Моделирование безактивационного смещения доменной границы и исследование центров закрепления в тонких пермаллоевых пленках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Краткий исторический обзор

1.1. Взаимодействие дефектов с доменной границей

1.2. Численные эксперименты по смещению упругой нити через хаотические сетки точечных препятствий

1.3. Экспериментальное исследование поля дефектов в тонких пермаллоевых пленках

ГЛАВА II. Моделирование на ЭВМ смещения гибкой доменной границы в тонкой пермаллоевой пленке

2.1. Описание модели

2.2. Описание движения доменной границы по результатам машинного эксперимента

2.3. Функции распределения углов излома устойчивых конфигураций при безактиваци-онном смещении доменной границы через хаотические сетки препятствий

2.4. Распределение длин сегментов,зависимость средней длины сегмента устойчивой конфигурации доменной границы от внешнего поля

2.5. Влияние размагничивающего поля на процесс смещения доменной границы

2.6. Выводы

ГЛАВА III. Аналоговое моделирование процесса смещения гибкой доменной границы в тонкой ферромагнитной пленке

3.1. Аналоговая модель. Экспериментальная установка. Цель и методика проведения эксперимента

3.2. Решение обратной задачи

3.3. Выводы

ГЛАВА 1У. Статистические характеристики центров закрепления доменной границы в тонких пермаллоевых пленках

4.1. Объекты исследования

4.2. Методика наблюдения и обработки устойчивых конфигураций ДГ

4.3. Магнитооптические наблюдения движения доменных границ в исследуемых пермаллоевых пленках

4.4. Результаты решения обратной задачи

4.5. Движение доменной границы в режиме сползания

4.6. Обсуждение результатов

4.7. Выводы 104 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В большинстве случае перемагничивание магнитных материалов осуществляется путем смещения доменных границ. При этом доменная граница взаимодействует с дефектами материала^" являющимися центрами закрепления, хаотически расположенными в образце и создающими ддя гранищ энергетические барьеры Щ.

Исследование физических свойств центров закрепления является актуальнейшей проблемой в связи с необходимостью улучшения технологических и эксплуатационных свойств магнитных материалов и повышения их качества. Так, например, использование тонких ферромагнитных пленок в качестве различных устройств в радиоэлектронике [2, 3] требует знания характеристик поля дефектов, определяющих движение доменных границ.

Во многих случаях взаимодействие доменных границ с дефектами приводит к изменению ее формы, при контакте с препятствием граница изгибается. Это изменение наиболее сильно в том случае, когда дефекты можно считать локализованными, то есть когда среднее расстояние между дефектами много больше радиуса их взаимодействия с границей. Величина изгибов зависит от свойств границы ( ее поверхностной энергии ) и характеристик поля дефектов, которыми являются распределение критических сил взаимодействия дефектов с доменной границей по величине и поверхностная концентрация дефектов. Под силой взаимодействия понимается производная от энергии связи доменной границы с дефектом по координате. Критическая сила - максимальная сила, с которой дефект может удерживать доменную границу. Связь между характеристиками формы доменной границы (случайными изгибами) и характеристиками поля дефектов является основанием для использовалия доменной границы как зонда для исследования поля дефектов в реальных материалах. В том случае, когда дефектов в образце мало, как, например, в ферритах-гранатах, то с помощью доменной границы можно определить топографию отдельных дефектов и их характеристики. В тех случаях, когда дефектов много, эта связь неочевидна, так как граница останавливается не на всех дефектах, а только на тех, которые обеспечивают ей условие устойчивости. Эти связи могут быть установлены только статистически.

В разработанной в настоящее время статистической теории необратимых смещений доменной границы установлены соотношения между характеристиками формы границы и характеристиками поля дефектов. Показано, что в определенных случаях возможно однозначное определение статистических характеристик поля центров закрепления доменной границы из экспериментально найденных характеристик ее формы. Однако экспериментальной проверки такой возможности до сих пор не было проведено.

Целью работы являлось: I) методом численного эксперимента установить связи между статистическими характеристиками поля дефектов и характеристиками формы доменной границы и сравнить их с полученными аналитическим путем, 2) разработать методику нахождения характеристик поля дефектов из экспериментально найденных характеристик формы границы ( ее изгибов ), 3) создать аналоговую модель, позволяющую осуществить контроль найденных с использованием разработанной методики характеристик поля дефектов независимыми измерениями и 4) исследовать характеристики центров закрепления доменной границы в тонких пермаллоевых пленках.

В проведенной работе методом численного эксперимента исследовано смещение ДГ в нарастающем поле через сетки точечных препятствий, имеющих статистический разброс по критическим силам.

Предложена аналоговая жидкостная модель смещения доменной границы через локализованные препятствия в тонких ферромагнитных пленках. Проведено исследование центров закрепления в тонких пермал-лоевых пленках. Установлены пределы применимости использования доменной границы, движущейся в режиме сползания, для исследования центров закрепления.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке магнитных материалов для различных устройств, использующих движение доменных границ, так как позволяют из магнитных измерений получить информацию о поле дефектов.

Автор выносит на защиту:

1. Установленные методом численного эксперимента связи между характеристиками поля дефектов и характеристиками формы доменной границы.

2. Разработанную методику нахождения характеристик поля дефектов из экспериментально найденных характеристик случайных изгибов доменной границы.

3. Предложенную аналоговую жидкостную модель смещения доменной границы в тонких пленках, позволяющую контролировать найденные с помощью разработанной методики характеристики независимыми прямыми измерениями.

4. Результаты экспериментального исследования статистического распределения силовых характеристик центров закрепления доменной границы и их концентрации в тонких пермаллоевых пленках.

Основные результаты диссертационной работы.

I. Методом численного эксперимента проведена проверка уравнения связывающего плотность распределения углов излома (</.] на безактивационных конфигурациях и функций распределения критических сил • Показано, что полученные в эксперименте распределения углов излома хорошо согласуются с видом р вычисленным по приведенной выше формуле для любого ^(с*) . Показано, что распределения длин сегментов, полученные в эксперименте, хорошо описываются уравнением:

Щ)1

2. Показано, что распределения углов излома на безактивацион ных конфигурациях существенно отличаются от распределений на термоактивированных конфигурациях для тех же при различных внешних полях. Это отличие заключается в том, что обрезание распределений (обращение их в нуль) на термоактивированных конфигурациях происходит при различных значениях критического угла и с уменьшением поля смещается в сторону меньших углов для нормального распределения критических сил и одинаковых центров закрепления. На безактивационных конфигурациях обрезание pi (ск) всегда происходит при максимальной величине критического угла и с уменьшением внешнего поля уменьшается лишь функция с(Ь) в приведенном выше уравнении. Для экспоненциального распределения критических углов вид р1(л) не изменяется от внешнего поля для термоактивированных конфигураций и изменяется c(h) для без-активационных конфигураций. Для заданного W(dj распределения углов излома совпадают при критическом поле. Термоактивированные конфигурации можно использовать для нахождения статистических характеристик поля дефектов с использованием приведенных в п.1 уравнений в том случае, если они получены либо при критическом поле, либо сразу после приложения поля.

3. Предложена жидкостная аналоговая модель смещения ДГ через хаотически расположенные препятствия. На модели проведены эксперименты по нахождению статистических характеристик центров закрепления поверхности жидкости с использованием уравнений, приведенных в п.1. В эксперименте оказалось просто проконтролировать полученные результаты независимыми измерениями. Показано, что нахождение статистических характеристик, основанное на применении приведенных выше уравнений, дает достаточно достоверную информацию.

4. Проведено решение обратной задачи на тонких пермаллоевых о о пленках состава 78Ni 22Fe толщинами от 500 А до 750 А. Показано, что поле центров закрепления в исследованных пленках может быть представлено смесью двух сортов центров закрепления, распределенных по нормальному закону, имеющих различные первые два момента. Установлено, что относительная доля "сильных" центров закрепления в исследованных пленках лежит в интервале (0,2*0,4). Показано, что в случае малой дисперсии критических сил центров закрепления для их исследования может быть использована ДГ, движущаяся в режиме сползания.

5. Методом численного эксперимента показано, что зависимость средней длины сегмента от внешнего поля (соотношение Фриделя) не выполняется. На кривой имеется излом, положение которого зависит от дисперсии критических сил.

Развитая в диссертации методика решения обратной задачи может быть использована для исследования внутренних несовершенств кристаллической структуры ферромагнетиков, так как позволяет по ряду чисто магнитных измерений получить информацию о поле дефектов образца.

Одним из направлений дальнейшего развития теории может являться учёт влияния неоднородности структуры ДГ на распределения углов излома и длин сегментов и, соответственно, на результаты решения обратной задачи.

Так как проблемы, решаемые в диссертации, имеют аналогии и других областях физики твердого тела, например, в теории прочности, то большой интерес представляет приложение результатов работы к таким проблемам как низкотемпературное упрочнение кристаллов . Возможно применение развитой методики решения обратной задачи для нахождения характеристик центров закрепления винтовых дислокаций в кристаллах М $0 с использованием экспериментальных результатов, опубликованных в [66-68] . В работе [69] была предпринята попытка решения обратной задачи путем подбора на ЭВМ распределения критических сил центров закрепления. Однако использование гипотезы об одном сорте центров закрепления не дало удовлетворительного результата, Вид гистограмм сил взаимодействия дислокации с дефектами [68] указывает на то, что для решения обратной задачи должна использоваться гипотеза о двух сортах центров закрепления.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуж

- но дались на зональных семинарах по физике магнитных плёнок (Иркутск, 1974, 1977), на УН и УШ Всесоюзных школах-семинарах "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Ашхабад, 1980, Донецк, 1982), на II Всесоюзной конференции "Методы и средства измерений параметров магнитного поля" (Ленинград, 1980), на ХУ Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Пермь, 1981), на Всесоюзном семинаре по моделированию на ЭВМ нерадиационных дефектов (Ростов-на-Дону, 1983), на Ш Всесоюзной школе по физике пластичности и прочности (Харьков, февраль 1984), и опубликованы в работах [70-77].

В заключение хочу выразить глубокую благодарность за чуткое руководство и постоянную заботу научному руководителю кандидату физико-математических наук, доценту В.С.Черкашину. Особенно глубокую благодарность хочу выразить моему второму научному руководителю кандидату физико-математических наук доценту А.А.Иванову за дружескую помощь и советы на протяжении всего времени работы. Приношу искреннюю благодарность доктору физико-математических наук профессору В.А.Игнатченко за полезные дискуссии и интерес к работе, а также В.Б.Круглову, И.В.Лобову, П.П.Дьячуку и А.Г. Черных за обсуждение результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Вонсовский C.B. Магнетизм.- М.: Наука, 1971.

2. Пузырёв В.А. Тонкие ферромагнитные плёнки в радиотехнических цепях. М.: Сов. радио, 1974. - 160 с.

3. Иванов Р.Д. Магнитные металлические плёнки в микроэлектронике. М.: Сов. радио, 1980. - 191 с.

4. Хуберт А. Теория доменных стенок в упорядоченных средах. -М.: Мир, 1977, 306 с.

5. Eronmüller H., Mi его strukture and mikromagnetism.- ''Magn. and Magnet. Mater. 18th Annu. Conf, Denver. Colo, 1972, Part 2." New York. 1973» P» 1006-1025.

6. Heel L. Cahierc de phys., 1944, No 25» p. 21имеется перевод. Влияние пустот и включений на коэрцитивную силу. В кн.: Физика ферромагнитных областей. - М.: ИЛ, 1951, с. 215-240).

7. Кондорский Е.И. К вопросу о теории коэрцитивной силы сталей. -ДАН СССР, 1948, 63, J& 5, с. 507-510.

8. К теории коэрцитивной силы мягких сталей. ДАН СССР, 1949, 68, J& I, с. 37-40.

9. Боровик A.E., Кулешов B.C., Стржемечный M.А. Эффективные уравнения движения доменных стенок в ферромагнетике. КЭТФ, 1975, 68, вып. 6, с. 2236-2248.

10. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967.

11. Дьячук П.П., Иванов А.А., Лобов И.В., Черных А.Г. Локальные характеристики равновесных конфигураций гибкой доменной границы. Изв. АН СССР, сер. физ., 1981, 45, с. 1723-1726.

12. Иванов А.А. Свойства предельно прочных и виртуальных конфигураций дислокации на сетке препятствий со случайными силами срывов. ФММ, 1984, 57, вып. I, с. 156-168.

13. Иванов А.А., Дьячук П.П. Описание одномерного потока конфигураций доменной границы, движущейся в случайном поле точечных дефектов. ФММ, 1980, 49, вып. 2, с. 231-240.

14. Иванов А.А., Дьячук П.П. Влияние вида случайного потенциала доменной границы на магнитный гистерезис. I.Сильно локализованные центры закрепления. ФММ, 1980, 49, вып. 3,с. 455-466.

15. Иванов А.А., Дьячук П.П. Замечание к статье "Влияние вида случайного потенциала доменной границы на магнитный гистерезис. I.Сильно локализованные центры закрепления". ФММ, 1982, 54, вып. 6, с. 1207-1209.

16. Schmucke R., Kronmttller Н. Statistical theory of the interaction between point defekts and flux lines. Phys. Stat. Sol. (b), 1974, 61, No 1, p. 181-192.

17. Hilzinger H.-E. Scaling relations in magnetic, mechanical and superconducting pinning theory. Phil. Mag., 1977» No 1, p. 225-254.

18. Foreman A.J.E., MaMn M.J. Dislocation movement through, random array of obstacles. Phil. Mag., 1966, 14, No 1J1, p. 911924 (Перевод в кн.: Актуальные вопросы теории дислокации. - М.: Мир, 1968, с. 200-215).

19. Иванов А.А. Влияние вида случайного потенциала доменной границы на магнитный гистерезис. II.Закрепление на дефектах с конечным радиусом взаимодействия. ФММ, 1980, 49, вып. 5, с. 954-964.

20. ДьячукП.П., Иванов А.А., Лобов И.В.»Движение изгибающейся доменной границы в непрерывном потенциальном поле дефектов. -Изв. АН СССР, сер. физ., 1981, 45, Ш 9, с. I70I-I703.

21. Beeler J.R., Jr. The role of computer experiments in materials research. Advances in Materials Research. - v. 4, p. 295 (Перевод в кн.: Машинное моделирование при исследовании материалов. - М.: Мир, 1974, с. 31-250).

22. Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ. Л.: Наука, 1980. - 210 с.

23. Foreman A.J.E., Makin M.J. Dislocation movement through random array of obstacles. Canad. J. Phys., 1967, 4£, Pt. 2, p. 511-517.

24. Выдашенко B.H., Ландау А.И. Статистические характеристики конфигурации дислокации, движущейся при низких температурах. ФНТ, 1979, 5, В 7, с. 794-805.

25. Morris J.W., Jr., KLahn D.H. Thermally activated dislocation glide through a random array of point obstacles; Computer simulation. J. Appl. Phys., 1974, No 5, p. 20272058.

26. Hanson K., Morris J.W., Jr., Estimation of the critical resolved shear stress for dislocation glide through arandom mixture of distinct obstacles. J, Appl. Phys., 1975» 46, No 6, p. 2730-2783.

27. Labusch. R., Schwarz R.B. Movement of dislocations through a random array of weak obstacles of finite width. -Nuclear Metallurgy, 1976, 20, p. 650-657.

28. Altintas S. Plastic deformation of cristals: Analitical and computer simulation studies of dislocation glide. Ph. D. Thesis. - Preprint LHL - 7681. - Berkeley, 1978.145 p.

29. Morris J.W., Jr., Klahn D.H. Statistics of the thermally activated glide of a dislocation through a random array of point obstacles. J. Appl. Phys., 1973, 44, Ve1,p.4882.

30. Чернов B.M. Подвижность дислокаций в кристалле с центрами закрепления. ФТТ, 1973, 15, № 4, с. II59-II66.

31. Hanson К., Morris J.W., Jr. Limiting configuration of dislocation glide through a random array of point obstacles.

32. J. Appl. Phys., 1975, 46, No 3, p. 983-990.

33. Струнин Б.М. Статистические задачи описания движения дислокации. В кн.: Динамика дислокаций. - Киев: Наукова думка, 1975, с. 98-120.

34. Иванов А.А., Лобов И.В. Влияние термической активации на процесс смещения доменной границы. Изв. АН СССР, сер. физ., 45, 9, с. 1655-1658.

35. Зайцев С.И., Надгорный Э.М. Моделирование термоактивированного движения дислокации через; случайную сетку препятствий. ФТТ, 1973, 15, № 9, с. 2669-2673.

36. Ландау А.И., Выдашенко В.Н. Термоактивированное движение дислокации через хаотическую сетку точечных препятствийобзор). Металлофизика, 4, № 4, 1982, с. 3-20.

37. Hanson К., Altintas S., Morris J.W., Jr. Computer simulation of dislocation glide through fields of point obstacles. -Preprint LBL 4132, Berkeley, 1975. - 19 p.

38. Hanson K., Morris J.W., Jr. Computer simulation of interacting dislocation motion resisted Ъу point like barriers. J. Appl. Phys., 1978, No 6, p. 5266-5271.

39. Hilzinger H.-R. Computer simulation of Magnetic Domain Wall Pinning. Phys. Stat. Sol. (a), 1976, ¿8, p. 487-496.

40. Физика металлов. I.Электроны (под ред. Дж. Займана). М.: Мир, 1972, - 464 с.

41. Блатт Ф. Физика электронной проводимости в твёрдых телах. -М.: Мир, 197I. -472 с.

42. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких плёнках. М., Мир, 1972. - 435 с.

43. Марадудин А. Дефекты и колебательный спектр кристаллов. -М.: Мир, 1968. 432 с.

44. Погорелый А.Н. О причинах уширения линии ферромагнитного резонанса в тонких плёнках. В кн., Металлофизика. Вып. 26. -Киев: Наукова думка, 1969, с. 33-42.

45. Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш. Физические свойства и применение магнитных плёнок. Новосибирск: Наука, 1975. - 222 с.

46. Дедух Л.М., Никитенко В.И. Взаимодействие блоховских стенок с дислокациями в гранатовых плёнках, обладающих цилиндрической доменной структурой. ЖЭТФ, 1979, 76, вып. 4,с. I3S8-I380.

47. Телеснин Р.В., Шишков А.Г., Осуховский В.Э., Сигов А.С., Осуховская Л.П. Коэрцитивная сила и сползание доменных граониц в пермаллоевых плёнках толщиной 200-1000 А. ФММ, 1973, 35, вып. 5, с. 959-967.

48. Телеснин Р.В., Шишков А.Г., Ильичёва E.H., Канавина Ы.Г., Христенко А.И., Петров В.И., Гвоздодёр P.C., Гришечкин М.И., Мартыненко В.П. Тезисы Международной конференции по магнетизму. M., 1973, с. 198.

49. Осуховский В.Э., Шишков А.Г., Осуховская Л.П. Изучение локальных неоднородностей ферромагнитной плёнки с помощью доменной границы, движущейся в режиме сползания. В кн.: Физика магнитных плёнок. - Иркутск, 1975, с. 120-123.

50. Labusch R. Die "Aktivierungslänge" bei der thermalisehen Verzetzungbewegung über Hindernisse auf Gleitebene.

51. Z. Phys., 1962, 16Z» P« 4-52-460.

52. Митрополъский A.K. Техника статистических вычислений. M.: Наука, 197I. - 576 с.

53. Иванов A.A., Круглов В.Б. Статистическая теория смещения жёстких доменных границ. Приближение среднего поля. ФММ, 1976, 42, вып. 2, с. 247-252.

54. Иванов A.A., Круглов В.Б. Статистическая теория смещения жёстких доменных границ. Учёт случайных возмущений размагничивающего поля. ФММ, 1976, 43, вып. 3, с. 470-478.

55. Иванов A.A., Круглов В.Б. Функция распределения намагниченности в модели жёстких границ. ФММ, 1977, 43, вып. 5,с. 919-923.

56. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1975, - 479 с.

57. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. М.: Высшая школа, 1973. - 295 с.

58. Eolano П., Bialon J,, Wislocki В. Movement the circular

59. Bloch line in A cross-tie wall in thin permalloy films. -Acta Phys. Pol., 1978, No 1, p. 3-9.

60. Авраменко Б.А., Лукашенко Л.И., Палатник Л.С., Шишков А.Г. Влияние магнитной суспензии на доменную структуру ферромагнитных плёнок различных толщин. ФММ, 1983, 56, вып. I,с. 66-71.

61. Лукашенко Л.И., Палатник Л.С., Шишков А.Г., Авраменко Б.А. Влияние магнитной суспензии на структуру доменов и междоменных границ в тонких ферромагнитных плёнках. ЖЭТ£, 1980, 79, вып. 6(12), с. 2364-2366.

62. Палатник Л.С., Лукашенко Л.И., Андрияшкин Е.В. Способ приготовления магнитной суспензии. Зав. лаб., 1975, $ I,с. 53-54.

63. Elmore W.C. Phys. Rev., 1938» p. 309-340.

64. Мостовский А.А., Лапушкина Л.В., Кутузова Т.Д., Казакевич

65. Г.А. Авт. свид. СССР J$ 252495 (1970), приоритет от 9.II.1962.

66. Иванов А.А., Живаев В.П., Черкашин B.C. 0 возможности описания конфигурации доменной границы марковским процессом. В кн.: физика магнитных плёнок. Иркутск, 1976, с. 34-36.

67. Прокопенко B.C., Живаев В.П. Магнитооптическая установка для автоматической записи петель гистерезиса плёнок. В сб.: Физика ферромагнетиков. - Красноярск, 1977, с. 66-76.

68. Прокопенко B.C., Живаев В.П. Универсальная магнитооптическая установка для экспериментов с магнитными плёнками. В сб.: Физика магнитных плёнок. - Иркутск, 1978, с. 97-100.

69. Живаев В.П., Черкашин B.C. 0 моделировании процесса смещения гибкой доменной границы в поле локальных дефектов. Тез. докл. УП Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы для микроэлектроники". - Ашхабад, 1980, с. II6-II7.

70. Иванов А.А., Живаев В.П. Аналоговое моделирование и экспериментальное восстановление распределения критических сил центров пиннинга доменной границы в тонкой магнитной плёнке.

71. Тез. докл. ХУ Всесоюзной конференции по физике магнитныхявлений. Пермь, 1981, с. I2I-I22.

72. Живаев В.П. Влияние размагничивающего поля на процесс смещения доменной границы в тонкой ферромагнитной плёнке. Моделирование на ЭВМ. Тез. докл. УШ Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы дая микроэлектроники". -Донецк, 1982, с. I0I-I03.

73. Живаев В.П., Иванов A.A. Моделирование на ЭВМ безактива-ционного движения доменной границы через хаотическую сетку точечных препятствий. Тез. докл. УШ Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы для микроэлектроники".-Донецк, 1982, с. 103-104.

74. Живаев В.П., Иванов A.A. Отклонение от закона Фриделя при безактивационном движении дислокации через сетку точечных препятствий. ФММ, 1984, 57, вып. 3, с. 618-620.