Исследование процессов перемагничивания в материалах, перспективных для магнитной записи 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

на правах рукописи удк: 537.622:681.3

Радковская Анна Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ В МАТЕРИАЛАХ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ МАГНИТНОИ ЗАПИСИ.

(специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

москва - 1994

Ра'ота выполнена на кафедре магнетизма физического факультета МГУ им. М.Б.Ломоносова

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук, с.н.с.

Н.И.ШпиньковГ

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Н.С.Перов Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Б.К.Пономарев

доктор физико-математических наук, доцент А.С.Андреенко

Ведущая организация: Институт энергетических проблем химической физики РАН.

Защита диссертации состоится " 1994 года в часов

на заседании специализированного совета ИЗ ОФТТ (К 053.05.77) в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: П93ЭЭ, ГСП, г.Москва, Вороб'евы горы, МГУ им.М.В.Ломоносова, физический факультет, ауд..

Н>ФА

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

Автореферат разослан "4У" Ч 19Э4 года

Ученый секретарь специализированного совета :,:3 ОФТТ к.ф.-м.н.

Т.М.Козлова

л/-

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность__темы определяется необходимостью углубления

лредставлений о физических свойствах магнитных материалов, широко лрименяемых для магнитной записи (МЗ) информации, и поиска новых латериалов для МЗ, с заранее заданными физическими свойствами, а также разработки методов их контроля.

Существуют важные вопросы до сих пор не получившие ответа, «асаюшиеся фундаментальных проблем физики и материаловедения, связанные, прежде всего, с механизмом потерь и магнитной эелаксацией.

Кроме этого, представляют практический интерес перспективы 'совершенствования технологии производства не только новых тзделий, но и материалов.

Поскольку в настоящее время диапазон материалов, юпользуемых для МЗ чрезвычайно широк - магнитномягкие аморфные шнты и микропровода, магнитножесткие пленки редкоземельный >лемент-переходный металл (РЗ-ПМ) с перпендикулярной ^изотропией, многослойные системы с гигантским 1агнитнорезистивным эффектом (ГМРЭ)и т.д. - возникает острая :еобходимость создания методик для комплексного исследования ддобных материалов.

Цель__райоты. Целью настоящей работы является исследование

собенностей перемагничивания ряда материалов, перспективных для спользования в системах записи и хранения информации, их агнитостатических и релаксационных свойств.

Выполнение работы связано с решением, ряда конкретных задач:

- разработка и создание программного обеспечения для омплексного исследования магнитостатических свойств на втоматизированном вибрационном анизометре (ВА), создание лгоритмов обработки результатов;

- разработка и создание методики исследования релаксационных войств магнитных материалов на ВА;

комплексное исследование материалов, существенно гличавдихся по технологическим условиям изготовления и по

областям применения;

- обработка результатов измерения, с целью определения необходимых магнитных параметров;

- моделирование и расчет магнитных структур, об'ясняющих экспериментальные результаты.

Научная__новизна__раВоты. На основе вибрационного анизометра

создан уникальный программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий проведение различных исследований магнитостатических и релаксационных свойств различных типов магнитных материалов.

Впервые обнаружен ряд особенностей перемагничивания материалов, перспективных для использования в магнитной записи информации: многоступенчатые петли гистерезиса в микропроводе Ре-Р-В, осцилляции намагниченности в магнитномягкой аморфной ленте Со-У-гг, инверсный ход об'емной петли гистерезиса в магнитножесткой пленке сл-ть-со с перпендикулярной анизотропией.

Измерены коэрцитивная сила Нс, намагниченность насыщения 18, константы анизотропии К для аморфного микропровода Ре-Р-В, амофрных лент Со-у-йг, пленок са-ть-со и Ре-тъ различного состава, многослойных пленок Со/Си/РеМ/Си/РеЫп. Для аморфного микропровода Ре-Р-Б и микропровода на основе Со определены функции распределения по полям необратимого перемагничивания.

Для об'яснения экспериментальных реультатов предложены "зонтичная" и "бамбукообразная" модели распределения намагниченности в микропроводах в зависимости от знака магнитострикции; двухфазные модели для об'яснения осцилляции намагниченности в ленте Со-У-гг и инверсной петли гистерезиса в пленке Ой-ТЪ-Со; модели релаксационных процессов в пленках РЗ-ПМ с перпенидкулярной анизотропией и многослойных пленках Со/Си/РеЫ1/Си/РеМп.

Практическое__значение. Полученные резльтаты вносят вклад в

расширение представлений о свойствах материалов перспективных для МЗ, в частности, носителей нагнитной записи (НМЗ) и представляют интерес для более полного понимания природы магнетизма в аморфных и многослойных системах.

Разработанные методики исследований могут быть использованы ля тестирования новых типов материалов с целью оценки их ригодности для систем магнитной записи; оценки технологических зловий изготовления этих материалов и выбора оптимальных зхнологических режимов.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, жладывалисъ на научных семинарах кафедры магнетизма физического экультета МГУ, Всесоюзном симпозиуме по физике аморфных ггнетиков, г. Красноярск, июль ISSSr; пятой Всесоюзной жфережши "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, рименение", г. Ростов Великий, сентябрь 1Э91г; XIX Всесоюзной знференции по физике магнитных явлений, г. Ташкент, сентябрь ЭЭ1 года; международной конференции по физике и химии эверхности, г.. Киев, сентябрь 1ЭЭ4 года. International Magnetics inference Intermag-90, Brighton, 1990; International Magnetics inference Intermag-93, Stockholm, Sweden, april 13-16 1993; 11 3ft Magnetic Materials conference, Yenesia, Italy, 29

jptenber - 2 olctober 1993 year; International Conference on ignetism 1CM-94, Warsaw, Poland, 1994

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 збот.

Структура и об'ем работы. Диссертация состоит из введения, ?стй глав и списка цитируемой литературы. Работа изложена на

страницах, содержит рисунков, 3 таблицы. Список

гаируемой литературы включает 92наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО введении дается общая характеристика работы, 5основывается|ктуальность исследуемой теш, формулируются шовные задачи и цели исследования, излагается научная новизна эзулътатов.

ПЕРВАЯ ГЛАВА представляет собой обзор литературы по теме диссертационной работы. Дается обзор существующих методик и результатов исследования магнитостатических и релаксационных свойств различных материалов, перспективных для использования в системах магнитной записи и хранения информации, в частности -аморфных микропроводов, аморфных магнитномягких лент, пленок РЗ-ПМ с перпендикулярной анизотропией для магнитооптической записи, многослойных пленок с гигантским магниторезистивным эффектом для магниторезистивных считывающих головок. Доказывается необходимость развития методик комплексного исследования и дальнейшего изучения магнитного поведения данных типов материалов.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ проводится описание установки и методики эксперимента. Экспериментальная часть работы выполнена на вибрационном анизометрё, созданном Шпиньковым Н.й. и Перовым H.G. на кафедре магнетизма физического факультета [¿ГУ, и усовершенствованном диссертантом.

Отличительной особенностью вибрационного анизометра (ВА), является конструкция приемного узла. Измерительные катушки, выполненные в виде тонких полуцилиндров, расположены в плоскости приложенного поля, перпендикулярно оси вибрации образца. Закрепленные на поворотном столике, они примыкают друг к другу прямолинейными участками обмотки и образуют цилиндрическую приемную пару. Обмотки включены встречно-последовательно, что устраняет помехи от лабораторных переменных полей, однородных в области размещения катушек, и удваивает полезный сигнал по сравнению с сигналом, снимаемым с одной катушки. Сигнал максимален, если образец намагничен параллельно линии, соединяющей центры катушек. При повороте магнитного момента образца в плоскости, перпендикулярной к направлению колебаний образца, амплитуда сигнала переходит через ноль (при скачкообразном изменении фазы на 180°) при совпадении направления момента с линией раздела катушек. Это используется для определения ориентации момента в плоскости вращения катушек.

Измерение ориентации момента в определенной последовательности позволяет использовать ВА в качестве анизометра. Характерной особенностью ВА является способность определения К и I в реальных полях и без измерения об'емов образцов. Кроме того, прибор может быть использован для получения в гетерогенных образцах функции распределения одноосных включений по ориентация* и критическим полям однородного перемагничивания.

В параграфе I главы 2 описаны основы методики эксперимента.

Показано, что для магнитно-одноосного образца в форме диска

достаточно измерить ориентации ф" магнитного момента относительно

оси ъ легкого намагничивания при наложении поля Н в плоскости

образца под углом 9 к ь, и поля , приложенного в плоскости,

содержащей ь и нормаль к плоскости, и измерить соответствующий

¡тол ср-р Тогда намагниченность насыщения I и константа одноосной

анизотропии К0 определяется по формулам:

К0 = Н*13* Б1п(Э-ф)/Зт(2ф). (1)

1=-й§Гг—* IV Б1п(6.,-ф, )/31п(2ф1 )-Н* 51п(6-ф)/5т(2ф)]. (2)

а Ъ '

'де иа и компоненты размагничивающего фактора по взаимно

юрендикулярным осям "ам и "Ь". Таким образом совокупность

¡еличин {Н, И|, б,в|, ф, ф.,} дает возмокность определить 13 и

:0. Задача определения констант анизотропии в многоосных

бразцах решается аналогично. Показано, что ценную

нформацию о дисперсных магнитных материалах, широко применяемых

ля магнитной записи, можно получить, измерив полевую зависимость

риентации остаточной намагниченности.

В случае ансамбля магнитно-одноосных частиц можно определить

/нкцию их распределения по полям Кк=2*К/13 необратимого .

даородного перемагничивания и по ориентация?^ осей "1" легкого

амагничивания частиц. Для этого достаточно определить

шисимость ориентации остаточного магнитного момента Мг от

¡плитуды и от ориентации внешнего поля. Углы <р и 9,

(рактеризущие, соответственно, ориентацию Мг и поля,

учитываются от фиксированного в образце направления ь, которое

неориентированном ансамбле произвольно, а в ориентированном

совпадает с направлением преимущественной ориентации ансамбля частиц. Относительный об'ем частиц, ориентированных в секторе и при атом обладающих полями анизотропии Нк в пределах Н1_1 < Нк < н1 в зависимости от величины и ориентации приложенного поля дает распределение одноосных включений в образце по ориентациям и по.-ям необратимого однородного перемагничивания. Для расчета функции распределения достаточно измерений величин

{Hi,l'ei,(Pi,l}-

В параграфе 2 главы 2 приведено описание конструкции вибрационного анизометра. Дается подробное описание блок-схемы автоматизированного ВА. Управление экспериментом осуществляется ДВК "Электроника ДЗ-28", сопряженного с ПЭВМ типа "robotron", куда передаются результаты измерений и происходит их дальнейшая обработка. Для реализации этой обработки подготовлен пакет программ на языках высокого уровня общим об'емом порядка 50кБайт. Помимо специальных программ, написанных в процессе выполнения работы, для обработки результатов широко использовались электронные таблицы lotos123 и quatro pro.

Программным образом реализовано и синхронное детектирование при частоте дискретизации входных сигналов около 20кГц, что является особенностью измерительного ^тракта. Работа установки обеспечивается разработанным пакетом программ. При проведении эксперимента микро-ЭВМ регулирует и определяет ориентацию приемных катушек, внешнее поле Н и измеряет соответствующие им ориентацию магнитного момента и его проекции на заданное направление в плоскости катушек. На основе измеренных параметров программным способом вычисляются намагниченность, константы анизотропии, функция распределения по полям необратимого перемагничивания и по ориентациям легких осей одноосных включений в образце и другие величины.

ВА обеспечивает при работе в режиме магнитометра чувствительность до 5*10_8Гс*см3. Угловая - разрешающая

способность нашего ВА порядка 6 минут. Диапазон рабочих магнитнш: полей прибора - ±10кЭ. В дополнение к магнитостатическим измерениям, для образцов, обладающих магнитной вязкостью, возможно исследование релаксационных свойств,

б

благодаря большой чувствительности, по магнитному моменту, в интервале времен от нескольких секунд до нескольких часов.

Наш ВА позволяет проводить комплексное исследование различных материалов, в частности, таких гетерогенных систем, как порошковые ленты и многоу^фазные сплавы.

В параграфе 3 главы 2 приводится описание программного обеспечения ВА. Описывается алгоритм поиска направления легкой оси образцов. Конструкция анизометра позволяет исследовать полевую зависимость любой компоненты магнитного момента образца при любой ориентации поля относительно образца. Возможно несколько режимов измерений !,!(Н): с постоянным шагом по полю, с шагом, выбираемым установкой автоматически, в зависимости от крутизны хода кривой М(Н), и с шагом, выбираемым оператором. Также ■ описана уникальная методика определения кривых углового запаздывания и гистерезиса вращения, в информационном плане являющихся аналогом крутящего момента и позволяющих исследовать распределение и тип анизотропии в образцах. Дается описание алгоритма определения функции распределения одноосных включений в образце по ориентациям и полям необратимого однородного перемагничивания. Для ВА разработана и реализована подпрограмма, позволяющая исследовать магнитную вязкость образцов. Полный текст программ состоит из 14 тысяч строк Ассемблера устройства "Электроника ДЗ-28".

В параграфе 4 главы 2 даны оценки погрешности измерений. Общая погрешность определения величины магнитного поля находится в пределах 5 процентов. Погрешность при измерении сигнала, наведенного магнитным моментом образца, достигает 7процентов. Точность и воспроизводимость измерения синхронным детектированием амплитуды сигнала увеличена за счет компенсации нестабильности амплитуды колебаний образца путем математической обработки данных. Отмечено, что конструкция приемного узла позволяет избежать влияния 'магнитных изображений' образца, возникающих в сердечниках магнита. Возможная ошибка от них на обычных вибрационных магнитометрах может достигать 25 процентов от уровня полезного сигнала. В ре:жме анизометра измерения проводятся ■нулевым методом, что увеличивает точность определения магнитных

характеристик образца, связаных с измерением ориентации у.агнитного момента. Точность непосредственного определения ориентации намагниченности составляет около 6'. Угловая разрешающая способность -ВА составляет около 5'. При

спр:~9лении магнитной вязкости измерение времени проводится программным способом, используя кварцевый генератор ЗВМ. Погрешность определяется нестабильностью кварцевого генератора, которая не превышает Ю-7.

В ГЛАВЕ 3 приводится расчетная модель, об'ясняющая возникновение зонтичной и бамбукообразной структур в аморфных проводах, и результаты подробного экспериментального

исследования перемагничивания аморфного микропровода РеРВ . с положительной магнитострикцией и аморфного провода на основе Со с отрицательной магнитострикцией.

В параграфе I главы 3 приводится расчет внутренней магнитной структуры, индуцированной упругими напряжениями.

В процессе изготовления аморфных лент и микропроводов возникают упругие напряжения, которые приводят к появлению дополнительной анизотропии. Ь!ы считали, что эти напряжения могут быть причиной сложной магнитной структуры провода.

Сначала рассмотрены напряжения, возникающие из-за разницы коэффициентов теплового расширения в металлическом проводе и стеклянной изоляции, в рамках модели многослойной оболочки. •При используемых значениях материальных констант радиальная и тангенциальная составляющие напряжения равны <3гг=бфф= 0-7*Ю8 Па. Эти напряжения постоянны вдоль всего сечения провода и сами по себе не могут служить причиной сложной'магнитной структуры.

Аморфные материалы получают при закалке из расплава, так чтобы не успела образоваться кристаллическая структура. При этом процесс закалки существенно неравновесен и в материале возникают закалочные напряжения, которые можно рассчитать, используя модель остаточных напряжений. В этой модели считается, что возникающие напряжения равны по модулю и противоположны по знаку тем напряжениям, которые возникнут в ненапряженном проводе, если в нем будет создан такой же градиент температур, как в момент

Рис. I. Температурный фронт в момент закалки провода (правая ось) и радиальная зависимость закалочных напряжений в аморфном проводе (левая ось).

затвердевания. Температурный фронт в тот момент времени, когда центр провода охладится до температуры плавления показан на рисунке I. Бремя охлаждения в нашей модели З.бмксек, скорость охлаждения порядка Ю6гра;Усек, что согласуется с реальными величинами при получении аморфных веществ.

Полученное поде температур использовано для вычисления напряжений в первоначально ненапряженном проводе. Согласно

результатам расчета, остаточные напряжения имеют радиальную зависимость и по порядку величины также раБны 10® Па (см. рис. I). Область б > О-ссответстзуе? напряжения!.! растяжения, б < о -напряжениям сжатия.

В пункте 1.1. главы 3 рассматривается распределение осей легкого намагничивания в проводе с положительной константой магнитострикции.

Если в изотропном аморфном материале существуют упругие напряжения и магнитостринпня не равна нулю, то они и определяют распределение направлений преимущественной ориентации ( НПО ) в образце. Рассматривая условия, при которых реализуется минимум

энергии, получаем, что эти условия выполняются на промежутке г е (О,А ) (см. рис. I) при положительной магнитострикции. Косинусы направляющих углов, определяющих НПО, равны а^О, а^О, ад=*1. То есть НПО ь каждой точке направлено по оси провода. В области г & ( А.Кд ) минимум энергии реализуется при си =1 , а^ =0 , а^ = О , то есть НПО в каждой точке направлена по радиусу. Таким образом, получили для аморфного микропровода Ре-Р-3 в чистом виде 'зонтичную' структуру, причем соотношение радиуса "сердечника" к радиусу провода порядка 0.6 совпадает с экспериментальными значениями, полученными Шпиньковым Н.И. и Перовым Н.С.

В пункте 1.2. главы 3 рассматривается вещество с отрицательной магнитострикцией. Проводя аналогичные рассуждения, получим, что в области г э ( о,я0 ) НПО в каждой точке направлена по касательной. Такая структура называется "бамбукообразной" и она предлагалась для об'яснения экспериментальных результатов К. Мори и Шпиньковым Н.И.

В параграфе 2 главы 3 приводится описание результатов экспериментального исследования магнитных свойств аморфного микропровода ре-р-в в стеклянной изоляции. Диаметр провода - 10 микрон, толщина изоляции - 5 микрон'. Измерения проводились на вибрационном анизометре при различной ориентации поля относительно оси образца. При измерении зависимости М± ( НХ ) получены нетривиальные результаты. Петля с тремя отчетливыми скачками намагниченности (см.рис. 2а ) в полях порядка 0.2 кЗ, 0.6 кЭ и 2.7 кЭ. Эти прыжки Ш. происходят при скачкообразном изменении ориентации магнитного момента, как видно из рис. 2в, где показана полевая зависимость ориентации магнитного момента при таком же расположении образца. Функция распределения по полям перемагничивания представлена на рис. 2с. Видно, что перемагнвчивающие поля соответствуют необратимым скачкообразным изменениям перпендикулярной полю, то есть параллельной оси образца, составляющей магнитного момента М±. Для описания процессов перемагничивания предложена модель магнитной структуры, состоящей из 4-х магнитных фракций, у трех из них легкие оси направлены вдоль оси провода,а поля перемагничивания различны.

Н[ , КЗ

100- -80-ео-

тэ

й ОСП

20

йг

0- --20--40+

201510- о X 5 * -10-16- I I I ! I ! Л У

■ I

4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Н ,кЭ

Рис. 2. (А) - петля гистерезиса М^ф^, (Б) - полевая зависимость

ориентации магнитного момента, (В) - функция распределения по полям необратн?,;ого однородного перемагничивання для микропроБодэ Бе-Р-Б.

Магнитные моменты четвертой фракции веером направлены вдоль радиуса. При всей экзотичности полученных результатов они подтверждают существование сложной внутренней магнитной структуры в аморфном микропроводе Ре-Р-В. Наблюдалась хорошая повторяемость результатов во время измерения (2-3 месяца).

В параграфе 4 главы 3 приводятся результаты экспериментального исследования аморфного Со-содержащего микропровода. Для этого образца в зависимости магнитного

момента от поля, приложенного параллельно и перпендикулярно оси провода, не обнаружено никаких особенностей, и все четыре петли М„(Ни), Мц , М_)_(Ни) и Мд_(Н±) имеют классический для одноосного образца вид. То есть, на основании наших экспериментальных данных невозможно сделать вывод о существовании сложной внутренней магнитной структуре аморфного Со-содержащего провода и о наличии анизотропии отличной от анизотропии формы. Функция распределения по полям перемагничивания определенная из экспериментальных данных также не проявляет никаких особенностей. Все приведенные данные- говорят об отсутствии сложной внутренней структуры в Со-содержащем проводе в стеклянной изоляции. Однако, проведенные Мори (Мо1гг1) эксперименты на кобальтовом проводе подтверждают наличие 'бамбука' в исследованном }ликропроводе без оболочки. ■ В параграфе 4 главы 3 рассматривается влияние

оболочки на внутренюю магнитную структуру микропровода в стеклянной изоляции. Показано, что хотя напряжения, возникающие в результате разницы коэффициентов теплового расширения металла и стекла, постоянны по всему сечению провода и сами по себе не могут быть причиной сло/.шой магнитной структуры. Однако, сосуществуя в проводе с ■ остаточными напряжениями, "оболочечные" увеличивают ту зону, где действуют растягивающие напряжения, и уменьшают зону сжимающих напряжений. Изменяя суммарное распределение напряжений, оболочка, следовательно, изменяет и магнитную структуру, и возможна ситуация, когда ни "зонтичная", ни "бамбукообразная" структура не могут реализоваться в проводе.

ГЛАВА 4. В данной главе приводятся результаты экспериментального исследования аморфных магнитномягких лент

Со82у92г9 Разлкчапкс:ся термообработкой, ширина лент около 4-х мм.

.В Параграфе I главы 4 описаны результаты исследования магнитостатических свойств лент. 3 процессе исследований

измерена намагниченность кгсыщения образца К1 (550±Ю) Гс, у образца 152 с другой магнитной предысторией I = (500г20) Гс. Выявлена анизотропия лент, определен характер анизотропии, установлена ориентация осей анизотропии 1 относительно оси ленты, измерена константа результирующей анизотропии к, наблюдался гистерезис вращения магнитного момента.

В слабых полях образцы одноосны. В сильных проявляется влияние анизотропии более высокого порядка. Неоднородность по величине константы анизотропии такова, что для разных фракций в образце Ш величина константы анизотропии колеблется в пределах 3*10-,<к<7*ю3Эрг/см°. Для образца Н2 этот предел шире: 1. 1*103<КС 1.1*104 Зрг/см3.

В параграфе 2 главы 4 исследованы гистерезисные циклы перемагничивания при разных ориентациях внешнего магнитного поля Н относительно ъ.

Обнаружены осцилляции перпендикулярной полю составляющей намагниченности (см. рис. 3). При изменении ориентации поля относительно Ь прослеживается последовательная деформация кривой, такая, что при 6=72° полевая зависимость М± имеет уже классический вид без осцилляций в слабых полях. Для об'яснения полученных результатов предложена модель двухфазной магнитной структуры исследуемого образца. Фазы А и В отличаются по величине поля перемагничивания и по ориентациям НПО. Поскольку осцилляции наблюдаются при 74.5<б<83°, этот диапазон можно принять за диапазон разброса осей легкого намагничивания фаз. Кроме того, получается, что наиболее высококоэрцитивные (или зысокоанизотропные) фракции А, характеризуемые осью И', ориентированы так, что и1 отклонена от направления оси ленты трикерно на 8°, тогда как фракция В (низкоанизотропная) на угол зе менее 22°. Ось Ь практически совпадает с осью II, но оси грудного намагничивания получаются как бы смещенными, так, что ''нормаль" к II' и "нормаль" к II расположены' по разные стороны от

Рис. 3. Осциллирующий переход ^(Н^) для магнитномягкой аморфной

ЛеНТЫ СОддУдгГд.

нормали к ъ. Поскольку переход поля Н через нормаль к N приводит к преобладающему влиянию фракции В в слабых полях Н по сравнению с фракцией А, делается вывод о томч что фракция А по об'ему больше, чем фракция В. На процесс измерения параметров,

применяемых для оценки анизотропии в слабых полях больше влияет фракция В. В этих полях фракция А либо не участвует, либо (что вероятнее) перемагничивается неоднородным вращением, искажая результаты измерений, что в конечном счете приводит к заниженным значением К. Таким образом обосновывается расширение

процесса определения осей ъ и измерения К в области высоких Н.

В параграфе 3 главы 4 обсуждаются результаты измерения анизотропии лент при Н»НС. Обнаружено, что с ростом поля кривые углового запаздывания деформируются, переставая отражать только одноосную анизотропию. Уже при 104.6 Э видно влияние анизотропии более высокого порядка. Из-за этого и при усиливающейся роли высокоанизотропной фракции нормаль к Ь смещается к 165 , положение ь становится размытым.

Измерения по нашей методике в разных полях дали полевую зависимость константы анизотропии К(Н), которая также

подтверждает неоднородность образца К2. Можно считать, что он состоит из множества фракций, различающихся по величине константы анизотропии -от Kffiin =i.i«io3 Эрг/см3 до к^ =1.1*ю4 Зрг/см3.

Аналогичные измерения проведены для образца NI-. Показано, что образец более однородная в плане ориентации легки:-: осей, но также неоднороден в плаке величины константы анизотропии: 3*1°3 3Рг/см3- *W.= 7*103 Эрг/см3.

ГЛАВА 5 посвящена магнитным свойствам магнитножестких пленок РЗ-ПМ, разрабатываемых для записи и хранения информации.

Для исследования мзгнптостатических свойств P3-IÜ.5 пленок мы остановились на двух группах образцов: пленки Gd-Tb-Co и пленки Fe-Tb.

В параграфе I главы 5 описываются особенности магнитостатикескиХ свойств пленок gd-tb-co. Исследованы пленки Gd(3i )-ть(24)-Со(45>, полученные ВЧ-распылением и распылением при постоянном токе при различных напряжениях смещения на подложке (от -180 до -НОВ). В каждой серии из 4-х. пленок измерена is, получены данные об анизотропии пленок. 3 зависимости от напряжения смещения коэрцитивная сила в плоскости пленки изменяется от 20 до 200Э, намагниченность от 580 до 120Гс, более чем в два раза изменяется константа перпендикулярной анизотропии. Имеются существенные расхождения между пленками, напыленными при постоянном токе и ВЧ-распылением.

Наиболее интересные результаты получены для ВЧ-напыленной пленке при -1803. При уменьшении угла между внешним полем Не и нормалью к плоскости происходит изменение петель гистерезиса для составляющей намагниченности перпендикулярной полю и, соответственно, лежащей в плоскости. От обычного вида петли нормальной составляющей мы переходим к кривой, изображенной на рис. 4а. При этом соответственно изменяются петли гистерезиса в направлении действующего поля ( т.е. почти по нормали к плоскости). На рис. 4в видно, что петля имеет неправильный, инверсный вид. При уменьшении внепзнего поля от максимального значения намагниченность становится равной нулю не при отрицательном поле, как обычно, а при Н>0. Такое поведение

11

ае

а в

ад

2 аг

0

1 -аг

■ад

-ае

-06

-1

А

1

ае

ае

ад

й аг

0

£ чхг

-а«

-ае

-ае

-1

/ /

/ / е>

•в -в -4

-202466 Н кОв

•в -е -д -г о г д в

и, кОа

Рис. 4. Петли гистерезиса к - МХ(Н±) и В - М^К^) для пленки сй31ть24Со45

намагниченности об'ясняется с использованием двух

обменносмещенных петель гистерезиса. При перемагничивании в сильном положительном или отрицательном поле происходит изменение знака обменного поля смещения и переход с одной петли на другую. Таким образом исключаются "внешние" ветви петель, а наблюдатель видит инверсный ход об'емной петли гистерезиса. Используя эту модель и наши экспериментальные данные, мы получили зависимость ^смрщ^БнеиР' пОДТввРВДЗВДУ10 наши предположения. Заметим, что переход от отрицательного поля взаимодействия к положительному происходит в области полей, характерных для нормальной к полю составляющей. Предполагая, что поле смещения вызвано чисто магнито-диполкным взаимодействием между ионами редкоземельных элементов и переходных металлов в соответствии с работой Хонг Фу и др. ( они предложили эту модель для очень тонких слоев, когда все связи между атомами лежат в плоскости слоя. Тогда намагниченность перпендикулярна поверхности и величина поля взаимодействия определяется просто как поле одного магнитного диполя в области расположения другого, мы определили, что средний момент редкоземельного иона равен 7.5 магнетонов Бора. Константа

перпендикулярной анизотропии, полученная из наших экспериментальных данных совпадает с величиной полученной по этой модели.

В параграфе 2 главы описываются магнитостатические свойства пленок Ре-ть. Исследованы три аморфных пленки состава 1'е100_2ть.(. (х=11,18,26). Толщина пленок 160 нм. Первый образец Уе^^-ть^ соответствует составу, для которого температура компенсации существенно выше комнатной температуры. Для этого образца анизотропия в плоскости пленки практически незаметна, о чем свидетельствуют кривые углового запаздывания. Наряду с тем, направление нормали к плоскости не соответствует "трудной" оси полной анизотропии. Вид петель петель гистерезиса и кривых углового запаздывания свидетельствуют о том, что ориентация ОЛН, связанная с формой образца, не на 90° сдвинута относительно ОЛН, обусловленной анизотропией материала. Рассчитано значение I без учета анизотропии в плоскости I =140+/-10 Гс. Кроме того рассчитано значение I с учетом К^. Для I получено значение 150+/-Ю Гс, для К,л порядка Ю4 эРг/см3«47:1д .

При переходе к составам образцов, близких к тем, которые имеют температуру компенсации в области комнатной температуры Ре74-ТЬ2в <ТК < Ткш ) И ?е82-ТЬ18 ( Тк> Ткш), в НИХ ЯВНО преобладает К^ по сравнению с 2%1 . В этих образцах ь совпадает с нормалью к плоскости. Наличие гистерезиса вращения указывает на то, что поле измерения 1^=500 Э меньше поля анизотропии Нк. Следует отметить, что гистерезис вращения сохраняется и при 11=6.7кЭ, но при этом расхождение по 6 для прямой и обратной кривой в области "трудной" оси уменьшается в 1.5 раза.

При исследовании полевой зависимости намагниченности в плоскости образцов, обнаружено что остаточная намагниченность I лежит по нормали к плоскости. Рост Н вызывает ее небольшое отклонение от этого направления. Экспериментальные данные также об'ясняются наличием двух магнитных подрешеток.

В параграфе 3 главы 5 приводятся ■ результаты исследования магнитной релаксации пленок Ре74-ТЬ?6 и Ред?-ТЬ18 (рис. 5

для первого образца). Представление в логарифмическом масштабе,

1000 1500 гхо 2500 Т, вес

800 еоо

1000 1100 1200 1300 1400

К Ов

Рис. 5. Магнитная вязкость образца Вязкость измерялас

после наложения обратного поля -748, -900, -1000, -1144, -124С -1340, -1442,-1440, -1514, -1560 И -1598 эрстед. Рис. 6. Полевая зависимость времен релаксации для Ре^-ть^.

позволяет выделить для каждого образца два характерных интерва. времени, в течении которых затухание намагниченности происходи по квазилогарифмическому закону и может быть описано классически формулой . -

М/М0= I - 3*1п(1;). (6)

На основании полученных данных, рассчитана полев 'зависимость вязкости. Значения полей, являющихся критическими п снятии петель гистерезиса в автоматическом режиме п перемагничивании в поле перпендикулярном плоскости образц соответствуют максимальным значениям вязкости. Наблюдаем

нами логарифмическое затухание при перпендикулярн ■ перемагничивании находится в хорошем согласовании с модель рассчитанной Лоттисом (ЬоШв' в.), который математичес рассчитал перемагничивание под действием изменяющего размагничивающего поля, в рамках модели Нееля о терминеск флуктуация* при преодолении энергетических барьеров.

Из наклона графиков получено значение v*M /кТ, где V*- об'ем активации. Численные значения длины Баркгаузена (линейные размеры областей перемагничивания с учетом толщины пленок) равны для Fe74-Tb2g порядка 580А и для fegg-Tbjgl порядка 880А. Для пленок Pe74-Tb2g и Fe82-Tbl8 таюке получены значения полного времени релаксации в нулевом магнитном полеб.4*ю8сек и 1.4*ю12сек, соответственно.

ГЛАВА 6 В данной главе приводятся результаты

исследования магнитостатических свойств пленок

Co70§/Cu60®/HiPe502/?eMn80S/Cu102 (состав I) И

Со37о2/Cu2o2/NiPe5o2/Feto8o8/Cul о2 (состав 2) и исследование процессов магнитной релаксации при перемагничивании и при воздействии волны упругой деформации

В параграфе I главы 6 исследован обменный сдвиг петли, гистерезиса. Наблюдались две петли, обусловленные перемагничиванием слоев Со и FeNi. Изменение ориентации пленки относительно Н на 180° переворачивает кривую также на 180° (см. рис. 7). Мы считаем, что "внутренняя" петля обусловлена перемагничиванием внешнего слоя кобальта, "внешняя" петля -отражает перемагничивание пермаллоя, обменносвязанного с железомарганцевым слоем. Установлено, что ширина петель гистерезиса зависит от состава пленок и равна для Со 32 Э и 18 Э, для пермаллоя 80 Э и 70 Э, для пленок 1го и 2го составов, соответственно. Обнаружено, что вклад слоя кобальта в намагниченность пленки зависит от толщины слоя и составляет 50 процентов для I образца и 78 процентов для второго образца. Измерена величина шля смещения петли гистерезиса, обусловленной п&рвмагтпиьанием пермаллоя, К=1£03 для обоих образцов.

Для пленки состава Определена величина намагниченности насыщения I = 100 Гс. Обнаружена однонаправленная анизотропия в плоскости пленки. Рассчитана константа анизотропии Клт- порядка

О о - ОДН г

8*10 зрг/см . Величина поля однонаправленной анизотропии в плоскости пленки совпадает с вел!чиной поля смещения.

В параграфе 2 главы 6 приведены результаты исследования вязкости пленки Co70$/Cu60£/KiFe502/FeMn90®/Cul08 в полях близких

1т

а»

а»

ш

аг

S 0

«■>■»

а ■аг

■0.4

-ав

•ав

-i-I

w

-400-300-200-100 0 100 200 ЭХ1 «XI H, Oe

1

QB

| ав lar-ae as a*

И=2^09

Н=500Э

Рис Л

« «5 7 7.S 8 as в as 10' ln (Г, «ее)

Рис .а.

м

Рис. 7. Обенный сдвиг петли гистерезиса для многослойной пленки

Со70Й/ Cu602/ NiFe50S/ FeMnSüi/ Cu1o2.

Рис. 8. Релаксация намагниченности многослойной пленки

Со7о2/ Сибо2/ NiFeSoS/ FeMnSoS/ Cuiol?, вызванная упругой волной.

к полям перемагничивания различных фаз. Показано, что релаксация различных фаз происходит при различных значениях внешнего поля (Н порядка 14-16 Э для слоя Со, Н порядка 200 Э для слоя пермаллоя), определены коэффициэнты вязкости фаз на различных этапах релаксации.

■ Обнаружено сильное изменение момента с последующей долговременной релаксацией к-исходному состоянию при воздействии волны упругой деформации (рис. 8). Для об'яснения результатов эксперимента предложено два механизма воздействия упругой волны на многослойную структуру. Уменьшение момента, вызванное ударом в поле 500Э, мокно приписать слою Со чувствительного к упругим напряжения!*, вследствие большой магнитострикции. Под действием упругой .волны возникает дисперсия направлений М в Со, что уменьшает его полную намагниченность и создает серию энергетических барьеров, преодоление которых при восстановлении равновесного М требует времени. Другой механизм воздействия акустической волны на многослойную структуру (увеличение момента насыщенного образца, при ударе в поле 290 Э) заключается в том,

1.1

что б этом случае упругая волна парусила симметрию гранецентрированной решетки РеКп, что привело к ослаблению влияния железомарганцевого слоя на пермаллой. В результате чего магнитный момент пермаллоя выстраивается вдоль поля. Последующая структурная релаксация при восстановлении равновесной решетки РеМп дает уменьшение М. Здесь также релаксация идет с постоянной скоростью по логарифмическому закону. Расчитаны константы вязкости - Бр ^=0.094, Еремя полной релаксации после удара 5.8 часа; 3Со=-0.046, время полной релаксации к исходному состоянию после удара 5.4 часа.

При исследовании вязкости пленки второго состава Со370й/Си20Й/Н:иГе50§/РеМп802/Си.108 обнаружено, что

перемагничизание в обратном поле -14.ЗЭ происходит скачком через 400 сек после приложения поля. Используя закон Аррениуса для времени ожидания при преодолении одного барьера

1=Г*ехр(ДЕ/М!), (7)

Ч —т

(где т - время ожидания, равное 400 сек, г =10 сек , к -константа Больцмана, Т - коомнатная температура) получено значение энергии активации 25.7*кТ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе вибрационного анизомэтра создан уникальный программно-аппаратный комплекс (ВА), обеспечивающий проведение исследований магнитостатических и релаксационных свойств различных типов магнитных материалов.

2. Проведен расчет распределения направлений преимущественной ориентации, вызванного упругими напряжениями, возникающими в процессе изготовления аморфных проводов. Показано, что в проводах с положительной магнитострикцией еозможяэ "зонтичная" магнитная структура, в проводах с отрицательной магнитострикцией возникает "бакбукообразная" магнитная структура.

3. На ВА экспериментально исследован микропровод состава Ре-Р-в. Получена впервые наблюдаемая фор;,'.а полевой зависимости нормальной к полю составляющей магнитного момента, ориентации момента в поле и ориентации остаточного момента при

перемагничивании перпендикулярным оси провода полем. Определена функция распределения по полям необратимомго однородного перемагничивания. Полученные экспериментальные данные подтверждают наличие сложной внутренней магнитной структуры провода Ре-Р-в в стеклянной изоляции.

4. Проведено экспериментальное исследование на ВА магнитостатических свойств аморфных лент Сод^гг^. Определены намагниченность насыщения, константы анизотропии. Получена впервые наблюдаемая осциллирующая завасимость М^Н^). Для об'яснения результатов эексперимента предложена двухфазная модель ленты.

5. На ВА проведено экспериментальное исследование магнитножестких пленок РЗ-ПМ о&^ТЬ^Со^ и ^юо-х^х 18' 26).

а) Обнаружено влияние условий изготовления (метод напыления, напряжение смещения на подложке) пленок Сй^ть^Со^ на магнитостатические свойства (коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, константа анизотропии)..

б) Показано, что исследованные образцы не являются перспективными для сверхплотной магнитной записи. Этому препятствует, в частности расположение результирующей ОЛН в плоскости пленок Сй^тъ^Со^ и РеддТЬ^.

в) В пленке са^Ть24Со45' полУченной ВЧ-распылением при -180 V, впервые обнаружен инверсный ход об'емной петли гистерезиса. Предложена качественная модель для об'яснения полученных результатов.

г) В пленках ^юо-х^х (х=18> 26) измерена магнитная вязкость в перемагнкчивающих полях. Определены полевые зависимости коэффициентов вязкости и времен релаксации. Рассчитаны линейные размеры областей перемагничивания 580 2 при х=18 и 8802 при х=24.

6. а) В многослойных пленках Со7о2 /Си6о£/ ШРе5о2/ Ре!£п80§/ СиЮЙ (состав I) И СоЗ?о2/ Си20&/ МРе50§/ РеЫпвОл/ Сию2 (состав 2) с ГМРЭ исследован обменный сдвиг петли гистерезиса. Наблюдались две петли, обусловленных перемагнкчиванием слоев Со и РеШ. Установлено, что ширина петель

гистерезиса и вклад в намагниченность зависят от толщины слоя Со. измерена намагниченность насыщения , величина поля смещения петли гистерезиса. Установлено, что в плоскости пленки однонаправленная анизотропия вызвана влиянием антиферромагнитного слоя РеМп.

б) Определены коэффициенты вязкости многослойных пленок в полях близких к полям перемагничивания магнитных фаз. Показано, что релаксация различных фаз происходит при различных значениях внешнего поля.

в) Обнаружено сильное изменение момента при воздействии волны упругой деформации с последующей долговременной релаксацией к исходному состоянию. Для объяснения результатов эксперимента предложено два механизма воздействия упругой волны на многослойную структуру. Расчитаны константы вязкости фаз и время полной релаксации после удара к исходному состоянию.

ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗЛ01ЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. ДЬЯЧКОВА А.А., 'Возможный механизм возникновения магнитной структуры в аморфном микропроводе'. Сборник тезисов докладов Всесоюзного симпозиума по физике аморфных магнетиков. Красноярск, 1989, стр.64.

2. BYACHKOVA А.А., БНРБЖ07 IÎ.I., 'Transverse magnétisation in Fe-P-Б amorphous wire', abstraots of Intermag-conference, Brighton, 1990.

3. ШПИНЬКОВ Н.И., ПЕРОВ H.С. РАДК03СКАЯ A.A., 'Осцилляции нормальной составляющей намагниченности при перемагничивании аморфной ленты Co(82)V(9)Zr(9)., тез. докл. конф. "Аморфные прецизионные сплавы: технология, свойства, применения." г.Ростов-великий, 23-27 сентяБря 1991 года, стр.66

4. PEROV N.S., SHPIHK07 U.I., RADK07SKYA A.A., "The magnétisation normal component oscillation with remagnetisation amorphous ribbon 0o82-79-Zr9", abstract intermag-93 conférence, Stockholm, Sweden, april 13-16 1993,

5.ШПИНЬКОВ H.И., nEFOB H.C., РАДКОВСКАЯ A.A. 'Магнитная структура пленок Gd-ib-Oo, в сб.тез.докл.'XIX Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений, г.Ташкент,IS3I, стр.83.

6. ШПКНЬКОВ Н.К., ПЕРОВ H.G., РАДКОВСКАЯ А.А., 'Релаксаци намагниченности в обменно-связанных многослойных пленка Ki-Pe-Fe?i!n-Co', в сб.тез.докл.XIII Всесоюзной школы семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники (магнитные пленки)" 1ЭЭ2, стр.1ЭО-1Э1.

7. peroy U.S., RADKOVSKAJA А.А., "Angle retarding measuremen with vibrating sample anisometer", abstract of 11 Soft Magneti Materials conference, Yenesia, Italy, 29 September - ; oktober 1993 year,

8. PEROY U.S., biARTYNOYA Z.B., RABKOYSKAYA A.A., "The ac magneti-field treatment of the powder for the magnetic tape", abstract o; icm-94, Warsaw, Poland, 1994

9. PEROY U.S., RADKOYSKAYA A.A., "Che thin films Gd-Ib-C< magnetic structure", abstract of ICM-94, Warsaw, Poland, 1994.

\