2,1 Э/, при котором достигается состояние технического насыщечгл и которое определяет шгхний предел полей, при котором происходит перемаг-ничиванпе.

В третьей главе обсуждаются результаты исследования. Впервые проведено изучение ударных магнитоупругих колебаний, сопровождает« основ^-ую стадию 180°-ного импульсного перемагничивания. Исследования проводились путем анализа продольного индукционного сигнала. 11а этом сигнале вслед за начальной частью дчи-—8 —9

телыюстыо 10 - 10 с, на которую приходится большая доля общего изменения магнитного потока, наблюдаются затухающие колебания напряжения сигнала с. периодом 12-50 не. Дополнительные исследования показали, что период этих колебашШ зависит от внешнего поля и прямо пропорционален толщине монокристалла. Эти дшь 1ше свидетельствуют о том, что рассматриваемые периодические измене, шя ЭДС сигнала отражают изменения намагниченности, связанные с ударным возбуздонием магнитоакустических колебаний, причем для основной гармоники колебаний на толщину образца приходится половина акустической волны. Волна деформации решетки является сдвиговой, поперечной и распространяется в направлении [111] . Ыагнитоупрутие колебания регистрировать и ■чЗннгаометри-ческим методом.

За меру интенсивности магнитоупругих колебаний принималось максимальное значение А-, напряжения индукционного сигн^^а на отрезке времени, приходящемся на первый период индукционного сиг-: нала. Путем графического интегрирования исследовался вклад стадии импульсного перемагничивания, связанной с магнитоупругими колебаниями,- в общее изменение потока индукгаи. Установлено, что этот вклад не.превышает 18« при граничном поле Нг? и стремится .

к нулю при амплитуде псремагничивавщего импульса ~ 12-16 Э.

Установлено, что с уваи.чением амплитуды перемагничиващбго поля амплитуда А^ колебаний сначала-растет, достигает максимального значения в поле Нп ы 3-4,5 Э и затем уменьшается. Такой характер обсу-хдаемои зависимости объясняется влиянием следующих факторов. Предде всего, с ростом поля /^возрастает излишек экер гии / Z'Mj'H,] /, приобретаемы.! магнонной системой монокристалла от внешнего поля. Зто /при неизменном характере взаимодействия магнонной и rJoHOHHOú систем гонокристаляа/ долгено приводить к росту амплитуды колсбашнГк'онсталлическ.ой реаотки, возбуздасмых начальным - основным изменением намагниченности, и, следовательно, амплитуды связанных с ними колебаний намагниченности. Далее, с ростом внешнего поля Hf¡ усиливается его ориентирующее влияние в системе магнопов, что при прочих равных условиях должно проявляться в уменьшении амплитуды колебаний. Наконец, с изменением поля Н/7 момет изменяться характер магнитоупругого взаимодействия.

Наиболее сильным фактором, влияючим на характер магнитоуп-рутого взаимодействия и в то rice время зависящим от амплитуды пе-ремагничивающего импульса, является длительность основной стадии перемагничиваиия. Проведено исследование зависимости амплитуды колебаний от длительности основной стадии. Выяснено, что эта зависимость характеризуется наличием максимума. Значение длительности основной стаг; :и, при которой наблюдается максимум колебаний, слабо зависит от толщины монокристалла и близко к 12-16 не. При длительностях, меньших 12-16 не, наблюдается снижение эффективности передачи энергии магнонной системы в фононную на основной стадии перемагничиваиия, что объясняется в работе отставани-■ ч фононпой системы монокристалла от магнонной.

-10В работе проведено систематическое исследование временных свойств и основных импульсных характеристик в режиме 180"-ного 1ыпульсного перемагничивания. Установлено, что максимальное время перемагничивания, достигаемое в поле Н/т> не превышает 25-60 не /в зависимости от используемого определения времени пере-магнкчавашш/. Найдено, что параметры кривой импульсного пере-магш!ЧПБан;и слабо зависят от толщины монокристалла. Обнаружено,* что поле, при котором наблюдается излом кривой импульсного пере-магкичивапня, совпадает с полем, при котором амплитуда колеба-1;;ь. максп.;альна. Из этого следует, что излом кривой импульсного перомагничивания связан с уменьшением потерь энергии в магнон-но;; системе, затрачиваемых на основной стадии изменения намагниченности на возбуждение магнитоупругих колебаний.

Дчя получения дополнительной информации о природе механизмов импульсного .перемагнгчивашш и характере магнитоупругого вза'-.'оделствня исследуется внутреннее действующее поле, регулируемое поведение намагниченности в процессе перемагничивания. Дтл измерения .внутреннего делствук-его поля используется метод • двухступенчатых зп.шульсов, ранее развитии в напей лаборатории для изучения природы импульсного перемагничивания тонких магнитны,; пленок и гарр;:товнх тороидов. Обсувдается зависимость внутреннего действующего поля от времени. Анализ полученных результатов показал, что основной вклад в это поле вносит эффективное поле магнитоупругого взаимодействия. Ксследается связь^лезду внутренним де;!ствуи!!1ш полем и интенсивностью магнитоупругих колебаний. Получены дополнительные данные, свидетельствующие о ' том, что в.поле, близком к полю излома кривой, импульсного пере- • кагничиЕанкя, уменьшается эффективность передачи энергии из маг-нониой систем; Монокристалла в фононную.' • .•

Далее в третьей главе обсуждаются результаты попыток по на-блвдешпо динамических доменов, возникающих при импульсном пере-магничивании монокристаллов бората железа. Эти попытки предприняты в работе впервые. Установлено, что во всем исследованном интервале амплитуд перемагничивапцих импульсов изменение намагниченности в однородных монокристаллах и в большей части поверхности неоднородных монокристаллов воспринимается с помощью стробоскопической магнитооптической установки как постепенное во времени и. равномерное по поверхности образца потемнение /или просветление/ магнитооптического изображения монокристалла. Простейшее объяснение этому факту может быть дано в рамках модели разностороннего неоднородного вращения намагниченности. В пользу этого также свидетельствуют и следукшие факты: 1/. малое значение, эффективного поля анизотропии в плоскости пленки /•£ 0,01 Э/; 2/. малая продолжительность основной стадии /< 20-30 не в поло Нц - Игр /; 3/. характер поведения внутреннего действующего поля, и 4/. равенство нулю ЭДС поперечного сигнала перемагничивания.

. Наддено, что'формирование зародышей обратной намагниченности и последующее движение окружающих их доменных границ имеет место только в отдельных участках неоднородш« образцов при ачп-литудв/перемагничивающих импульсов,: меньших поля излома кривой импульсного перемагничивания. В больших полях перемагничиваше осуществляется путем вращения намагниченности. В диссертации впервые исследовано движение динамических доменов, возникающих .в процессе' импульсного перемагничивания. Полученные-результаты сравниваются с ранее известными данными, полученными в группе М.В. Четккна при исследовагаш движения квазиравновесных границ, которые формировались/за долго до подачи импульса магнитного

поля, инициирующего их движение/ путем сжатия монокристалла и наложения на него градиента магнитного поля.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые в практике исследования.переходных процессов для компенсации мертвого времени стробоскопических осциллографов и обеспечения их жесткой синхронизации с источниками перемагничи-вающих импульсов в индукционных установках и импульсными источниками света в магнитооптических установках без существенных потерь широкополосности канала регистрации сигнала перемагничивания применены линии задержки на отрезках коаксиального кабеля, охлаждаемых жидки;., азотом.

2. Впервые проведено систематическое исследование временных свойств и интегральных импульсных характеристик монокристаллов бората железа практически во всем возможном интервале амплитуд перемагничивающих импульсов. Показано, что максимальное время 1800-ного импульсного перемагничивания монокристаллов бората железа в минимальном поле Нг/> . при котором еще возможно перемаг-ничивание, не превышает 25-60 не /в зависимости от используемого определения времени перемагничивания/, что от одного до трех порядков меньше, чем время перемагничивания других известных магнетиков. Установлено, что параметры кривой импульсного перемагничивания слабо зависят от толщины монокристаллов.

3.- Впервые проведено исследование ударных магнитоупругих колебаний, возбуждаемых в процессе 180*-ного импульсного перемагничивания монокристаллов бората железа. Установлено, что вклад стад;;:! магнитоупругих колебаний в общее изменение намагниченное-

ти достигает 15-18$ в поле Нгр и монотонно стремится к нулю при повышении амплитуды перемагничиваюдего поля Нгг до 12-16 Э. С увеличением амплитуды поля амплитуда колебаний растет, достигает максимума в поле Нп» 3-4 ,5 Э, а затем уменьшается. Показано, что подобный вид зависимости амплитуды колебаний от поля Нп во многом объясняется изменением характера магнитоупругого взаимодействия, обусловленным, в частности, отставанием фононнол сис-темя монокристалла от магнонной при уменьшении продолжительности основной стадии изменения намагниченности до значений, меньших 12-15 не, что сопровождается снижением эффективности передачи энергии магнонной системы в фононную.

4. Найдено, что в отличие от-других магнетиков внутреннее действующее поле на начальной стадии перемаишчивания монокристаллов бората железа ускоряет изменение намагничэнности, а затем тормозит его. Результаты анализа временной зависимости внутреннего действующего поля свидетельствуют о том, что основной вклад в это 'поле вносит эффективное поле магнитоупругого взат.ю-действия. Установлена корреляция между внутренним действующим полем и интенсивностью магнитоупругих колебаний. В частности, получены дополнительные данные, свидетельствующие о том, что в поле Н/7<> 3-4,5 Э уменьшается эффективность передачи энергии из магнонной системы монокристалла в фононную.

5. Показано, что иалом кривой импульсного перемагничивания монокристаллов бората железа, сопровождаемый резким /до 5-8 раз/ уменьшением коэффициента переключения, связан с уменьшением потерь энергии в магнонной системе, затрачиваемой на основной стадии изменения намагниченности на возбуждение магнитоупругих к"-

лебанйи.

.6. Установлено, что при импульсном перемагничпванпм доста-

точно однородных монокристаллов бората железа вклад механизмов перемагничивания, связашшх с движением доменных границ, незначителен. Собраны и проанализированны экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что импульсное перемагничивание бора-

железа в основном происходит разносторонним вращением локальных векторов намагниченности.

7. Впервые исследовано движение динамических доменных границ, окружающих зародыши обратной намагниченности, возникающие в процессе импульсного перемагничивания монокристаллов бората железа с локальными неоднородностями. Установлено, что кривая, представляющая зависимость скорости движения динамических доменных границ от амплитуды поля, в целом имеет тот же вид, что и для ранее изученного случая движения квазиравновесных границ. В частности, на к/чшол выявляются участки о отрицательным зна- • чением подвижности при скорости движения доменных границ, соответственно близких к скоростям звуковых волн Лэмба, поверхностных волн и поперечных волн. Обнаружены и особенности. Одна из них связана с тем, что в слабых полях динамические зародыши не являются сквозными, движение границ сопровождается увеличением 1« общей площади и суммарной энергии и поэтому значение начальной подвижности может быть меньшим значения средне;! подвижности .в. больших полях. Другая обусловлена тем, что из-за конкурирующего действия механизма перемагничивания,' связанного с вращением намагниченности, не достигается предельное значение скорости движения динамической 'границы.

Результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Ишков А,Б., Кашшщев A.C., Ким Ен Хен, Колотов О.С., По-гожев В.А. Некоторые вопросы методики исследования переходных процессов в магнитных пленках и пластинах. // Тез. докладов XII Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". Новгород. - 1990. - С.192-193.

2. Ким Ен Хен, Колотов О.С., Погожев В.А. Магнитные колебания при импульсном перемагничивании монокристаллов бората железа. // Тез. докладов Xlil Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материала микроэлектроники", ч. 1. - Астрахань. - 199?. -С.182-183.