Магнитные свойства неупорядоченных редкоземельных ферримагнетиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

1 О Ш!1 ¡МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

САЙКО

Геннадий Владимирович

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ФЕРРИМАГНЕТИКОВ

(Специальность 01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в теоретическом отделе Института Общей Физики РАН и на кафедре твердотельной электроники и радиофизики Московского физико-технического института.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор физико-математических наук, профессор ЗВЕЗДИН А. К.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

доктор физико-математических наук, профессор Бурков В.И

доктор физико-математических наук Попков А.Ф.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Институт энергетических проблем химической физики РАН

Защита состоится 25 мая 1ЭЭЗ года в 14-30 на заседании специализированного совета K-063.91.0i при Московском физико-техническом институте (141700. Московск. обл.. г.Долгопрудный. Институтский пер. д. 9. МФТИ. 204НК).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 22.апреля 1993 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА

Н.Д.Коновалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Физика и техника магнитооптических'запоминающих устройств представляет собой в настоящее время бурно развивающуюся область науки.

Одним из наиболее перспективных классов материалов для " записи- . Бающих сред являются аморфные, сплавы редкоземельных и переходных металлов. Широкий спектр уникальных свойств пленок аморфных сплавов Зс1-4Г элементов (достаточно . низкая температура Кюри - 50-300ЛС, значительная энергия перпендикулярной магнитной анизотропии, доста-. точно высокая магнитооптическая активность и т.д.) позволяет создавать на их основе высокоэффективные запоминающие устройства, использующие .термомагнитную запись ..и магнитооптическое, считывание. Подобные магнитные среды обеспечивают высокую плотность записи 10е бит/см (что примерно на два порядка выше аналогичного показателя современных серийных накопителей), обладают малыми шумами воспроизведения и для термомагнитной записи в них могут быть использованы сравнительно маломощные полупроводниковые лазеры.

• Стремительный прогресс в решении прикладных задач, в том .числе ' и в создании магнитооптических ЗУ, стимулировал развитие ряда фундаментальных проблем связанных с изучением влияния структурной сто-, хаотичности на физические свойства среды, имеющих большое общенаучное значение. Среди них важное место занимает изучение динамики . межфазных границ в неупорядоченных средах. ■ Возможность изменения состава аморфных магнитных сред в .широких пределах и наличие удобных с экспериментальной точки зрения магнитооптических методов визуализации доиерных структур дают основание полагать, что аморфные магнитные среды являются удобными объектами в исследованиях особенностей динамики межфазной границы в неупорядоченных средах. В то же время, современное состояние исследований по динамике ДГ и росту доменных структур в кеупарядачендах ¡средах едва ли можно охарактеризовать как удовлетворительное.

С другой 1 стороны . изучение ©сдбенностей влияния стохастичности среды на статические и динамические магнитные свойства имеет большое прикладное значение. Хотя в €ША и Японии уже созданы серийные ЗУ, использующие в качестве рабочей среды аморфные сплавы редкоземельных и переходных металлов, тем не менее в настоящее зремя идет активный поиск новых сред и оптимизация процессов -запиои-всспроиз-

... " 4 "

ведения на существующих носителях. Такое состояние дел обусловлено тем обстоятельством, что большая часть используемых на сегодняшний день составов получена скорее в результате перебора компонентов. • чем в результате целенаправленного поиска. Современное развитие магнитооптических ЗУ идет по пути увеличения плотности записи, переходу к более коротковолновой области спектра, создание устройств с прямой перезаписью. Это выдвигает на передний план исследование широкого спектра физических свойств аморфных сред,, изучению которых, несмотря на значительные успехи в области получения и использования пленок аморфных магнитных материалов не уделялось достаточного внимания. Так, одной из важных проблем по которой на сегодняшний день не имеется полной ясности является влияние пространственной стохас-' точности на магнитные свойства среды, как статические так и динамические. В первую очередь это относится к теории магнитного упорядочения в аморфных магнитных средах и теории магнитных структур в структурнонеупорядоченных магнетиках.

Будущее магнитной записи, по-видимому, связано с переходом на магнитные носители состоящие из' невзаимодействующих микроскопических ферромагнитных частиц (содержащих 104-10* атомов). Устойчивость хранения информации в таких средах существенно-определяется процессами туннелирования макроскопического магнитного момента. Поэтому, представляется исключительно важным исследование различных факторов. определяющих туннелирование в подобных системах. Одним из таких факторов есть'воздействие внешнего шума.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение статических и динамических свойств магнитных сред с пространственной и временной стохастичноетыо: исследование структуры магнитного упорядочения и спин-переориентационных переходов в аморфных магнитных средах: 'исследование влияния внешнего шума ::а характер спин-переориентационных переходов в магнетиках; исследование особенностей динамики доменной границы в структурно' неупорядоченных средах во внешних магнитных полях близких к коэрцитивной силе,-

К главным задачам работы относятся:

1) Исследование структуры магнитного упорядочения и епин-перео-риентационных фазовых переходов в неупорядоченных средах с конкурирующей магнитной анизотропией.

2) Исследование спин-переориентационных переходов в аморфных пленках редкоземельных и переходных металлов. Изучение влияния структурного разупорядочения на магнитные свойства соединений пере-

ходных металлов с иттрием.

• 3)'Изучение процессов движения доменных границ в структурнонеу-порядоченных средах, исследование термоактивированного движения доменных границ в неупорядоченных средах в магнитных полях, чья величина не превосходит поле коэрцитивности. Установление взаимосвязи формы доменных структур, получаемых в процессе термоактивированного роста с параметрами среда (намагниченностью, температурой, толщиной пленки й т.д.). Классификация типов доменных структур, возникающих в процессе термоактивированного роста.

4) Исследование воздействия внешнего зависящего от времени шума на характер спин-переориентационных переходов в одноосных магнетиках. Изучение макроскопического туннелирования. индуцированного шума.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Показано, что в случае, если характер макроскопической магнитной анизотропии определяется в основном анизотропией парного упорядочения, то аморфные соединения редкоземельных и переходных металлов можно рассматривать как магнетики с конкурирующей анизотропией. Построены магнитные фазовые диаграммы. Получены уравнения для линий устойчивости и линий существования фаз с ближним и дальним порядком.

2. Изучено влияние стохастичности среды на магнитные свойства соединений иттрий-переходный металл. Показано, что при аморфизации первоначально кристаллического обменно-усиленного парамагнетика возможен переход к ферромагнитному упорядочению через суперпарамагнитную область. Определена зависимость намагниченности и температуры Кюри зонных слабых ферромагнетиков от характера стохастичности среды.

3. Изучен характер движения доменных границ в структурно-неупорядоченных средах в окрестности поля коэрцитивности. Показана эквивалентность задачи о развитии доменной структуры в структурно-неупорядоченном магнетике задаче со свободными границами (задача Стефана). Изучен характер зависимости формы растущи$здоменных структур от параметров среды: температуры, намагниченности, магнитной анизотропии и т.д. '

4. Обнаружено, что доменные структуры, образующиеся в процессе термоактивированного роста обладают свойством самоподобия. Для количественной характеристики растущих доменных структур предложено использовать Фрактальные размерности. Выполнено- численное моделиро-

- 6 - ■

вание-процессов роста доменных структур в неупорядоченных средах, обсуждена связь с экспериментально наблюдаемыми доменными структурами. Определены фрактальные размерности.

5. Выполнен анализ релаксационной динамики одноосного ферромагнетика в присутствии мультипликативного внешнего шума. Показано, что в системе наблюдается новый тип фазовых переходов: фазозый переход, индуцированный шумом. Исследован характер зависимостей фазовых диаграмм от параметров: величины одноосной анизотропии, внешнего магнитного поля, мощности грума. Рассмотрен механизм макроскопического туннелирования магнитного момента, индуцированного шумом. Вычислено Еремя перехода из метастабильного состояния в устойчивое/

Практическая ценность. В результате' выполнения диссертационной ■ работы разработана модель термоактивированного движения доменных границ - в структурно-неупорядоченных магнитных средах, позволяющая связать параметры среды с типом неустойчивости формы магнитного до-доена в процессе записи и хранения информации. На основании приведенного анализа доменных структур удалось установить количественные характеристики формы структур доменов - фрактальные размерности, которые связаны с соотношением сигнал-шум при считывании информа-. цли.

На основе разработанной модели аморфного ферромагнетизма в сплавах РЗ-ПМ удалось связать состав среды с величиной одноосной магнитной анизотропией и полем коэрцйтивности. Полученные соотношения позволяют оптимизировать состав записывающей ср^цы с целью увеличения плотности записи :.иформации. быстродействия записи, а также оптимизировать процессы перезаписи.

В результате исследования релаксационной динамики одноосного магнетика получены соотношения, позволяющие связать свойства системы со стабильностью хранения информации в новом, классе запоминающих устройств, использующих в качестве носителя микроскопические магнитные частицы, помещенные в немагнитную матрицу.

Результата, выносимые на защиту.

1. Результаты теоретического исследования спин-переориентации в аморфных сплавах редкоземельных и переходных металлов: создание модели аморфного магнетизма сплавов РЗ-ПМ, исследование фазовых диаграмм Н-Т. ;

2. Результаты теоретического исследования влияний стохастичнос-ти среды на' характер магнитного упорядочения в соединениях \'-Со, \'-Ре на пенпне развитых представлений о характере спиновой перео'ри-

ентации в соединениях с конкурирующей анизотропией.

3. Результата теоретического исследования процессов движения доменных границ в структурно-неупорядоченных магнитных средах: создание математической модели термоактивированного движения - доменних границ, установление эквивалентности с задачами со свободной границей.

4. Результаты численного моделирования движения доменных границ в аморфных средах: обнаружение сзойства самоподобия растущих доменных структур, характеристика морфологии.растущих доменных структур с помощью фрактальных размерностей, исследование характера влияния анизотропии роста на характер растущих- доменных структур. ,

5. Результаты теоретического анализа влияния внешнего шума на характер спин-перёориентационных переходов в магнитных средах: исследование стационарной плотности распределения, характера фазовых переходов; обнаружение фазового перехода индуцированного внешним шумом; изучение характера макроскопического туннелирования магнитного момента, индуцированного шумом.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации обсуждались на: Всесоюзном семинаре по магнитомикроэлектронике (Алушта, 1989 г.). V Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Симферополь.. 1990 г.), IV Семинаре1 по функциональной магнитоэлектронике (Красноярск. 1990 г.),. XII ВЬесоюзной Школе-семинаре Новые магнитные материалы микроэлектронике (Новгород, 1990). Выездной сессии Научного совета АН СССР, по проблеме "Редкоземельный магнетизм: физика и приложения" (Алушта. 1991 г.). XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991 г.), loth Internatlnal Colloquium on Magnetic Films and Surfaces (Glasgo, UK. 1991). INTERMAG-92 (fit. Louis, USA, 1992), MORIS-92 (Tucson,. USA, 1922), а также на научных семинарах в Московском физико-техническом институте, Институте общей физики АН, Институте физических проблем АН. Институте энергетических проблем-химической физики АН, Объединенном институте ядерных исследований.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 12 печатных работах, список которых приведен в конце авторефе^ рата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. пяти глав, заключения, трех» приложений и списка цитируемой литературы. Работа содержит 15"£7 страниц текста, включая 40 рисунков. 3 таблицы и библиографию из 112. наименования.

*

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ *

Во введении сформулирована актуальность проблематики, цели работы, научная новизна и практическая ценность результатов, результаты выносимые на защиту, а также приведен список работ автора по теме диссертации. *

В первой главе сделан обзор литературных данных по теме диссертационной работы. Кратко рассмотрены основные свойства аморфных сплавов редкоземельных и переходных металлов. Обсуждено влияние неупорядоченности среды на магнитные свойства.

Поскольку считается, что в аморфном состоянии структура ближнего окружения сохраняется, то можно выделить два основных механизма проявления стохастичности., Во-первых, это локальные кристаллические поля. Этот механизм существенен для систем, содержащих РЗ-ионы с орбитально вырожденным основным состоянием: симметрия локального кристаллического поля определяет магнитную анизотропию РЗ иона. Во-вторых, это изменение межатомных расстояний. Этот механизм наиболее существенен для ПМ-ПМ взаимодействия. Для иллюстрации влияния стохастичности на магнитные свойства d-подсистемы рассмотрены магнитные свойства кристаллических и аморфных сплавов иттрия с железом и кобальтом (в данных системах возможно экспериментальное .наблюдение спин-стекольного поведения).

Далее обсуждается влияние стохастичности на свойства f-подсис-4 темы. Стохастическая магнитная анизотропия как и случайное обменное взаимодействие (спиновые,стекла) может приводить к разрушений дальнего магнитного порядка в системе и к образованию стохастических магнитных структур. Рассмотрены основные модели магнетиков со случайной анизотропией: RAM (random axis model), RF (random fields model), конкурирующая магнитная анизотропия. Применимость той или иной модели определяется типом структурного беспорядка в системе: беспорядок замещения или топологический беспорядок.

Структурная стохастичность среды.существенным образом .влияет и на динамические свойства Неупорядоченных магнитных соединений. Наиболее существенно это влияние проявляется- в так называемом "вязком" или тормоактавированном движении доменных границ во внешних полях, величина которых близка к полю коэрцитивности. При этом движение доменных границ не является непрерывным процессом, а представляет собой скачки участков доменных границ (0.3-0.5 мкм для аморфных

пленок ТЬРе). В больших полях влияние стохастичности проявляется в специфическом механизме диссипации энергии ДГ - путем интенсивного возбуждения изгибных колебаний ДГ (локализованных вблизи ДГ магно-нов). •

Во второй главе представлены результаты исследования спиновой переориентации в магнетиках с.конкурирующей анизотропией.

Рассматривается одноподрешеточный магнетик с конкурирующей магнитной анизотропией, находящийся во внешнем магнитном поле. Величина одноосной анизотропии ^з(г) является случайной величиной и может принимать как положительные (легкая плоскость), так и отрицательные (легкая ось) значения.

Магнитная структура стохастической среды определяется ориентацией <М(г)> и корреляционной функцией ориентационных флуктуация параметра порядка <М(Г)МИ>. Равновесное положение средней намагниченности определяется из условия минимума термодинамического потенциала. полученного из исходного путем исключения Флуктуаций среды. В то же время характер флуктуационной добавки в термодинамический потенциал определяется равновесным положением средней намагниченности.' Таким образом, задача об определении характера воздействия стохастичности среды на характер спин-переориентационных переходов 'сводится к решению самосогласованной системы нелинейных уравнений.

Поправки к термодинамическому потенциалу, соответствующему эффективной среде (характеризуемой средним вектором намагниченности), вычислялись на основе формализма функций Грина.

Простейший эффект, обусловленный флуктуациями анизотропии состоит в появлении положительной второй компоненты анизотропии, кото-, рая стабилизирует угловую фазу. Второй эффект, связанный со стохас-тичностью среды, состоит в смещении линий перехода между симметричной и угловой фазами.

Спиновая переориентация средней намагниченности в магнетиках с конкурирующей анизотропией может осуществляться либо путем фазового перехода первого рода между симметричными фазами, либо путем переориентации через угловую фазу, сопровождаемую двумя фазовыми переходами. второго рода. Однако эта фазовые переходы второго рода обладают внутренней структурой: р непосредственной окрестности точки пе-< рехода существует область, внутри которой существуют отклонения локальной ориентации магнитных моментов относительно среднего момента, направление которого, определяется симметрией задачи. ( Эта область характеризуется конечным радиусом Флуктуаций {(й/А)/гШёсь а

-эффективная анизотропия, А - константа неоднородного обменного взаимодействия). т.е.. представляет собой фазу с ближним порядком (аеперомагнитнэя фаза).

Процесс спиновой переориентации из симметричной фазы в угловую можно себе представить следующим образом. Предположим, мы находимся в глубине симметричной Фазы (намагниченность направлена вдоль оси анизотропии). По мере приближения (например, за счет уменьшения поля) :к области перехода появляются области, в которых^ (г) принимает положительное значение. В этих местах локальному минимуму энергии бы отвечала ориентация намагниченности в плоскости. Однако, неоднородное обменное взаимодействие удерживает локальные магнитные, моменты от такого разворота до тех пор, пока мощность флуктуации анизотропии не превысит некоторого порогового значения, которое определяется энергией образования зародыша. Пока такие флуктуации, чья мощность превысила пороговое значение о;носительно редки/»>(%) здесь р - расстояние между'такими флуктуациями, локальное отношение намагниченности отдельных таких зародышей новой фазы не коррелиро-ваны между собой. Яри дальнейшем продвижении вглубь асперомагнитной Фазы увеличивается число таких зародышей и увеличивается корреляционная длина. Поэтому различные зародыши начинают сливаться. При этом ориентация магнитного момента изменяется ^скачком. Непосредственно в точке перехода все пространство занято одним скоррелиро-ваннкм кластером, таким образом в системе устанавливается дальний порядок, соответствующий угловой фазе.

Следовательно, аспьромагнитная фаза представляет собой область, в которой сосуществуют две фазы: коллинеарная и угловая, и, соответственно, спиновая переориентация через угловую фазу представляет ■собой размытый фазовый переход первого рода. -

В'третьей главе результаты полученные во второй главе применяются гля исследования магнитных свойств аморфных сплавов редкоземельных и переходных металлов и соединений иттрий - переходный металл.

В первом разделе предложена модель для описания аморфного магнетизма в аморфных сплавах РЗ-ПМ.

Известно, что взаимодействие между ионами редкой земли {1-1) в пленках РЗ-ПМ с составами близкими к компенсационным, ввиду малой протяженности волновых функций 4Г-электронов, является косвейным и !'п меньшой мерс на порядок слабее прямого взаимодействия между ио-_ пими переходного металла (<1-й). которое определяет температуру упорядочения. П:,е.:;кодойствие РЗ-ПМ токе носит косвенный характер-V яв-

ляется промежуточным между РЗ-РЗ и ПМ-ПМ. -Температура компенсации определяется именно этим взаимодействием.

С учетом вышесказанного наиболее простым приближением является рассмотрение РЗ подсистемы как парамагнитной, находящейся в эффективном поле, создаваемой й-подсистемой. намагниченность Зс1-подоис-темы М считается '¿насыщенной"-и зависит только от температуры. Гамильтониан :Г-подсистемы включает .взаимодействие Г-иона с внешним полем и полем ближайшего окружения. .

На основании введенной модели получен термодинамический потенциал аморфного магнетика и показано, что если основным механизмом формирования одноосной магнитной анизотропии является анизотропия парного упорядочения, то аморфная среда может быть описана в терминах магнетика с конкурирующей анизотропией. Определены линии потери устойчивости угловой фазь? и линии существования асперомагнитных фаз.. Обсужден характер спиновой переориентации в аморфных славах. Обсуждены возможные проявления стохастичных магнитных структур и возможности их экспериментального наблюдения.

Во второй части изучено влияние структурной неупорядоченности на характер магнитного порядка в ненасыщенных соединениях иттрия, с переходными металлами.

Если магнетизм( соединений переходный металл - тяжелая редкая земля удовлетворительно описывается в рамках теории локализованных моментов, то свойства соединений У-Со, в значительной степени

обусловлены коллективизированными электронами. Поскольку в подобных соединениях ПМ-подсистема часто далека от .насыщения, т.е. наблюдается значительное уменьшение локального магнитного момента /X по сравнению с чистым материалом, то их можно условно отнести к слабо ферромагнитным металлам, магнитные свойства которых наиболее адекватно описываются в рамках теории самосогласованной перенормировки. Суть данного подхода, который является обобщением теории Хартри-Фо-ка. состоит в самосогласованном расчете перенормированного термодинамического потенциала и спиновых флуктуаций.

В рамках развитого подхода показано, что при аморфизации среды (например, в следствие измельчения в шаровой мельнице) намагниченность и температура Кюри ведут себя сходным образрм. Измельчение и обусловленное им образование дефектов приводит к образованию областей с повышенным и пониженным содержанием ПМ (это наиболс з характерно для \'Со^,\'гСо7). На начальных стадиях измельчения флуктуации плотности состояний р{г) отличаются малой дисперсией Б и малым кор-

•■ ■ - - 12 - ' ' ' реляционным радиусом (порядка межатомных размеров). При дальнейшем измельчении плотность дефектов возрастает, 0 увеличивается и вместе с ней увеличивается корреляционный радиус, при этом намагниченность и Тс возрастает. При дальнейшем возрастании плотности дефектов когда корреляционный радиус сравним с характерным расстоянием между дефектами .1? ~ п'/? где п - плотность дефектов в единице объема, корреляционный радиус начинает -уменьшаться вместе о и . й начинает насыщаться, поскольку распределение частиц в объеме теперь все менее отличается от среднего, и Тв и/* проходят свое максимальное значение и начинают уменьшаться. Таким образом, на начальном этапе разу-поря.^очения слабо ферромагнитных материалов происходит увеличение намагниченности и Тс. Аналогично для парамагнитных материалов, находящихся вблизи перехода в ферромагнитное состояние ^/ЕрД-^обмен-но-усиленные парамагнетики), аморфизация среды может приводить к установлению ферромагнитного упорядочения'. Этому факту можно дать -наглядную интерпретацию. Поскольку среда находится вблизи перехода в ферромагнитное состояние, то нерачительные локальные изменения вследствие стохастизации приведут к появлению областей, перешедших в ферромагнитное состояние, разделенных парамагнитными областями. При этом если радиус обменного взаимодействия меньше-размера этих парамагнитных областей, то отдельные ферромагнитные области нескор-релированы и в системе не устанавливается дальний ферромагнитный порядок - среда обнаруживает суперпарамагнитное поведение. При дальнейшем разупорядочении, по мере'4уменьшени: расстояния между' Ферромагнитными областями (это'расстояние можно оценить как п'") в системе устанавливается дальний ферромагнитный порядок. По-видимому. '.такого типа поведение следует ожидать для разбавленных сплавов У-Ге, кристаллические соединения^которыХ не обладают ферромагнитной ■ Фазой. .

В четвертой главе исследованы механизмы развития доменных структур в неупорядоченных магнитных средах.

С математической' точки зрения задача о движении доменной границы в магнитной среде относится к классу задач со свободной границей (так назызаемая' задача.Стефана). Поэтому, диссипативные структуры, образующиеся б процессе перемагнкчивания, обладают рядом схожих черт с другими типами диссяпативкых структур, образующихся в процессах кристаллизации переохлажденного расплава (дендриты). . вытеснения более вязкой жидкости менее вязкой (вязкие пальцы),'электроо-са;;'дснкя в р&строре' электролита.

Поскольку процесс движения доменных границ в аморфных пленках РЗ-ПМ во внешних полях близких к полю коэрцитивности не является непрерывным, а состоит из скачков, то для его описания предложена вероятностная модель термоактивированного роста. Вероятность движения участка доменной границы определяется локальным пслем размагничивания, которое в свою очередь определяется формой домена.. На основании предложенной модели проведено компьютерное моделирование роста доменных структур. В силу упомянутого' характера движения- ДГ для моделирования процессов роста домена можно перейти к решетке, масштаб которой естественно отождествить с' экспериментально наблюдаемым (0.3-0.5 мкм).

Численное моделирование по методу. Монте-Карло процесса роста доменных структур проводилось на квадратных решетках 150*150 и. 250*250. Доменные структуры "прорастали" из начального затравочного цилиндрического домена. Характер растущих доменных структур определяется безразмерным показателем

(1)

где d- толщина пленки, 1- масштаб решетки, V- так называемый акти-вационный объем. М- намагниченность насыщения, Т- температура. В зависимости от величины показателя } можно выделить три режима роста доменных структур

а) j » 1 - наблюдается рост практически полосовых доменов

б) j « 1 - домены имеют практически цилиндрическую форму

в) j «. 1 - наблюдаются различные типы промежуточных доменсз.

На рисунке 1 показан переход от Практически одномерных (полосовых) доменов к. двумерным (цилиндрическим) доменам, при изменении величины параметра j. На рисунке 2 представлены домены, получаемые в процессе компьютерного моделирования и их экспериментальные аналоги, наблюдаемые в пленках TbFe. Можно предположить, что растущие доменные структуры обладают свойством самоподобия. Для проверки этого предположения были определены фрактальные размерности. В частности, определялась размерность растущих доменных структур. • связанная с соотношением между площадью домена S и радиусом гирации Rj

R? - S,/o< (2)

Оказалось, что действительно растущие доменные структуры обладают

Рис.1. Доменные структуры, получаемые в процессе математи моделирования при t- 0.1, о.З, 0.5, 0.75, 0.9, 1.2, 2, 3,

тгшиит'и»- Хчт^иМич

Рис.2. Доменные структуры, получаемые в процессе математического моделирования, и их экспериментальные аналоги, наблюдаемые в пленках а) ТЬ17Гевз, 6) ТЬ1э.5^981. ь. в) ТЬгоГеео-

. - 16 -

свойством самоподобия и могут быть охарактеризованы при помощи • фрактальных размерностей.

Исследовалось также влияние анизотропии роста на характер доменных структур. Найдено, что анизотропия роста в различных направлениях (например, из-за механической обработки) приводит к исчезновению глобального самоподобия доменных структур. Растущие домены характеризуются различными скейлинговыми показателями в разных направлениях.

Рассмотренный термоактивированный рост, контролируемый формой доменов определяет процессы деградации питов при эксплуатации носителя информации. Аналогичные процессы роста имеют место и в других магнитных средах, например при перемагничивании магнитотвердых материалов (БшСоСи и т. д.).

В пятой главе исследована релаксационная динамика одноосного ферромагнетика во внешнем поле в присутствии шума.

Хорошо известно, что динамика спиновой системы ферромагнетика в присутствии диссипации описывается уравнением. Ландау^ЛиФшица с . диссипативным членом в форме Ландау-Лифиица или Гилберта. Если внешнее магнитное поле содержащее шумовую компоненту направлено вдоль оси анизотропии, то уравнения движения расцепляются на уравнение движения продольной и поперечной компоненты вектора намагниченности. При этом динамика продольной компоненты намагниченности является чисто релаксационной

здесь -

3= «/м

где X - продольная компонента намагниченности, р - константа одноосной анизотропии, И - магнитное поле.

Заменяя параметр А. стационарным случайным процессом Я^*Я• (где внешний шум имеет нулевое среднее и мощность са), уравнение (3) можно переформулировать в терминах стохастических дифференциальных уравнений в интерпретации Кто или Стратоновича. Отличительней особенностью данной модели является то обстоятельство-, что результаты получаемые и в.-интерпретации СДУ Ито и в интерпретации СДУ ¡;тр,атоновича отличаются лишь несущественными численными множителями. - ,

Кспользуг. формализм уравнения «Хюккера-Планка получена стацио-

¡¡арная плотность вероятности нахождения магнитного момента, определены моменты первого и второго порядка. Показано, что в присутствии внешнего шума в системе возможно два типа фазовых переходов, один из которых обусловлен исключительно воздействием шума. Второй эффект,- обусловленный воздействием внешнего шума, состоит в появлении эффективной константы анизотропии в направлении действия внешнего поля

р р - г<$* (4)

Получено, что при р- 2вг<0, /з о .система является биста-бильной. На основе общей теории одношаговы* процессов вычислено Время перехода из метастабильного состояния в устойчивое. Рассмотрен новый механизм макроскопического туннелпрования, индуцированного шумом. Обсуждена связь с макроскопическим квантовым туннелирова-нием и термоактивированным туннелированием.

В приложениях приведены основные сведения о случайных полях; функции Грина стохастических дифференциальных уравнений: фрактальных размерностях.

В заключении сформулированы ось^вные выводы:

1. Используя методы диаграммной техники рассмотрен характер спин-переориентационных фазовых переходов в аморфных' РЗ-ПМ ферри-магнетиках. Показано, что в приближении виртуального кристалла в зависимости от параметров среды в системе возможно существование трех.фаз: двух коллинеарных и угловой. Переориентация между колли-неарными фазами может осуществляться через угловую путем двух фазовых переходов второго рода или путем фазового перехода перряго рода. Учет стохастичности среды приводит к тому, что переориентация ' .из коллинеарной в угловую фазу происходит через образование асперо-магнитной фазы. Асперомагнитная фаза характеризуется наличием средней намагниченности и ближнего порядка в ориентации поперечных спиновых компонент. Получены границы области существования асперомаг-нитной фазы.

3. Получено, что для У-обогащенных соединений \'-ПМ обладающих в кристаллическом состоянии ферромагнитным порядком стохастизация среды приводит к стабилизации ферромагнитного состояния (росту Тс и локального магнитного момента^), 'причем Тв~/<УгПри аморфизации первоначально кристаллического обменно-усяленного парамагнетика возможен переход к ферромагнитному упорядочению через оуперпарамагнитную область.

- - .

4. Изучен характер движения доменных границ в пленках аморфных сплавов РЗ-ПМ около компенсационного состава в окрестности поля ко-эрцитивности. Показана эквивалентность задачи о развитии доменной структуры в структурно-неупорядоченном магнетике задаче со свободной границей (задача Стефана). Изучен характер зависимости формы растущих доменных структур от параметров среды: температуры, намагниченности, магнитной а&зотрошда, толщины пленки и т.д.

5. Обнаружено, что доменные структуры, образующиеся в процессе термоактнвированного роста обладают свойством самоподобия. Для количественной характеристики растущих доменных структур предложено использовать фрактальные ^размерности. Выполнено численное моделирование процессов роста доменных структур в неупорядоченных средах. Обсуждена связь с экспериментально наблюдаемыми доменйыми структурами. Определены фрактальные размерности.

6. В результате анализа релаксационной динамики одноосного ферромагнетика в присутствии мультипликативного внешнего шума показано. что в системе наблюдается неравновесный фазовый переход, индуцированный шумом. Исследован характер зависимостей фазовых диаграмм от параметров: величины одноосной анизотропии, внешнего магнитного поля, мощности шума. Рассмотрен механизм макроскопического туннели-рования магнитного момента, .индуцированного шумом. Вычислено время перехода из метастабильного состояния в устойчивое. .

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях: '

1. Звездам А.К., Игнатьев И.А.. С.айко Г.В., Уточкин С.'Н. Влияние поверхности на перемагничивание аморфных пленок РЗ-ПМ // Когерентное взаимодействие излучения с веществом: Тез.докл. V Все-союз. совещ. - Симферополь, 1990. - с. 181.

2. Игнатьев И. А., СайкоГ.В.. Уточкин С. Н. Перемагничивание-неоднородных по толщине аморфных пленок редкая земля-переходный металл // Тез. докл IV Семинара по функциональной магнитоэлектронике. Красноярск. 1990.- с.

3. Звездин А.К., Сайко Г.В. Перемагничивание двухслойных аморфных пленок РЗ-ПМ // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Тез. докл. XII Всесоюзной Школы-семинара.- Новгород. 1990. ч. 2.-С.206-207.

4. Сайко Г. В. О кинетике спин-переориентационных переходов, и стохастической динамике доменных границ в аморфных магнитных плен-^

ках // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Тез. докл. XII Всесоюзной Школы-семинара. - Новгород. 1990. ч.2.- с. 143-144.

5: Звездин А.К.. Сайко Г.В. Необратимый рост фрактальных доменных структур в аморфных магнитных пленках // Тез. докл. XIX Всесо-юз. конф. по физике магнитных, явлений. - Ташкент. 1991. ч._2.-с.97.

6. Звездин А.К.. Сайко Г.В.. Уточкин С.Н. Влияние поверхностной анизотропии .на процессы перемагничивания и ориентационные переходы в ферримагнитных пленках. Прелр. / ИОФАН; N68. М.. 1990. 23 с.

7. Звездин А.К.. Уточкин С.Н.. Сайко Г.В. Процессы спиновой переориентации в аморфных редкоземельных ферримагнетиках. Препр./ ИОФАН; N69. М., 1990. 23 с.

8. Андреенко А. С.. Звездин А. К.,. Никитин С. А., Сайко Г.В.. Уточкин С.Н.. Чешля Д.Ю. Магнитные свойства и фазовые переходы в аморфных сплавах Er-Fe // ЖЭТФ. 1991. г т. 99. - вып. 2.- с. 540-550.

9. Звездин А. К., Сайко Г.В.. Уточкин С.Н. Поверхностная магнитная анизотропия и фазовые переходы в аморфных пленках РЗ-ПМ // ФТТ.

1991,- Т. 31. - н. 11.- С. 3175-3182.

10. SaykoG.V.,, Zvezdln А.К. Growth' anlsotropy pf fractal domain structures // Digests of MORIS-92. Tucson, USA. 1992. Digest Mp-25.

11. Sayko G.V., Utochkln S.H., Zvezdln A.K. Spln-reorlentatlon phase transitions In thin films of RE-TM amorphous alloys // JМММ.

1992,- v. 113. - p. 194-200.

12. SaykoG.V.. Zvezdln A. K-.. Pokhll T.G., Vvedensky B.S.. Nlkolaev E.N. Fractal domain structures In thin amorphous films// IEEE Trans. Magn. 1992.- v. 28,- n.5. - p. 2931-2933.

М"РТИ. Зако5 1/IS5 . Тчрпх 100**5 . I^.OV.SSc