Исследование магнитных свойств ферритгранатовых пленок применительно к разработке новых методов регистрации магнитных микронеоднородностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ ЛОДЕНИЯ НШ УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ШИКИ МЕТАЛЛОВ

На правах рукопиои

ГОБОВ Юрт Леонидович

и--—— -----

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЖГЕ'.!Х СВОЙСТВ ФЕРРИТГРАНАТСВЫХ 1ШЕН0К ШМЫНИТЕШО К РАЗРАБОТКЕ НОВЫХ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ МАГНИТНЫХ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТЕЙ

OI.U4.II - физика магнитных явление

Автореферат

диссертации на соискание ученое этепени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1995

Работа выполнена в лаборатории электромагнетизма Института физики металлов УрО 1лН.

Научный руководитель доктор технических наук

Г.С.Кораунин

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

Ю.И. Янышев

кандидат физ.-мат. наук Ь.Й.Береснев

*

Ведущая организация - Уральский государственной

университет им. А.М.Горького

¡Защита состоится "_" _ 1995 года

в _ часов на заседании диссертационного совета

Д IXK.U3.U1 в Институте физийи металлов УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСИ-170, ул. С.Ковалевской, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инст! тута физики металлов УрО РАН.

Автореферат разослан "_м__ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор Физ.-ыат. наук 77/7/О.Д.Шашпав

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Современное развитие систем магнитной памяти в направлении повышения поверхностной плотности записи, скорости передачи данных и стоимостных показателей характеризуется возрастанием требований к запоминающей магнитной среде. При этсм основное внимание уделяется повышению допустимой плотности записи информации, в частности, получению малого по сравнению с шощадьэ бита размера микронеоднородности, низкого уровня микродефектности. Разработка новых методов определения параметров магнитных неоднородностей с микронной разрешающей способностью является актуальной задачей с точки зрения реаення задач контроля запоминающей среды. С другой стороны,-бит информации, записанный на магнитный носитель, мохно рассматривать как магнитную неоднородность, поэтому, при определенных условиях," такие, методы могут быть использованы для считывания информации.

. Феррит гранатовые пленки, используеше в запоминающих згс-тройствах на цилиндрических магнитных доменах (1Щ). являются одним из объектов, требующих контроля микрокеоднородности его свойств. Крогз использования в запоминала;кх устройствах на ЩД такие пленки нашли широкое применение з СВЧ-технгке и магнитооптике. Таким образом, исследование магнктках свойств ферритгранатовых шгекок актуально такта и в связи с их широким использованием в современной технике.

Цель и задачи исследования. Целью диссзртапионой работы являлась разработка новых кетодов регистр'апзи магнитных микронеоднородностей. Для достияения цели были поставлены . следующие конкретные задачи.

1. Исследовать возможность существования стабильных доменных структур, локализованных волпзи дефектов ЩЦ содержащей пленки и определить условия формирования структур такого рода.

2. Исследовать возможность использования для регистрация магнитных неоднородностей ферромагнитный резонанс (ФМР), аналогично тому как используется ядерный мапниныЛ резонанс в ЯМР-томографии и определить влияние спиновых волн на раз-

3

решающую способность "ФМВ-томографии".

Научцад новизна. В работе получен ряд новых результатов.

I. Впервые описаны стабильные локальные доменные структуры наблвдаеыые в ЩД содержащих пленках и образующиеся • вбльой дефектов в импульсном магнитном поле. Определен интервал стабильности локальных доменных структур.

2 • На основе-полученных закономерностей формирования стабильных локальных доменных структур рагработан метод дефектоскопии ЩЦ содержащих опенок, отличающийся эффективностью и простотой технической реализации.

3. Предложен механизм формирования спирального домена в квазистатическом магнитном поле. В рамках предложенного механизма вычислен интервал полей, в котором образуется спиральные домены. Показана связь величины этого интервала с параметрами пленки - ее толщиной, намагниченностью насыщения« характеристической длиной и коэрцитивной силой.

4. Показана возможность использования методов, применяемых в ЯМР-томографя1* для ФМР в тонких пленках. Отличительной особенностью "ФМР-томографии" является возбуждение обменно-дипольных спиновых волн в неоднородном магнитном поле, что существенно сказывается на разрешающей способности.

5. Разработан новый метод регистрации локальных магниг-- ных полей с микронным периодом пространственной неоднородности. Экспериментально и'теоретически показана зависимость разрешающей способности метода от толпггаы используемой пденка

¡6. Получены выражении позволяющие определить разрешающую способность и быстродействие метода в зависимости от толщины используемой пленки и геометрии магнитных полей.

Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты по стабильным локальным доменным структурам могут быть использованы для создания различных магнитооптических устройств (например, транспарантов или принтеров). Кроме того, разработанная установка для зарождения на дефектах локальных доменных структур кокет использоваться для выявления микродефектов в 1Щ содержащей пленке.

Новый метод регистрации магнитных полей в микронном диапазоне пространственных периодов неоднородное!и также

может быть использован для минродефектоскошш магнитных носителей информации. Но наиболее актуальным применением нового метода может быть его использование для разработки новых типов головок считывания информации. Существенным проимуцествомтаклх головок перед традиционными (например индукционными) является отсутствие механических перемещений при считыванйи информации к чувствительность к градиенту магнитного поля, а не к его абсолютному значение.

Апробация ЬабОгы. Материалы диссертации докладывались на II Всесоюзной научно-технической конференции "Контроль и диагностика общей техники" (Москва, 1989 г.), Ш Всесоюзной научно-технической конференции "Проблеад магнитных измерений я магнигоизмеригельной аппаратур»" (Ленинград, 1989 г.), III Национальной конференции "Диагностика машин и. сооружений и неразрушапвдй контроль материалов" (Варна, 1991 г.), УШ Научно-технической конференции "Не'рэзрушалцие физические методы и средства контроля" (Санкт-Петербург, 1993 г.), Х1У Школе-семинарз "Новые магнитные материала микроэлектроники" (Москва, IS94 г..) и опубликованы в печатных работах /1-9/.

Структура и обьем работа. Диссертация состоят из введения, трех глав, эахлетенкя- и библиографии. Она ¿одержит 105 страниц основного текста, I таблицу, 28 рисунков и 101 библиографическую ссылку.'

ССЩЕВШШЕ РАБОТЫ '

Первая глава является литературным-обзором, готорыЛ состоит из шести частей.

В первой части рассмотрены основные свойства и области применения ферритгранатовых пленок.

Вторая, третья и четвертая части литературного обзора посвящены, доменной структуре в 1Щ содержащих пленках феррит-гранатов. Особое внимание уделено изгибкой неустсйадзости полосовых доменоь.

Пятая часть литературного обзора посвящена высокочастотным свойствам ферргггракатових плзнок. Приведены законн дис-

Персии для обменных спиновых волн и для трех тушов магний-статических волн. Особое внимание уделено зарождению спиновых волн в неоднородном постоянном магнитном поле.

В шестой части литературного обзора описаны метс-лы выявления дефектов применяемые для контроля ЦВД содержащих пленок, Кроме того, в этой же части дается описание основных принципов, применяемых в ЯМР-томографии. ЯМР-томографию можно рассматривать как метод вк шения магнитных неодклродностей, поэтому ее описание приведено наряду сдругими методами в'.'яв-ления дефектов.

Яр второй главе исследуются свойства стабильных локальных доменных структур в 1ВД содержащих пленках. Описана установка позволяющая создавать перпендикулярно плоскости пленки постоянное магнитное поле и антипараллельное ему импульсное магнитное поле. Образующиеся после окончания импульса доменные структуры в ферритгранатовой пленке можно наблюдать с помощью поляризационного микроскопа.

Если до нача-ч импульса пленка нахоллтся в насыщенном ' состоянии, то образование доменной структуры в импульсном магнитном поле начинается на дефектах пленки. Как показано в диссертационной работе, образующаяся после окончания импульса локальные доменные структуры могут быть стабильными если постоянное поле выбирается в определенном интеръиле вблизи полл эллиптпческо." неустойчивости 1Щ. Типичные виды с-^бильных локальных доменных структур, образующихся при различных параметрах магнитных полей приведены на рис.

При малых амплитудах импульса доменная структура зарождается на наиболее "сильных" дефектах. При увеличении амплитуды импульса начинают выявляться более "слабые" дефекты. На "сильных" дефектах при малых амплитудах импульса могут образовываться доменные структуры в форме спирали (рис. Ц ). В отличии от ветвящихся доменных структур (рис. / ~ 3 ), размер которых определяется длительностью и амплитудой импульса, спиральные домены формируются после окончания им-' пульса, поэтому размер спирали определяется величиной постоянного поля. Импульсное поле нужно только для образования

Рте. I. Вид стабильной доменной струкгури вблиаи центра заро-дашеоОраэования при различных значениях постоянного поля Н* : а - 95 Э; б - 94; в - 93; г - 92; д - 91; е - 90; х - 89; а - 8В. Амплитуде чмщм.^сного поля Ни= 236 и, длительность импульса - 3,4 мкс.

Ь-.о. 2. Заьксииость вида лекальной доменной структуры от дииьльвостн шнульса: а - 1,7 икс; б .- 3,4; в - 5,1; г - 6,в. Яи- 2.'« О, 93 Э.

а - щ Ф т

ш ^

ч- » п

т. т

Рис. 3. Выявление центров зародышеобразования при изменении амплитуда импульс ого поля Ни : а - 220 Э; б - 410; в - 505; г - 520; д - 630. 93 Э, длигэльность импульса - 2,0 мко.

Рис. 4. Спиральные домеш а) Н4= 89 Э; б) Н»= 88 а.

Рис. 5. Область стабильного существования спиральных домен« ( Л - градиент кагнктостатичесшзго поля на границе спирал: ноге, ломака) и заьисшость расстояния мсгвду доменами ( от м.еаниго постоянного магнитного поля С & = Не )

первого витка спирали.

В работе предложен механизм, позволяющий объяснить' формирование спирального домена в квазастатическом режиме различием полей роста полосовых доменов с плоскими и изог- ■ нутыми доменными границами. Преобразование доменной границы из плоской в изогнутую происходит на определенном расстоянии мевду доменами в зависимости от величины градиента маг-нитостатического поля на доменных границах, источником которого является наличие близлежащих доменов. При определенных условиях в заданном постоянном магнитном пола на определенном расстоянии от соседнего домена возникает магнитол статический "канал", вдоль которого происходит удлинение полосового домена. Вне этого "канала"' доменные границы полосового домена становятся изогнутыми и его рост прекращается.

На рис. 5а приведены зависимости градиента магнитоста-тического поля на доменной границе от поля, при котором начинается изгибная неустойчивость доменных границ. Верхняя кривая построена для полосового домена, двигающегося внутри "канала", а нижняя для домена вдали от этого "канала". Область, в которой возможно формирование спиральных доменов, заключена между этими кривыми. Из рис. 56 можно определить расстояние мевду витками спирали. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии с данными полученными в эксперименте.

В третьей главе исследуются высокочастотные свойства пленок незамещенного железоиттриевого граната (ЖИГ). Такие пленки обладают рекордно низкой шириной линии 4МР ( А Н я 0,2 Э ). Основной целью проводимых исследований являлось выяснение возможностей перенесения идей, используемых в ЯМР-томографии на ШР.

ШР-томография-это метод получения информации о внутреннем строении неоднородного по составу объекта. Для получения такой информации исследуемый обьект помещают в неоднородное магнитное поле ( Г ) с постоянным градиентом (»« = V Не(Г*) и величину И«() изменяют таким образом, чтобы в переменном поле Па< заданной частоты магнитный резонанс возникал в различных пространственных сечениях тела. Затем проводится

анализ спектров ЯМР от элементов объема тела и на основе . такого анализа получают информацию о его внутреннем строении. Ухо оказывается возможным потому, что амплитуда сигнала ЯМР зависит от свойств исследуемого' объекта в выделенной области и от градиента магнитного поля С0. Поскольку градиент поля выбирается постоянным, то амплитуда сигнала ЯМР становится чувствительной только к неоднородностям исследуемого объекта.

Наиболее важным для дальнейшего является то. что в общем случае метод ШР-томографии оказывается чувствительным как к свойствам материала, так и к градиенту магнитного поля. Последнее обстоятельство дает принципиальную возможность использовать его для разработки датчиков, рег истрирующих пространственное распределение магнитного поля. На рис. 6 приведена схема, поясняющая принцип дейст! я такого датчика. Рабочее вещество помещено в поле смещения с постоянным градиентом //«. Н»(0 + Кроме того, на датчик действует до-

полнительное локальное поле Ну ( ? )• создаваемое, например, какшл-либо магнитным веществом, расположенным вблизи датчика. На рис. 6 £ приведены зависимости результирующего поля, действующего на датчик в различные моменты времени. В тан-м случае в различных сечениях датчика по мере изменения //. ) градиент .»оля не будет оставаться постоянным и равным £г„ , а будет отличаться от него на величину градиента исследуемого поля. Тем самым ш можем определять неоднородность магнитного поля аналогично тому, как определяется неоднородность исследуемого обьекта в КМР-тсмо-х'ра^ии.

¿■^решающая способность. 5 такого метода б случае использования ШР ограничена, в принципе, лишь достижимой на практике величиной градиента С. и естественной шириной линии А Н магнитного резонанса, а именно 5~лИ/Се • На .практике, однако, разрешающая способность ограничена низкой чувствительностью 1¡.Ч Р-с п е ктр ос копии. Высокая чувствительность ФМР-спсмроскопш'. 11й будет ограничивать разрешающую способность, чо шарика лунки ШР значительно богаче, чем для ШАР в жидкости. Кроме юга, в форрома-нетиках неооу.одкж) учитывать обменное и

и

Рис. в. Регистрация локально неоднородного магнитного поля о помощью магнитного резонанса.•а) Резонанс в однородном магнитном поле, б) Зависимость размера, облает а прецессии магнитных моментов от величины градиента магнитного поля.

магнитодипольное взаимодействие, что приведет к зарождению спиновых волн в ферромагнетике, помеченном в неоднородное магнитное'поле. Зарождение спиновых волн приведет к еще большому уширению линии ФМР. Тем не' менее уменьшение разрешающей способности при увеличении ширины линии Л //^ можно скомпенсировать увеличением градиента магнитного поля

Чтобы определить разрешающую способность о учетом обменного и магнитодипольногб взаимодействия, в общем случае необходимо найти точное решение для возбуждаемой спиновой волны. Однако в такой постановке в данной работе задача не решалась. Разрешающая способность 8 оценивалась, исходя только из закона дисперсии и предположения, чт полуцериод возбуждаемо ¡1 спиновой волны равен величине области однородной прецессии магнитных моментов. С учетом этих предположений в диссертационной работе получены следующие выражения для различных типов спиновых волн.

Сомешше спиновые волны

объемные магнитостатические волны л

it

Обратные объемные магнитостатические волны

ï = Ä L G.

Паюрхностныо магнитостатические волны

ru- A»S - нймг.гниченность насыщения, A - обменный параметр, j - гиромагнитное отношение, D - толщина используемой пленки ЛИГ.

lia рис. у приведен конкретный вид реализации метода, г.йнольуовшшкя в рлооте для аксперименталыюй проверки раз-Рйшам^цй способности. В такой геометрии возбуждаются обратные

л..- . ЛУул Л Л\У.

£

■Ш)

и * У/'М

мшмпр

! ш ! I I •

//.

Рис. 7. Схема эксперимента по считыванию синусоидального сигнала с различным пространственным периодом ( /V)• а) Зависимость выходи 1 мощности Рг от Н„ при ?|{г = 14 б) зависимость Рр (Н,) при Лу = ккн. I - магнитофонная лента. 2 - подложка (ГГГ), 3 - пленка ЖИГ, 4 - щелевая линия передачи (Си ).

обьемные магнитостатические волны. Исследуемое неоднородное магнитное поле создавалось магнитофонной лентой с записанны на ней синусоидальным о ига алом о различными пространственны ми периодами. Разрешающая способность метода при заданных величинах градиента я толщины 2) пленки ЖИГ оцределялас в р;е8ультате последовательного считывания оигнала, имеющего вое меньший период записи. Минимальный период, при которое считываемый сигнал можно было различить .на фоне шумов, прин: мался в качестве экспериментального значения 5. В результат! экспериментов подтвердилась зависимось 5 как от величины градиента внешнего магнитного поля С., так и от толщины 1) пленки-датчика. В таблице приведены экспериментальные и расчетные значения разрешающей способности о (мкм) при различных значениях I) и С» (в скобках приведены расчетные значения 8 )

I) 0,1

4. 10 (а) с ш

4 зо (зъ)

Как видно из таблицы имеется хорошее качественное согласие экспериментальных и теоретических результатов.

Определив разрешающую способность, мокн^ычислить эффективную ширину линии магнитного резонанса. Зная эффективную ширину линии ФМР, мы можем определить время релаксации однородной прецессии и тем самым оценить быстродействие метода. В нашем случае это будет означать время, за которое энергия иВЧ поля передается обратной объемной магнитостатической волне.

Расчеты показывают, что при использований пленок ЖИГ толщиной I) = I мкм и при градиенте ~ I' Э/мкм разре-

шающая способность метода будет порядка I мкм, а быстродействие может достигать 1С® бит/с.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Показано, что в НМД содержащих пленках возможно существование стабильных локальных домешшх структур, отличных от 1Щ и образующихся в импульсных магнитных полях. Амплитуда импульсного поля определяет тш} зародыша стабильной локальной доменной структуры, образующейся вблизи дефекта ЩЦ пленки после окончания импульса. Если амплитуда достаточно мала, то образуется одиночный изогнутый полосовой домен, из которого затем возможно формирование спирального домена. При больших амплитудах импульса на дефекте возникает ветвящаяся доменная структура.

2. Определены интервелы полей,в которых описанные локальные доменные структуры остаются устойчивыми. Область устойчивости как ветвящихся, так и спиральных доменов лежит вблизи поля эллиптической неустойчивости НМД.

3. Экспериментально показано существование интервала значений внешнего магнитного поля, в котором происходит квазистатическое образование спирального домена из зародыша спирали, имеющего вид одиночного витка.

4. Предложен механизм формирования спирального домена в статическом магнитном поле, обусловленный различим йслей роста полосового домена с изогнутыми и. плоскими доменными границами. Изгиб доменных границ прогсходит в том случае, если расстояние между доменами превышает.некоторое критическое значение, определяемое величиной пациента шгнитостатичеокого поля, фи расстоянии меньше критического доменные грзнида остаются прямыми и происходит рост домена. Если расстояние становится больше критического, то одна из границ домена изгибается и увеличение длины домена прекращается.

5. В рамю х предложенного механизма формирования спирального домена найдены интервал поле?!, в котором возможно образование спирального домена и расстояние между витками спирали. Показана связь величины этого интервала с параметрами пленки -

ее толщиной» намагниченностью насыщения, характеристической длиной, коэрцитивной силой. Изложенный соображения позволяет получать спиральные домены с вполне определенными геометрическими характеристиками путем подбора величины внешнего магнитного поля и пленок, имеющих соответствующие параметры.

6. Полученные закономерности образования стабильных локальных доменных структур на Дефектах НМД-пленки дают возможность предложить описанную методику экспериментов в качестве основы для реализапии достаточно простых и эффективных средств дефектоскопии ЦОД-пленок.

7. Описан новый метод, позволяющий регистрировать магнитные поля в микронном диапазоне пространственных периодов неоднородности. Метод основан на измерении анергии бегущих спиновых волн, возбуждаешх в пленке ЖИГ'. Возможность такой регистрации основана на зависимости поглощаемой энергии СВЧ поля от величины градиента внешнего магнитного поля.

8. Экспериментально показано, что разрешающая способность метода зависит как от градиента поля смещения, так

и от толщины пленки-датчика (ЖИГ). Существование рависшюсти разрешающей способности от толшины пленки объясняется опреде-. ляющим влиянием магнитодиполного взаимодействия при возбуждении спиновых волн в неоднородном магнитном поле.

9. Получены выражения для разрешающей способности метода при возбуждении в пленке-датчике различных типов спиновых волн (в зависимости от геометрии датчика). Найденные выражения находятся в согласии с экспериментальными результатами.

10. Полученные оценки разрешающей способности и быстродействия метода указывают на возможность создания на его основе новых типов головок считывания информации, обладающих определенными преимуществами перед традиционными головками. К таким преимуществам можно отнести, в частности, отсутствие Механических перемещений при считывании информации и чувств»-' тельность метода к градиенту магнитного поля, а не к его абсолютному значению.

Основные результаты дисоврташш опубликованы в работах;

1. Рейдерман А.Ф., Гобоя Ю.Л. Фондирование стабильных локальных доменных структур на дефектах ЩЩ-плвшш. // Дефектоскопия. 1969, Л 3, о. 70 - 76.

2. Рейдерман А.Ф., Гобоя Ю.Л. Новый метод регистрации магнитных полей в микронном диапазоне пространственных периодов неоднородности. // Дефектоскопия, 1991, Я II, о. 68 - 71.

3. Гобов Ю.Л., Шматов Г.А. Спиральные и ветвящиеся домены в одноосных магнитных пленках в статшеоком магнитном поле. // Ш,№4, т.78, М, с. 59-50

4. Рейдерман А.Ф., Гобов Ю.Л. Способ выявления дефектов в тонкой магнитной пленке. / А. с. А 1544015.

5. Рейдерман А.Ф., Гобов Ю.Л. Способ регистрации пространственного распределения локального магнитного поля. / А. с. Л 1674026.

6. Рейдерман А.Ф., Гобов Ю.Л. Устройство для количественной оценки магнитной дефектоскопии 1Щ-пленки. - Тезисы докладов УН Всесоюзной научно-технической конференции "Проблем* магнитных ихмереьтй и ыагнитоизмерительной аппаратурыЛенинград, 1989, ч. 2, с. 198.

7. Рейдерман А.Ф., Лоскутов В.Е., Гобов Ю.Л. Аппаратура не-разрушающего контроля изделий о тонкопленочными магнитными слоями. - Тезисы докладов УН Всесоюзной научно-техничеокой конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмеритель-ной аппаратуры", Ленинград, 1989, ч. 2, о. 238.

8. Гобов Ю.Л., Рейдерман А.Ф. Новый метод регистрации ..рост-ранственного распределения магнитного поля. - "" .зиса докладов XIII Научло-технической конференции "Неразрушаицие физические методы и средства контроля", Санкт-Петербург, 1993.

9. Гобов Ю.Л., Шматов Г.А. Спиральные и ветвящиеся домены в одноосных пленках в статическом магнитном поле. - Тезисы докладов Х1У Школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 1994, ч. 3, о. 10 - II.

Отпачагвно ни ротапринте ИФМ УрО РАН тирая 80 аакаэ 15

объем 0,95 ч.л. формат 60х8<( 1/16 620219 г.Екатеринбург ГСП-170 ул.С.Ковалевской, 18