Особенности фазовых переходов типа спиновой переориентации в ферромагнитной пластине, содержащей дефекты

Гареева, Елена Рафаиловна

Особенности фазовых переходов типа спиновой переориентации в ферромагнитной пластине, содержащей дефекты тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Гареева, Елена Рафаиловна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Особенности фазовых переходов типа спиновой переориентации в ферромагнитной пластине, содержащей дефекты»

Автореферат диссертации на тему "Особенности фазовых переходов типа спиновой переориентации в ферромагнитной пластине, содержащей дефекты"

На правах рукописи

4У «'

ГАРЕЕВА ЕЛЕНА РАФАИЛОВНА

ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ТИПА СПИНОВОЙ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ В ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛАСТИНЕ, СОДЕРЖАЩЕЙ ДЕФЕКТЫ

Специальности 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника 01.04.07. - физика конденсированного состояния

2 6 НОЯ 2009

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Уфа-2009

003484817

Работа выполнена на кафедре теоретической физики ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Вахитов Роберт Миннисламович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Фахретдинов Идрис Акрамович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Челябинский государственный универ-

Защита состоится 10 декабря 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.013.04 при ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет» по адресу: 450074, г.Уфа, ул. 3. Валиди, 32, физический факультет, ауд.216

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет».

кандидат физико-математических наук, доцент Назаров Владимир Николаевич

ситет»

Автореферат разослан ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.013.04, доктор физико-математических наук, профессор

Шарафутдинов Р.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Кристаллы ферритов-гранатов и их соединения в течение более 60 лет являются объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, не ослабевающих и по сей день. Такой интерес к ним обусловлен, в первую очередь, кристаллохимической особенностью ферритов-гранатов, которая позволяет синтезировать их с требуемыми магнитными параметрами. Кроме того, они обладают рядом уникальных свойств, например, оптической прозрачностью в видимом и ближнем инфракрасном свете, высокой чувствительностью доменной структуры к воздействию внешних факторов (электрических и магнитных полей, механических напряжений, лазерного излучения, теплового воздействия), рекордной узкой линией ферромагнитного резонанса и т.д. [1] Как следствие, феррит-гранаты находят практическое применение в магнитооптических устройствах, в СВЧ-технике, в устройствах для визуализации, регистрации и измерении магнитных полей и т.д. [1-3]. И наконец, кристаллы ферритов-гранатов оказались очень удобным модельным объектом для изучения многих фундаментальных проблем современной физики, например, доменной структуры магнетиков, физики нелинейных явлений (возбуждение и эволюция нелинейных волн, солитонов и т.п.), резонансных явлений [4], физики фазовых переходов [5].

В реализации данных исследований особое место занимают эпитаксиаль-но выращенные пленки феррит-гранатов. Их отличительной чертой является одновременное существование в них двух типов анизотропий различной природы: наведенной одноосной (НОА) и естественной кубической (КА). Наличие такой комбинированной анизотропии в пленках существенно сказывается на их магнитных свойствах: при определенных соотношениях констант НОА и КА в них возможно появление новых видов доменных структур (ДС) [1], при определенных условиях в них наблюдается динамическая самоорганизация ДС [6], кроме того, в этих магнетиках имеет место нетривиальная картина спин-переориентационных фазовых переходов (СПФП), практически не наблюдаемая в других материалах [7, 8].

В последнем случае накоплен большой экспериментальный материал, который не получил адекватного объяснения, к тому же многие теоретические аспекты проблемы оказались неизученными. В частности, это относится к задаче теоретического описания экспериментальных исследований по наблюдению процессов спиновой переориентации в феррите-гранате GdгFeьOi2, содержащем дислокации, при понижении температуры образца [9]. Несмотря на определенные попытки их теоретического анализа [9-11], многие вопросы кинетики зародышеобразования на дефектах при СПФП в магнитных материалах остались невыясненными. Актуальность исследований в данной области обусловлена еще тем, что они вносят существенный вклад в решение такой важной проблемы в теоретической физике, как построение теории фазовых переходов в реальных кристаллах [12].

Следует отметить, что в работе [13] был использован новый подход в изучении флуктуационного механизма процессов зародышеобразования при

СПФП в магнетиках типа ферритов-гранатов. Он базировался на модельном представлении зародышей новой фазы, которые аппроксимировались магнитными неоднородностями, соответствующими 0-градусной доменной границе (0°ДГ). Моделирование поведения 0°ДГ, локализованной на дефекте, в области СПФП позволило качественно объяснить кинетику спиновой переориентации магнетика, наблюдаемую в эксперименте [9]. Однако в этой работе в качестве экспериментального образца исследовалась феррит-гранатовая пластина с ориентацией (011), а не пластина типа (111), которая рассматривалась в теории [13]. Кроме того, процессы их намагничивания и перемагничивания, при наличии в них различного рода дефектов и конечности образца также не были теоретически изучены.

Цели и задачи работы. Целью данной работы является изучение особенностей спонтанного (при вариации температуры) и индуцированного (внешним магнитным полем) СПФП в (01 ^-ориентированной пластине феррита-граната, сочетающей НОА и КА, с учетом влияния конечности образца и наличия в ней дефектов.

Научная новизна работы.

1. Определены условия зарождения на дефектах кристалла и устойчивые состояния магнитных неоднородностей типа 0°ДГ в зависимости от параметров материала, толщины пластины, характеристик дефекта и внешнего магнитного поля различной ориентации.

2. Развита термодинамическая теория зародышей перемагничивания, которая позволила выявить особенности поведения 0°ДГ различной топологии в окрестности СПФП.

3. Установлено, что на конфигурацию уединенных магнитных неоднородностей, локализованных в области дефекта, влияет не только профиль дефекта, но и магнитная симметрия кристалла.

4. Найдена коэрцитивная сила рассматриваемой пластины и показано, что в области СПФП она достигает максимальных значений.

Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют существующие представления о свойствах кристаллов с комбинированной анизотропией, о процессах их намагничивания и перемагничивания. Они позволяют построить более полную картину процессов спиновой переориентации, имеющих место в этих кристаллах (ограниченных размеров) при наличии в них дефектов. Кроме того, они могут найти применение в магнитной микроэлектронике при конструировании технических устройств, основанных на свойствах кристаллов с комбинированной анизотропией и могут быть использованы для оптимизации их технических характеристик. В то же время результаты исследований влияния дефектов кристалла на его магнитные свойства позволяют определить пределы применимости пленок ферритов-гранатов с реальной структурой в этих устройствах, а также выявить новые направления их использования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Моделирование процессов зарождения на дефектах кристаллической структуры магнитных неоднородностей типа 0°ДГ и определение области их устойчивости в зависимости от материальных и геометрических параметров образца, а также характеристик дефекта. Расчет критических параметров существования 0°ДГ и выявление закономерностей спиновой переориентации кристалла от одного состояния к другому.

2. Теория спин-переориентационного фазового перехода в магнетиках с комбинированной анизотропией с учетом конечности образца и наличия в нем дефектов.

3. Исследование влияния магнитного поля на структуру и устойчивость магнитных неоднородностей типа 0°ДГ, локализованных на дефектах и нахождение критических полей их существования.

4. Выявление особенностей перемагничивания кристаллов с дефектами и определение их вклада в коэрцитивную силу образца.

Достоверность результатов настоящей работы подтверждается качественным согласием с экспериментальными данными, использованием хорошо апробированных аналитических методов расчета.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на следующих семинарах и конференциях: International Conference "Functional Materials", ICFM-2005, Ukraine, Crimea, Partenit, 2005; 3td Joint European Magnetic Symposia, San Sebastian, Spain, 2006; 20-й и 21-й Международных школах-семинарах «Новое в магнитных материалах и магнетизме», Москва, 2006, 2009; Международной конференции EASTMAG-2007 "Magnetism on a nanoscale", Kazan, 2007; 4-й, 5-й, 6-й и 8-й Региональной школе-конференции для студентов и молодых ученых по математике, физике и химии, Уфа, 2004, 2005, 2006, 2008; Всероссийской школе-конференции конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», Уфа, 2007; VIII международном семинаре «Магнитные фазовые переходы», Махачкала, 2007; 10-м международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», Ростов-на-Дону, 2007; VIII молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, 2007; 14-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Уфа, 2008; IV Всероссийской научно-методической конференция «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономики», Уфа, 2008; Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва, 2008; III Байкальской международной конференции «Магнитные материалы. Новые технологии», Иркутск, 2008.

Публикации и личный вклад. Основное содержание диссертации отражено в 27 печатных изданиях, включающих 5 статей в российских и зарубежных рецензируемых журналах, 11 трудов и 11 тезисов на научных конференциях. Общий список публикаций приведен в конце автореферата. В публикациях вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке за-

дач, в получении аналитических решений, в создании и использовании программ для численного моделирования, а также в интерпретации полученных результатов и написании статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа насчитывает 122 страницы текста, включая 41 рисунок. Список цитированной литературы содержит 83 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность и практическая значимость тематики диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, которые проводились, показана их научная новизна и практическая ценность, приведены данные об апробации работы и личном вкладе автора, а также кратко описана структура диссертации.

Первая глава является обзорной. В ней приводятся необходимые данные по кристаллической и магнитной структуре ферритов-гранатов, обосновывается одноподрешеточная модель описания их магнитных свойств. Описаны причины возникновения НОА в эпитаксиально выращенных пленках ферритов-гранатов, а также возможные механизмы появления НОА в других магнетиках. Приведен краткий обзор экспериментальных работ по наблюдению и исследованию свойств разнообразной доменной структуры, имеющей место в пластине (011) ферритов-гранатов. Рассмотрен вид термодинамического потенциала для магнетика с комбинированной анизотропией, который записан через угловые переменные 9 vi (р вектора М с учетом перпендикулярной (Ки) и ромбической (Кр) компонент НОА, а также первой (АГ,) и второй (К2) констант КА. Выписаны уравнения, соответствующие условиям его минимума и определяющие равновесные направления вектора намагниченности в кристалле.

В силу сложности анализа данной системы уравнений приведены расчеты спектра магнитных фаз, возможных в пластине (011) в одноконстантном приближении. Согласно [6], в рассматриваемом магнетике в зависимости от констант НОА и КА возможно существование 7 магнитных фаз, три из которых симметричные: Ф[011] (М||[011], (9 = 0,л), Ф[(иТ, (M||[0lT], в = п!2, <р = х/2\

Ф[100] (М||[1ОО],0 = я72, <р = 0,7г), три - угловые: ф[, ф", ф"1 (причем вектор тв угловых фазах лежит в плоскостях, соответственно, (100), (011) и (011)), а седьмая фаза - фаза общего вида с М || [uvw]. Найдены области устойчивости каждой из фаз и построена ориентационная фазовая диаграмма пластины с ориентацией (011) в переменных ае,, агр, где ас, = Кхf\Ku\, агр -Кр/\Ки\ (Рис.1). Особое внимание уделяется области устойчивости магнитной фазы Ф[0И], в которой возможно существование цилиндрических магнитных доменов [1]. Рассмотрен вклад второй константы КА К2 на ориентационную фазовую диаграмму пластины (011).

М|||мл1

M||[011] ,

Х,=2ХР-" / /

¡ММ ,'х,1<Хр

5 \ ' х,=4

ТТ

jjiíll'll

M||[01l]

->XD

Хг-2

-5

M||[wy|

/M||[uw]

Рнс.1. Ориентационная фазовая диаграмма пластины (011) для Ки> 0 . Пунктирными линиями обозначены границы устойчивости соответствующих фаз, сплошными - линии СПФП I рода, штрихпунктирными - линии СПФП II рода.

В частности, его учет при определенных соотношениях параметров зг, и аг2 (ж2 приводит к

устойчивости фаз общего вида, а также к возникновению при £„>0, Кр=-Ки, Кг= 0 и К2 = 4Ки пятерной точки на фазовой диаграмме, где сходятся области устойчивости пяти магнитных фаз.

Описан феноменологический подход для изучения процессов заро-дышеобразования при фазовых переходов типа спиновой переориентации в рассматриваемых магнетиках. В рамках этого подхода подробно исследованы структура и свойства возможных магнитных неоднородностей и их связь с ори-ентационной фазовой диаграммой пластины (011).

Во второй главе представлены результаты исследований структуры и устойчивости магнитных неоднородностей типа 0°ДГ различной топологии, возможных в кристаллах с комбинированной анизотропией. Было установлено, что эти неоднородности, как любое одномерное локализованное образование, термодинамически неустойчивы [7] и в связи с этим была поставлена задача поиска условий зарождения и определения статических свойств 0°ДГ в рассматриваемых магнетиках.

В первом разделе исследуется топологические особенности 0°ДГ в кубическом ферромагнетике, взятом в виде плоскопараллельной бесконечно протяженной (011) - ориентированной пластины конечной толщины D. Энергия магнитных неоднородностей (термодинамический потенциал) образца берется с учетом обменного взаимодействия, наведенной одноосной и кубической анизо-тропий, размагничивающих полей объемных зарядов, локализованных в ДГ, и записывается в системе координат с осью 0z|¡[011] и осью Ох, лежащей в плоскости ДГ и образующей угол <р0 с осью [100], в виде [7]

Е0 = LXD 1{л[(6>')2 + sin2 в(<р')2 ]+ Ки sin2 в + Кр sin2 &in2((o -<*>„) +

-со

+ ^-[2sin2 <9(1 - 3sin2(«5 -<р0))~ sin4 0(3 - lOsinV- <р0) + (1)

+ 3sin4(í3-íz>0))]+ 2я М2 (úndsmtp - $\пвт sin <pm)2}dy

где в и <р - полярный и азимутальный углы вектора намагниченности М, 0' и <р' - их производные по у, вт, <рт - значение этих углов в доменах (при у ->±ю), А - обменный параметр, Ms - намагниченность насыщения, Lx -размер образца вдоль оси Ох ( Lx ->«). Предполагается, что пластина является достаточно толстой, вследствие чего пренебрегается размагничивающими полями поверхностных зарядов (идеализированная модель).

Из уравнений Эйлера-Лагранжа, соответствующих (1), следует, что в пластине (011) в области 1<ге, <1 + агр (0 <агр <3), lc®! <4 (агр >3) возможно

существование 0°ДГ с законом распределения вектора М вида

tgö = ±a'ch(b'£), <р = 0, я", <р0= 0,ж (2)

a' = jn^/2b', = 1-1, £ = Д0, Д0=jA/Ku в которых Мо||[100] в доменах (0°ДГ I), а в области х1 >4, гер >3 - 0°ДГ с М01|[011] в доменах (0°ДГ II), описываемая соотношениями ctg9 = ±a"ch{b"4), <р = 0,л-, <р0 = 0,я,

а" ~yjx\ -4/2b", b" = 4l + as,/2, (3)

Как показал анализ, эти неоднородности представляют собой крупномасштабные флуктуации вектора намагниченности М, возникающие при СПФП (as1 =4, аер >3) до и после перехода. Магнитные неоднородности с подобной топологией, т.е. описываемые выражениями (2) и (3), соответственно, но с другими значениями параметров а = {а',Ь'} и b = {b',b"} и с другой ориентацией <Ро (<Ро = яг/2, следовательно, с другим направлением М0 в доменах), возникают также вблизи линии СПФП I рода: гер = -1, - 2 < эг( < 0.

Однако эти неоднородности, как следует из расчетов [13], не являются устойчивыми. Анализ причин возникновения ДС в реальных образцах показал, что фактором, наиболее благоприятствующим существованию таких неодно-родностей с устойчивой структурой, является присутствие дефектов в кристалле. Их наличие в магнетике учитывалась зависимостью материальных параметров R от координаты^ в виде:

(а

[R, \у\>И 2

где параметр R = \A, Ku,Kp,K1,Ms\, AR = \bA,AKu,AKp,AKhAMs\ - величина

скачка параметра R в области дефекта, L - размер дефекта. Определенный таким образом дефект соответствует пластинчатому магнитному включению [13].

Другим фактором, существенно влияющим на устойчивость 0°ДГ, является размагничивающие поля пластины, обусловленные ее конечностью. Их учет для 0°ДГ блоховского типа (<р = 0, л) дает вклад в энергию (1) вида

¿уф'

(5)

Ет = М;ЬХ ] ] [созбООсозеС/) - соз2 втЦ1 + —5—5

-«-« (у-У)

В силу громоздкости выражения (1) и невозможности разрешить соответствующие уравнения в известных функциях, задача решалась вариационным методом, в котором в качестве пробной функции бралось распределение намагниченности М вида (2) для 0°ДГ 1 и (3) для 0°ДГ II, в которых а и Ь считались вариационными параметрами. Анализ соответствующей вариационной задачи проводился методом численной минимизации приведенной энергии е3 = Е/(КиЬхОД0) относительно параметров а и Ь, причем все величины, имеющие размерность длины, приведены к Д0, а параметры дефекта ДЛ к величине Ки, (Ж = АЯ/Ки, за исключением = АМ / Л/5, <1А-АА/А).

88-

84'

-40 ■

Т1" 10

Т1" 40

"Н 50

76-Ь

Т1" 10

"П-г 40

120

80-

40-

Т"" 20

■П >-50

Рис. 2. Зависимости энергии (е5), амплитуды ( в8) и ширины () 0°ДГ(1) от ширины дефекта при следующих значениях материальных параметров образца и дефекта: ¿4 = 0.1, </М5 = 0.1, 0 = 3, <Ро=0, с!К\ = 0.5, £> = 10. Кривой 1 соответствует ®1 = 2.8, 2 - а5] = 3, Ж) = 3.2.

Анализ результатов численной минимизации показал, что 0°ДГ, как устойчивое образование, может существовать только при определенных значениях материальных параметров и характеристик дефекта. Область их устойчивости, как правило, ограничена двумя предельными значениями: при одном из них 0°ДГ коллапсирует, при другом - расплывается. Так из Рис.2, видно, что существует минимальный размер дефекта, меньше которого 0°ДГ на нем не образуется - он неустойчив относительно коллапса. Наличие нижней границы по Ь

означает, что для образования устойчивой структуры 0°ДГ блоховского типа необходима некоторая минимальная (по абсолютной величине) энергия дефекта, вклад в которую вносит не только ее ширина, но и скачки материальных па-

Рнс. 3. Графики зависимостей характеристик 0°ДГ(1) от параметра asi при следующих значениях материальных параметров образца и дефекта: 2 = 1.3, dA = 0.1, dMs = 0.1, dKu =2.5, dK р = 2.1,

dKi =0.2, £> = 30, £ = 1.5, asp = -3.8. Кривой 1 соответствует ориентация с <Ро = Я72,37Г/2 ,2 - q>Q = 0, п

Анализ поведения 0°ДГ с различной ориентацией в зависимости от констант комбинированной анизотропии показал (Рис.3), что для 0°ДГ с (рй = 0, ,т имеется нижняя граница устойчивости по хи а для 0°ДГ с <р0 - я72, Зя72 -верхняя граница устойчивости. В этих точках соответствующие 0°ДГ расплываются (Д 5 -> ю, б*, ™> 7Г, —> оо) и магнетик становится однородным, но с другим равновесным направлением вектора М (М[|[011]). Данный процесс соответствует СПФП, в котором 0°ДГ играет роль зародыша новой фазы. При приближении магнетика к точке СПФП, которая в экспериментальных условиях достигается вариацией температуры образца или внешнего магнитного поля, магнитная неоднородность, локализованная на дефекте, разрастается и занимает весь объем образца.

Из анализа идеализированной модели следует, что 0°ДГ с (рй = 0, я и =я72, Зя72 имеют различные области устойчивости, которые на фазовой

диаграмме (Рис.1) нигде не пересекаются. Однако, как показали расчеты (Рис.3), учет конечности образца и неоднородности его материальных параметров приводит к тому, что области их существования перекрываются. С одной стороны это указывает на то, что учитываемые факторы влияют на точку СПФП, смещая ее в ту или иную сторону в зависимости от значений характеристик дефекта, толщины образцов и фактора качества 2. Причем наиболее сильное влияние на характер перекрытия областей устойчивости 0°ДГ оказывает параметры ДЛ^,, ДКр и ДКи. С другой стороны 0°ДГ с (рй = 0, я и <ра = л72, Зл72 в области перекрытия имеют разные размеры (за исключением точки, где графики зависимостей Д5 от Х\ пересекаются). Это означает, что при начичие в кристалле двумерных дефектов с круглой формой магнитные неоднородности, зарождающиеся на них, будут иметь форму отличную от круговой, в частности, прямоугольную.

12'

Рис. 4. Графики зависимости характеристик 0°ДГ обоих типов от величины а2[ при следующих значениях параметров образца и дефекта: 1 = 2.5, 0 = 10, (¡Кх= 0.8, <Ж„=-1, сХр =0.3, сМ = 0.1, с1М5 = 0.3, хр = 4. Кривая 1 соответствует 0°ДГ (I) при <2 = 3, 2- д = 5, 3- <2 = 7, кривые Г,2',3' соответствуют 0°ДГ (II) при тех же значениях @.

Таким образом, на конфигурацию магнитных неоднородностей, образующихся в области дефектов, влияет не только их профиль (а также распределение АЛ внутри дефектов), но и характер магнитной анизотропии образца, т.е. симметрия кристалла.

• Во втором разделе исследуется поведение магнитных неоднородностей при СПФП в пластине (011) с комбинированной анизотропией во всем интервале температур (в том числе - до и после перехода). В этом случае 0°ДГ обоих типов (в частности, для ориентации <р0 = 0, л"), рассматриваемые в идеализированной модели, существуют раздельно по разные стороны от линии СПФП I рода (Ш1=4), а при Ж] —>4 они оба расплываются. Это означает, что СПФП I рода в пластине (011) согласно идеализированной модели может совершаться без гистерезиса. Однако ситуация существенно меняется при учете конечности образца и наличия дефекта в нем. В этом случае (Рис.4) области устойчивости соответствующих типов 0°ДГ перекрываются, что указывает на возможность появления гистерезисных явлений при СПФП в реальном магнетике.

В третьей главе исследуется влияние внешнего магнитного поля на устойчивые состояния 0°ДГ различной топологии в кристалле-пластине (011). Это позволяет изучить закономерности процессов намагничивания и перемагничи-вания данных материалов, обусловленных механизмом некогерентного вращения магнитных моментов [2]. Соответствующая задача решалась минимизацией неоднородного термодинамического потенциала рассматриваемого магнетика с учетом зеемановского взаимодействия вида

^=-МН, (6)

где Н - внешнее магнитное поле.

Показано, что «включение» внешнего поля с Н ||М0существенно сказывается на устойчивых состояниях 0°ДГ и, в частности, приводит к тому, что эти неоднородности, различающиеся направлением вектора М0 в доменах ведут себя неодинаковым образом. Так, например, те 0°ДГ (I), в которых магнитные моменты в доменах параллельны Н (Н||[100]), при увеличении И (И = НМ3/2Ки) уменьшаются в размерах, а 0°ДГ (I), у которых вектор М0 в доменах антипараллелен Н, увеличиваются в размерах (Рис.5, /г < 0).

Такое «расщепление» 0°ДГ (I), отличающихся ориентацией вектора М0 в доменах, в магнитном поле объясняется характером взаимодействия магнитных моментов с полем Н. В частности, это приводит к тому, что при дальнейшем увеличении И 0°ДГ (I) с М0 направленным вдоль Н, - коллапсируют, а 0°ДГ(1) с М0||Н - расплываются, причем, по мере углубления «потенциальной ямы» (при увеличении поле коллапса 0°ДГ (I) первого типа увеличивается, а

поле расплывания для второго типа 0°ДГ (I) практически не меняется (немного уменьшается). Аналогичная картина наблюдается и для 0°ДГ (II).

В третьем разделе рассмотрена зависимость критического поля Ис, при котором 0°ДГ исчезает, от фактора качества, точнее от <2~1 (Рис.6 ). Это поле пред-

ставляет собой поле возникновения на дефекте зародышей перемагничивания и по смыслу соответствует коэрцитивной силе образца Нс [9].

-0.5

-г-рг-

0.5

Рис.5. Графики зависимости характеристик 0°ДГ(1) от внешнего магнитног о поля при следующих значениях материальных параметров образца и дефекта: ®!=3, аер = 1.4, £? = 3, 0 = 10, ¿4 = 0.1,

с1Кр=0.Ъ, Ж! =0.5, ¿А/, =0.3, 1 = 10. Здесь кривой 1 соответствует с1Ки =-1, 2-¿Ки =-1.5, 3 - <1К„ = -2.

Расчеты показывают, что полученная зависимость (Рис.б) есть линейная функция величины которая после подстановки в нее явных выражений /гс и <2 примет вид

Нс = а ■ 2Ки /А/5 + АтгрМ, (7)

где а, р -некоторые эмпирические константы, которые могут зависеть от материальных параметров и характеристик дефекта. Впервые выражение для Нс, совпадающее с (7), было получено в теории перемагничивания, обусловленного механизмом когерентного вращения магнитных моментов [14]; из нее следовало, что а = \,р = \. В результате значения для Нс, вычисленные по формуле (7), на 2-3 порядка отличались от экспериментальных данных (парадокс Брауна [14]). Для объяснения такого расхождения было предложено учесть наличие дефектов, на которых могут зарождаться при полях Н, близких к Нс, домены обратной намагниченности (см. [14]). В частности, в линейной теории неоднородного перемагничивания, разработанной в [15], было показано, что /7 = 1, а

а зависит от характеристик дефекта, причем а~&1< и сложным образом зависит от размеров I (в одномерной модели а-17х ).

" I 1 1 1 I 1 1 1 I 11 1 I ' 1 ' I ' 1 1 I О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Рис.6. Графики зависимости коэрцитивной силы 0°ДГ (I) от величины 1/0 при следующих значениях материальных параметров образца и дефекта ав) = 3, жр = 4, 0 = 3, £> = 10, <и = 0.1, <1Ки=-1, с!Кр= 0.3, <1К\ = 0.5, £ = 10. Здесь прямая 1 соответствует значению 1 - ¿М5 = 0.1, 2 -еШ,= 0.3, 3 -(¡М5 = 0.5,4 -с!М, = 0.7, 5 - с!М, = 0.9.

Ио

Рис. 7. Графики зависимости критического поля Ъс от параметра XI следующих значениях материальных параметров образца и дефекта агр=1.4, £? = 3, £) = 10,

с1А = 0.1, Жр=0.3, ^ =0.5, с= 0.3, £ = 10, с!Ки = -1. Здесь кривая 1 соответствует 0°ДГ(1), а кривая 2-0° ДГ(Н).

Полученные зависимости (в том числе и в усовершенствованной модели [16]) в какой-то мере позволили объяснить парадокс Брауна. Однако их существенным недостатком являлось пренебрежение размагничивающими полями образца. В модели же, рассмотренной в данной работе, удается более полно учесть магнитостатический фактор и тем самым расширить границы применимости формулы (7) для Нс.

Анализ зависимости Нс от материальных параметров и характеристик дефекта показал, что полученные зависимости одинаково выполняются при вариации параметров с/К1> и В. В частности, при увеличении параметра вех величина Нс уменьшается для 0°ДГ(1), а в случае 0°ДГ(П) - увеличивается. Исходя из того 0°ДГ(Н) является устойчивой ниже линии СПФП (ш2=4), а 0°ДГ(1) выше этой линии, то было сделано утверждение, что Нс по мере приближения магнетика к точке СПФП увеличивается, достигая максимума в самой точке СПФП (Рис.7). Данный результат подтверждается и при исследова-

нии поведения Ис в окрестности СПФП (аер = 1), где устойчивы 0°ДГ с ориентацией <р0=тг/2, Зж/2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в кристалле-пластине (011) с комбинированной анизотропией в области сосуществования магнитных фаз, одна из которых является стабильной, а другая метастабильной, возможно возникновение магнитных неоднородностей типа 0°ДГ, которые являются вполне приемлемым модельным представлением зародышей перемагничивания, закрепляющиеся на дефектах, и позволяют изучить процессы зародышеобразования при СПФП во всем интервале температур и магнитных полей (до и после перехода).

2. Показано, что на распределение магнитных моментов в магнитных не-однородностях, локализованных на дефектах кристалла, влияет не только профиль дефекта и изменение параметров АД внутри нее, но и магнитная симметрия кристалла.

3. Выявлено, что наточку СПФП влияют множество факторов: и материальные параметры образца, и внешнее магнитное поле, и наличие дефектов, в том числе и размагничивающие поля пластины, обусловленные его конечностью, а также создаваемые дефектами.

4. Исследованы процессы намагничивания и перемагничивания рассматриваемой пластины, обусловленные механизмом некогерентного вращения магнитных моментов, и найдено выражение для коэрцитивной силы образца, область применимости которой удается значительно расширить за счет более точного учета размагничивающих полей.

5. Показано, что величина коэрцитивной силы материала возрастает по мере приближения магнетика к точке СПФП, достигая в точке перехода максимальных значений.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций:

1. Вахитов, P.M. Процессы зародышеобразования при спин-переориентационных фазовых переходах в реальных кристаллах /Р.М.Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // Физика низких температур. 2006. -Т.32. - № 2. - С. 169-175.

2. Гареева, Е.Р. Процессы зародышеобразования в кубическом ферромагнетике ограниченных размеров / Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // Вестник Башкирского университета. -2006. — № 3. — С. 14-16.

3. Вахитов, P.M. Некоторые аспекты процессов перемагничивания реальных кристаллов / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова, Юмагузин А.Р. // Вестник Челябинского государственного университета. Физика. 2009. №.8, вып. №4. С.43-47.

4. Вахитов, P.M. Моделирование процессов спиновой переориентации в кубических ферромагнетиках, содержащих дефекты / P.M. Вахитов, Е.Р.Гареева, М.М. Вахитова, А.Р. Юмагузин // ЖТФ. - 2009. - Т. 79. -№8. - С.50-55.

5. Вахитов, P.M. Моделирование процессов перемагничивания ограниченных ферромагнетиков, содержащих дефекты / P.M. Вахитов, Е.Р.Гареева, М.М. Вахитова, А.Р. Юмагузин // ФТТ. - 2009. - Т. 51. - №9. - С. 1751-1756.

Работы, опубликованные в других изданиях и материалах конференции:

6. Гареева, Е.Р. Моделирование зародышеобразования в пластине (011), содержащей дефекты / Е.Р. Гареева // Тезисы докладов студенческой научно -практической конференции по физике Уфа, РИО БашГУ, 2004 - С.24-25.

7. Gareeva, E.R. Nucleation processes on defects in real crystals / R.M. Vakhitov, E.R. Gareeva, M.M. Vakhitova //Joint European Magnetic Symposia - Conference Secretariat Leibniz - Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) Dresden, Germany, 2004.- P.220.

8. Гареева, Е.Р. Процессы зародышеобразования на дефектах в пластине (ОН) с комбинированной анизотропией / Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // IV региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, посвященная 95-летию БашГУ: тезисы докладов. -Уфа, 2004. - С.90.

9. Гареева, Е.Р. Процессы зародышеобразования на дефектах в пластине (011) с комбинированной анизотропией / Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // Региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике: сб.тр. - Уфа, 2004. -T. il. Физика. - С.34-37.

10. Гареева, Е.Р. Процессы зародышеобразования в кубическом ферромагнетике ограниченных размеров / Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // Международная

уфимская зимняя школа-конференция по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых: тезисы докладов -Уфа, 2005. - С.211.

11. Гареева, Е.Р. процессы зародышеобразования в кубическом ферромагнетике ограниченных размеров / Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // Международная уфимская зимняя школа-конференция по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых: сб. тр.-Уфа, 2005.-С. 120-127.

12. Вахитов, P.M. Особенности процессов зародышеобразования в реальных кристаллах / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // 8-й Международный симпозиум «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ОМА-2005, 12-16 сентября 2005 г., г. Сочи: сб. тр. 4.1. - Ростов н/Д, 2005. -С.87-89.

13. Vakhitov, R.M.Processes of Inhomogeneous spin reorientation of Real magnets / R.M. Vakhitov, E.R. Gareyeva, M.M. Vakhitova // International Conference "Functional Materials". ICFM-2005: Abstracts - Ukraine, Crimea, Partenit. 2005. -P.32.

14. Вахитов, P.M. Процессы неоднородного перемагничивания в кубическом ферромагнетике ограниченных размеров / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // Новые магнитные материалы микроэлектроники: сб. тр. XX междунар. юбилейной шк.-семинара 12-16 июня 2006 г., Москва. - М., 2006. — С. 165-167.

15. Vakhitov, R.M. Nucleation processes on defects in real crystals /R.M.Vakhitov, E.R. Gareeva, M.M. Vakhitova / III Joint European Magnetic Symposia, San Sebastian, Spain, 26-30 June, 2006: Book of Abstracts and Programme. - San Sebastian, 2006.-P. 150.

16. Vakhitov, R.M. Structure and properties of reverse magnetization domains in real crystals / R.M. Vakhitov, Ye.R. Gareyeva // EASTMAG-2007 "Magnetism on a nanoscale", Kazan, 23-26 august, 2007: abstract book. - Kazan, 2007. - P.92.

17. Вахитов, P.M. Моделирование фазовых переходов типа спиновой переориентации в реальных кристаллах / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М.Вахитова // Магнитные фазовые переходы: сб. тр. VIII междунар. семинара, 13 сентября, 2007 г., Махачкала. - Махачкала, 2007. - С. 10-13.

18. Вахитов, P.M. Свойства 0°ДГ с квазиблоховской структурой в кубическом ферромагнетике / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М.Вахитова // Сборник трудов 10-го междунар. симпозиума «Упорядочение в минералах и сплавах», 19-24 сентября, 2007, Ростов н/Д. - п. Лоо. - Ростов н/Д, 2007. - С. 64-65.

19. Вахитов, P.M. Моделирование доменов обратной намагниченности в реальных кристаллах / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова, А.Р.Юмагузин // Всероссийская школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании»: тезисы докладов. - Уфа, 2007 - С.62.

20. Вахитов, P.M. Структура и свойства 0°ДГ с некруговой траекторией вектора намагниченности в кубическом ферромагнетике / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева // VIII молодежная школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества: тез. докл., 19-25 ноября, 2007 г., Екатеринбург - Екатеринбург, 2007. - С.28-29.

21. Вахитов, P.M. Моделирование доменов обратной намагниченности в реальных кристаллах / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова, А.Р.Юмагузин // Всероссийская школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании»: сб. тр. - Уфа, 2008 - Т. III. Физика. - С.58-62.

22. Вахитов, P.M. Моделирование фазовых переходов типа спиновой переориентации в реальных магнетиках / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, Т.И.Еникеев, А.Р. Юмагузин // IV Всероссийская научно-методическая конференция «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономики», 16-17 апреля, 2008, Уфа - г.Уфа, 2008. - С.341-349.

23. Vakhitov, R.M. Modelling processes of reverse magnetization of real crystals / R.M. Vakhitov, Ye.R. Gareyeva, M.M. Vakhitova, A.R. Yumaguzin // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM). Book of abstracts. Moscow -2008.-P. 174-175.

24. Гареева, Е.Р. Моделирование процесса спиновой переориентации в ограниченных ферромагнетиках, содержащих дефекты / Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова // ВНКСФ-14. Четырнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых: информ. бюл. Материалы конференции / АСФ России. - Уфа, 2008 г. - С.310-311.

25. Вахитов, P.M. Моделирование доменов обратной намагниченности в пластине (011), содержащей дефекты / P.M. Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М.Вахитова, А.Р. Юмагузин // III Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии»: тез. докл.23-26 сентября, 2008 г., Иркутск - Иркутск, 2008. - С. 84-85.

26. Вахитов, P.M. Процессы перемагничивания реальных кристаллов /Р.М.Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова, А.Р. Юмагузин // VIII региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике, физике и химии: тез. докл. - Уфа, 2008. - С.111.

27. Вахитов, P.M. Моделирование поведения зародышей перемагничивания в кубических ферромагнетиках ограниченных размеров /Р.М.Вахитов, Е.Р. Гареева, М.М. Вахитова, А.Р. Юмагузин // Новое в магнетизме и магнитных материалах. Сборник трудов XXI Международной конференции, 28 июня-4 июля, 2009, Москва - Москва, 2009. - С.842-844.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Рандошкин, В.В. Прикладная магнитооптика / В.В. Рандошкин, А.Я. Черво-ненкис // М.: Энергоатом издат, 1990. - 320 с.

2. Тикадзуми, С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения / С. Тикадзуми // М.: Мир, 1987. — 419 с.

3. Ветошко, П.М. Магнитооптический визуализатор микроскопических магнитных полей / П.М. Ветошко, Р.И. Кононов, А.Ю. Топоров // Приборы и техника эксперимента. - 1993. - №5. - 320 с.

4. Беляева, О.Ю. Магнитоакустика ферритов и магнитоакустический резонанс / О.Ю. Беляева, Л.К. Зарембо, С.Н. Карпачев // УФН. - 1992. - Т.162. -№2. -С. 107-138.

5. Белов, К.П. Редкоземельные магнетики и их применение / К.П. Белов // М.:Мир, 1987.-419 с.

6. Кандаурова, Г.С. Новые явления в низкочастотной динамике коллектива магнитных доменов / Г.С. Кандаурова // УФН. - 2002. - Т.172. - №10. -С.1165-1187.

7. Вахитов, P.M. Магнитные фазовые диаграммы кубического ферромагнетика с наведенной одноосной анизотропией / P.M. Вахитов // ФММ. - 2000. -Т.89. -№6. - С. 16-20.

8. Бучельников, В.Д. Ориентационные фазовые переходы в кубическом ферромагнетике при упругом напряжении вдоль оси [111]/ В.Д. Бучельников, C.B. Таскаев, B.C. Романов, P.M. Вахитов // ФММ. - 2002. - Т.94. - №5. - С.14-18.

9. Власко-Власов, В.К. Магнитный ориентационный фазовый переход в реальном кристалле / В.К. Власко-Власов, Л.М. Дедух, М.В. Инденбом, В.И.Ники-тенко // ЖЭТФ - 1983. - Т.84. - №1. - С.277-288.

10. Dichenko, A.B. Domain nucleation due to dislocations in cubic ferromagnets /A.B. Dichenko, V.V. Nicolaev // J. Magn. Magn. Mater. -1985. - V.53.- P.71-79.

11. Гинзбург, В.Л. Влияние крупномасштабных неоднородностей на фазовый переход второго рода / В.Л. Гинзбург // ЖЭТФ. - 1977. - Т.73. -№5. -С.1961-1966.

12. Гинзбург, В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными / В.Л. Гинзбург // УФН. - 1981. -Т. 134. -№.3. - С.469-517.

13. Вахитов, P.M. Об одном механизме зародышеобразования в кристаллах с комбинированной анизотропией / P.M. Вахитов, А.Р. Юмагузин // ФТТ. -2001.-Т.43.-№ I.-C.65-71.

14. Браун, У.Ф. Микромагнетизм / У.Ф. Браун // М.: Наука, 1979. - 160 с.

15. Kronmuller, H. Theory of nucleation fields in inhomogeneous ferromagnets / H. Kronmuller. //Phys.Stat.Sol.(b). 1987,-В 144.-P 385-396.

16. Sakuma, S. Micromagnetic studies of inhomogeneous nucleation in hard magnets / S. Sakuma, M. Tanigawa, J. Tokunaga // Magn.Magn.Mater. 1990. - В 84. -P.52-58.

Гареева Елена Рафаиловна

ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ТИПА СПИНОВОЙ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ В ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛАСТИНЕ, СОДЕРЖАЩЕЙ ДЕФЕКТЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Лицензия на издательскую деятельность ЛР№ 021319 от 05.01.99 г.

Подписано в печать 09. 11. 2009 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,15. Уч.-изд. л. 1,27. Тираж 100 экз. Заказ 743.

\ Редакционно-издателъский центр

Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Отпечатано на множительном участке Башкирского государственного университета 450074, РБ, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Гареева, Елена Рафаиловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ

С КОМБИНИРОВАННОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ.

1.1. Природа сложной анизотропии в кристаллах.

1.2. Доменная структура.

1.3.0риентационная фазовая диаграмма однородных магнитных состояний пластины (011).

1.3.1.Однородные магнитные состояния пластины (011) в одноконстантном приближении для кубической анизотропии.

1.3.2,Однородные магнитные состояния пластины (011) в двухконстантном приближении для кубической анизотропии.

1.4. Возможные магнитные неоднородности в (011) — ориентированной пластине феррит-граната.

ГЛАВА II. ПРОЦЕССЫ СПОНТАННОЙ СПИНОВОЙ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ В (011) - ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЕ, СОДЕРЖАЩЕЙ ДЕФЕКТЫ.

2.1. Структура и область устойчивости 0°ДГ в (011) - ориентированной пластине конечной ширины. Случай разной ориентации 0°ДГ.

2.2. Структура и область устойчивости 0°ДГ в пластине (011) в области спин-переориентационного фазового перехода I рода.

ГЛАВА III. ПРОЦЕССЫ СПИНОВОЙ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ В (011)

ОРИЕНТИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЕ, ИНДУЦИРОВАННЫЕ ВНЕШНИМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.

3.1. Влияние однородного магнитного поля на устойчивые состояния 0°ДГ в пластине (011), содержащей дефекты. Случаи Н ||[100] и Н )j[011].

3.2. Влияние внешнего магнитного поля на поведение 0°ДГ в области спин-переориентационного фазового перехода.

3.3. Коэрцитивная сила.

Введение диссертация по физике, на тему "Особенности фазовых переходов типа спиновой переориентации в ферромагнитной пластине, содержащей дефекты"

Вот уже более полувека ведущими учеными в области физики магнитных явлений ведутся экспериментальные и теоретические исследования свойств тонких магнитных пленок, толщина которых составляет от нескольких ангстрем до нескольких микрон [1,2]. Интерес к этим объектам обусловлен как особенностями их структуры и физических свойств, позволяющими ожидать выяснения ряда принципиальных вопросов физики твердого тела, так и перспективами практического применения этих пленок в микро- и на-ноэлектронике, лазерной и волоконно-оптической технике. При разработке определенного типа технических устройств возникла необходимость в магнитных материалах, прозрачных в оптическом и ИК-диапазоне, обладающих большой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения, сочетающих в себе магнитные и полупроводниковые свойства. Перспективными в этом отношении оказались феррит-гранатовые пленки [1, 3-5], которые используются как магнитоактивные материалы в приборах СВЧ-техники (например, в фазовращателях, вентилях, фильтрах, модуляторах и др.) [3,5,6], в оптоэлек-тронике (магнитооптические преобразователи, датчики магнитного поля), в аппаратуре магнитной записи и т.д., благодаря высокой подвижности доменных границ, широкому диапазону прозрачности, узкой линии ферромагнитного резонанса [1]. Техническое использование подобных материалов также возможно для получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов, позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различными контактными и сканирующими устройствами, для вибробурения, для геофизического каротажа скважин, дефектоскопии. Кроме того, было обнаружено, что ферриты-гранаты обладают рядом уникальных свойств, интересных не только в прикладном отношении, но и с точки зрения исследований фундаментального характера. Это прежде всего наличие малых потерь и, как следствие, уникально узкой ширины линии магнитного резонанса (-0,1 Э) (на 2-3 порядка меньше, чем в других материалах [1,7]) в же-лезоиттриевом гранате (ЖИГ). Например, добротность резонаторов на основе ЖИГ может достигать нескольких тысяч. В результате кристаллы феррит-гранатов стали незаменимыми объектами для исследования таких явлений, как нелинейный ферромагнитный резонанс, возбуждение акустомагнитных колебаний, рассеяние света на спиновых волнах и т.д., а также для многочисленных применений в технике СВЧ.

Высокое качество материала, возможность визуального наблюдения доменной структуры и синтеза образцов с различными физическими параметрами - все это сделало пленки ферритов-гранатов весьма привлекательными, по существу модельными объектами для изучения. При этом основной упор делается на пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией, т.е. с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности образца. В данной области исследований получили развитие работы, связанные с динамикой упорядоченных доменных структур [8] (в том числе изолированных доменов, уединенной доменной стенки) со спиновыми волнами в присутствии доменной структуры [9], а также с взаимодействием стенки с дефектами кристаллической решетки [4]. Следует отметить, что последнее представляет наибольший интерес, т.к. в реальных образцах ферритов-гранатов, а также и в других материалах всегда имеются различного рода дефекты, которые качественно изменяют картину их намагничивания и перемагничивания во внешних магнитных полях. Наличие дефектов в кристаллической структуре магнетика является фактором, способствующим образованию и закреплению на них магнитных структур определенного вида [9]. Поэтому актуальной становится задача, учета реальной структуры магнетиков и ее влияние на процессы спиновой переориентации в них, имеющих место при действии теплового воздействия или внешнего магнитного поля. В случаях идеальных кристаллов (неограниченный образец, не содержащий дефектов) эти процессы хорошо описываются в рамках феноменологической модели, учитывающей комбинированную анизотропию кристалла. Однако реальные кристаллы обладают конечными размерами, а также в них могут присутствовать различного рода дефекты в области которых зарождаются магнитные неоднородности различной топологии. Наличие этих факторов приводит к необходимости учета вклада размагничивающих полей пластины от поверхностных и объемных магнитных зарядов и взаимодействия магнитных неоднородно-стей с дефектами кристалла.

Подобные теоретические исследования уже проводились для пластин (001) и (111) [10,11], а для пластины (011) эта задача практически никем не была исследована, хотя именно для нее проведены экспериментальные исследования процессов зародышеобразования на дефектах [12]. Решение подобной проблемы сопряжено со значительными трудностями как аналитического, так и численного характера. Однако, при определенных модельных представлениях о характере взаимодействия дефектов с магнитными неодно-родностями уединенного типа, данную проблему удается разрешить с учетом рассматриваемых факторов. Другой проблемой, которая является важной как при интерпретации экспериментальных исследований кристаллов с комбинированной анизотропией, так и при определении практической значимости, является задача определения основных закономерностей процессов намагничивания и перемагничивания этих материалов, обусловленных механизмами когерентного и некогерентного вращения магнитных моментов.

Изложенные выше соображения определяют актуальность цели настоящей работы, которая посвящена теоретическому исследованию процессов спиновой переориентации реальных кристаллов, обусловленных тепловым воздействием и внешнего магнитного поля, на примере (011) — ориентированной пластины ферритов-гранатов.

Цель работы

Целью настоящей диссертационной работы является исследование спонтанных и индуцированных внешним магнитным полем спин-переориентационных фазовых переходов в кубических ферромагнетиках, сочетающих в себе наведенную одноосную и естественную кубическую анизотропии, с учетом конечности образца и наличия дефектов кристаллического строения; нахождение условий зарождения на дефектах магнитных неодно-родностей типа 0-градусной доменной границы (0°ДГ); определение области устойчивости уединенных магнитных неоднородностей в определенных промежутках изменения параметров образца, дефекта и внешнего магнитного поля различной ориентации; нахождение коэрцитивной силы.

Научная новизна

2. Развита термодинамическая теория зародышей перемагничивания и исследованы особенности поведения 0°ДГ различной топологии в окрестности спин-переориентационного фазового перехода (СПФП).

3.Установлено, что на конфигурацию уединенных магнитных неоднородностей, локализованных в области дефекта влияет не только профиль дефекта, но и магнитная симметрия кристалла.

Положения, выносимые на защиту

1. Моделирование процессов зарождения на дефектах кристаллической структуры магнитных неоднородностей типа 0°ДГ и определение области их существования в зависимости от параметров материала, характеристик дефекта, внешнего магнитного поля и толщины пластины. Расчет критических параметров существования 0°ДГ и выявление закономерностей спиновой переориентации при перемагничивании кристалла от одного состояния к другому.

4. Выявление механизма перемагничивания кристаллов с дефектами и определение их вклада в коэрцитивную силу образца.

Практическая ценность

Результаты исследования, представленные в диссертации расширяют существующие представления о свойствах кристаллов с комбинированной анизотропией, о процессах их намагничивания и перемагничивания. Они позволяют построить более полную картину процессов зародышеобразования на дефектах кристаллической структуры, имеющих место в этих кристаллах при тепловом воздействии и при» действии магнитных полей, и получить представление о кинетике спиновой переориентации рассматриваемых магнетиков.

Полученные в работе результаты могут найти применение в магнитной микроэлектронике при конструировании технических устройств, основанных на свойствах кристаллов с комбинированной анизотропией и могут быть использованы для оптимизации их технических характеристик. В то же время результаты исследований влияния дефектов кристалла на его магнитные свойства позволяют использовать тонкие пленки феррит-гранатов в устройствах детектирования и визуализации малых магнитных полей, а также генерировать на дефектах уединенные магнитные неоднородности различной топологии.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка авторской и цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в диссертации представлены следующие результаты:

2. Показано, что на распределение магнитных моментов в магнитных неоднородностях, локализованных на дефектах кристалла, влияет не только профиль дефекта, и изменение параметров AR внутри* нее, но и магнитная* симметрия кристалла.

3; Выявлено, что на точку СПФП влияют множество факторов: и материальные параметры образца, и внешнее магнитное поле, и наличие дефектов, в том числе и размагничивающие поля пластины, обусловленные его конечностью, а также создаваемые дефектами.

5. Показано; что величина коэрцитивной силы материала возрастает по мере приближения магнетика к точке СПФП, достигая в точке перехода максимальных значений.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гареева, Елена Рафаиловна, Уфа

1. Белов, К.П. Редкоземельные магнетики и их применение / К.П. Белов 1. М.: Наука, 1980.-240 с.

2. Казаков, В.Г. Тонкие магнитные пленки. / В.Г. Казаков // Соросовский образовательный журнал. 1997. №1 - С.107-114.

3. Рандошкин, В.В. Прикладная магнитооптика / В.В. Рандошкин, А.Я. Чер-воненкис // М.: Энергоатомиздат, 1990. — 320 с.

4. Тикадзуми, С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения / С. Тикадзуми // М.: Мир, 1987. 419 с

5. Звездин, А.К. Магнитооптика тонких пленок / А.К. Звездин, В.А. Котов// М.:Наука, 1988. 192 с.

6. Смоленский, Г.А. Ферриты и их техническое применение / Смоленский Г.А., В.В. Леманов// Л.: Наука, 1975. 217 с.

7. Яковлев, Ю.М. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике / Ю.М. Яковлев, С.Ш. Генделев // М.: Сов.Радио, 1975. 360 с.

8. Малоземов, А. Доменные стенки в материалах с цилиндрическими магнитными доменами / А.Малоземов, Дж. Слонзуски // М.: Мир, 1982.-382с.

9. Мицек, А.И. Влияние антифазных границ на магнитные свойства ферромагнетиков / А.И. Мицек, С.С. Семянников // ФТТ. 1969. - Т. 11, №5. -С.1103-1113.

10. Ю.Вахитов, P.M. Влияние дефектов на спин-переориентационный фазовый переход в ферромагнитной пластине (001) с комбинированной анизотропией / Р.М. Вахитов, В.Е. Кучеров // ФММ. 2001.-Т.91, №4. - G.1-5:

11. П.Вахитов, P.M. Об одном механизме зародышеобразования в кристаллах с комбинированной анизотропией / P.M. Вахитов, А.Р. Юмагузин // ФТТ. — 2001. —Т.43,вып.1. С.65-71.

12. Власко-Власов, В.К. Магнитный ориентационный фазовый переход в реальном кристалле / В.К. Власко-Власов, JI.M. Дедух, М.В. Инденбом,

13. B.И.Никитенко // ЖЭТФ. 1983. -Т.84, №.1. С.277-288.

14. Браун, У.Ф. Микромагнетизм / У.Ф. Браун // М.: Наука, 1979. 160 с.

15. Белов, К.П. Ориентационные переходы в редкоземельных магнетиках /К.П. Белов, А.К. Звездин, A.M. Кадомцева, Р.З. Левитин // М.: Наука, 1979.-320 с.

16. Ландау, Л.Д. Статическая физика. 4.1 / Л.Д. Ландау, И.М. Лифшиц И.М. // М.: Наука, 1995.-608с.

17. Звездин, А.К. Редкоземельные ионы в магнитоупорядоченных кристаллах / А.К. Звездин, В.М. Матвеев, А.А. Мухин, А.И. Попов // М.: Наука, 1985. -296 с.

18. Белов, К.П. Спин-переориентационные переходы в кубических магнетиках. Магнитная фазовая диаграмма тербий-иттриевых феррит-гранатов /К.П. Белов, А.К. Звездин, Р.З. Левитин и др. // ЖЭТФ. 1975. Т.68, вып.З.1. C.1189-1202.

19. Atzmony, U. Magnetic anisotropy and hyper fine interactions CeFe2, GdFe2 and LuFe2 / U. Atzmony, M.P. Dariel // Phys. Rev. B. 1974. - V.10, №.5. -P.2060-2067.

20. Rosen, M. Spin rotations in HoxErxxFe2 cubic Laves compounds / M. Rosen, H.Klimker, U.Atzmony, M.P. Dariel // J. Phys. Chem. Sol. 1976. V.37. -P.513-518.

21. Atzmony, U. Nonmajor cubic symmetry axes of easy magnetization in rare-earth iron Laves compounds / U. Atzmony, M.P. Dariel // Phys. Rev. B. 1976. -V.13, №9. -P.4006-4014.

22. Бородин, В.А. Ориентационная фазовая диаграмма кубических магнетиков при учете анизотропных взаимодействий восьмого порядка / В.А. Бородин, В.Д. Дорошев, Т.Н. Тарасенко // ФММ. 1983. Т.56, №2. - С.220-225.

23. Бирюкова, Е.А. Ориентационная фазовая диаграмма кубических магнетиков при учете анизотропных взаимодействий десятого порядка / Е.А. Бирюкова, Ю.Г. Мамаладзе, АГ. Манджавидзе // ФТТ. 1992. Т.34, №42. -С.1007-1014.

24. Бабушкин, Р.А. Магнитные фазовые переходы в феррит-гранате самария. Гипотеза изинговского упорядочения / Р.А. Бабушкин, В.А. Бородин,

25. B.Д.Дорошев и др. //Письма в ЖЭТФ. 1982. -Т.35, №.1. С.28-31.

26. Geller, S. Magnetic phase transitions in samarium iron garner / S. Geller, G.Balestrino // Phys. Rev. B. 1980. V.21, №10. - P.4055-4059.

27. Цицкишвилли, К.Ф. Существование угловой фазы в тербий-иттриевых ферритах-гранатах / К.Ф. Цицкишвилли, А.Г. Манджавидзе, Н.Г. Баазов, Е.А.Бирюкова, Ф.Х.Акопов, В.М.Федоров // ФТТ. 1982. Т.24, вып.11.1. C.3456-3458.

28. Balestrino, G. Magnetic phase transitions in garnets / G. Balestrino, S. Geller // J. Magn. Magn. Mater. 1985. V.49. - P.225-234.

29. Физические величины. Справочник под редакцией И.С. Григорьева, Е.З.Мейлихова. // Энергоатомиздат. М:: Москва. 1991. С. 716-726.

30. Мнеян, М.Г. Материалы с цилиндрическими магнитными доменами

31. М.Г.Мнеян //Зарубежная радиоэлектроника. 1976. №10: С.45-72. 31 .Балбашов, A.M. Магнитные материалы для микроэлектроники /A.M. Бал-башов, А.Я. Червоненкис // М.: Энергия, 1979. 216 с.

32. Бобек, Э. Цилиндрические магнитные домены / Э. Бобек, Э. Дела Торе // М.: Энергия, 1972. 192 с.

33. Кандаурова, Г.С. Особенности доменной структуры псевдоодноосных кристаллов-пластин (111) феррит-гранатов / Г.С. Кандаурова // ДАН СССР. 1978. -Т.243, №5. - С.1165-1167.

34. Беляева, А.И. Визуальное исследование доменной структуры в области спиновой переориентации для эпитаксиальных пленок (BiTm)(FeGa)5(Зр/ А.И. Беляева, А.В. Антонов, Г.С. Егиазарян, В.П.Юрьев // ФТТ. 1980. -Т.22, №.6. С.1621-1628.

35. Неель, JI. Некоторые свойства границ между ферромагнитными доменами./JI. Неель // Физика ферромагнитных областей. М.: Изд-во иностр. лит., 1951.-с.215-239.

36. Лифшиц, Е.М. О магнитном строении железа / Е.М. Лифшиц // ЖЭТФ. -1945.-Т.15, ЖЗ. С.97-107.

37. Лесник, А.Г. Наведенная магнитная анизотропия / А.Г. Лесник // ЖЭТФ. -1945. Т.15, №.3. - С.215-239.

38. Эшенфельдер, А. Физика и техника цилиндрических магнитных доменов /А. Эшенфельдер // М.: Мир, 1983. 496 с.

39. Балбашов, A.M. О применимости двухпараметрической модели для описания наведенной анизотропии в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов / A.M. Балбашов, Ф.В. Лисовский, Е.Г. Мансветова и др. // Микроэлектроника. 1989. Т. 18, вып.З. С.274-277.

40. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Справочник / A.M. Балбашов, Ф.В. Лисовский, В.К. Раев и др., под ред. Н.Н. Евти-хиева, Б.Н. Наумова // М.: Радио и связь, 1987. 488 с.

41. Гуфан, Ю.М. Структурные фазовые переходы / Ю.М. Гуфан // М.: Наука, 1982.-304 с.

42. Кутьин, Е.И. Методы теории особенностей в феноменологии фазовых переходов / Е.И. Кутьин, В.Л. Лорман, С.В. Павлов // УФН. 1991. -Т.161, №6. С. 109-147.

43. Изюмов, Ю.А. Фазовые переходы и симметрия кристаллов/ Ю.А. Изюмов,

44. B.Н. Сыромятников // М.: Наука, 1984. 284 с.

45. Сабитов, P.M. Статические и динамические свойства магнитных неоднородностей в ЦМД-материалах с ромбической анизотропией / Р.М.Сабитов, P.M. Вахитов, Е.Г. Шанина // Микроэлектроника. 1989. -Т. 18, №3.1. C.266-273.

46. Бородин, B.A. Изучение методом

47. ЯМР °'Fe ориентационного фазового перехода в T3Fe5On, индуцированного внешним напряжением /

48. B.А.Бородин, В.Д Дорошев, Т.Н. Тарасенко// ФТТ. 1985. Т.27, №2.1. C.583-585.

49. Tomas, I. Easy magnetization axes in materials with combined cubic and uniaxial anisotropies / I.Tomas, L. Murtinova, J. Kaczer // Phys. Stat. Sol. (a). 1983. -V.75, №1. -P.121-127.

50. Maziewski, A. Easy axes and domain structure in magnet with mixed cubic and uniaxial anisotropies / A. Maziewski, Z. Babicz, L. Murtinova // Acta Phys. Pol. 1987. -V.A72, №6. P.811-822.

51. Антонов, Л.И. Статические свойства и области фазовых переходов в магнитных пленках типа {l 1/} / Л.И. Антонов, А.С. Жукарев, Л.Е. Коротенко, Матвеев А.Н., Попов В.В. // М. 1983. - 25 с. - Рук. представлена МГУ. Деп. в ВИНИТИ 2 сент. 1983.-№4991-83.

52. Антонов, Л.И. Магнитные фазы и фазовые переходы в пленочном монокристалле типа {ll/} / Л:И. Антонов, Л.Е. Коротенко, А.Н. Матвеев,

53. B.В.Попов// Вестн. Моск. ун-та. Физика. Астрономия. 1983. Т.24, вып.5.1. C.79-82.

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

55. Hubert, A. Magnetic domains / A. Hubert, R. Schafer// Berlin: Springer Ver-lag, 1998.-p.696.

56. Ландау, Л.Д. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц //Л.Д. Ландау. Собрание трудов. т. 1. М.: Наука, 1969. - 312 с.

57. Сабитов, P.M. Особенности динамики ЦМД в пленках с комбинированной анизотропией / P.M. Сабитов, P.M. Вахитов, М.М. Фарзтдинов М.М. // Микроэлектроника. 1985. Т. 14, №.5. - С.438-441.

58. Сабитов, P.M. / P.M. Сабитов, P.M. Вахитов // Новые магнитные материалы микроэлектроники: Тез. Докл. 4.1. — Рига. — 1986. с. 144.

59. Kurtzig, A.J. Correlation of domain wall mobility with gallium concentration in bubble garnets / A.J.Kurtzig, R.C. Le Craw, A.H. Bobeck e.a. // In.: Magn. Magn. Mater. 17-th AIP Annu. Conf. New York. 1972. Part I. P. 180-184.

60. Макаров, В.П. Доменная структура сплава Fe-Ъ.2%Si вблизи кристаллической фазы / В.П. Макаров, Б.В. Молотилов, В.И. Рытвин // ДАН СССР. 1975. Т.221, №4. - С.819-821.

61. Гинзбург, В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными / В.Л. Гинзбург // УФН. 1981. Т. 134, вып.З. С.469-517.

62. Гинзбург, В.Л. Влияние крупномасштабных неоднородностей на фазовый переход второго рода / В.Л. Гинзбург // ЖЭТФ: 1977. Т.73, №5. - С.1961-1966.

63. Ливанюк, А.П. Изменение структуры дефектов и обусловленные ими аномалии свойств веществ вблизи точек фазовых переходов / А.П. Ливанюк,

64. B.В. Осипов, А.С. Сигов, А.А. Собянин // ЖЭТФ. 1979. Т.76, №1.1. C.345-368.

65. Дубровский, И.М. Фазовые переходы второго порядка в кристаллах, содержащих дислокации / И.М. Дубровский, М.А. Кривоглаз // ЖЭТФ. 1979. -Т.11, №3. С.1017-1031.

66. Харченко, Н.Ф. Исследование ориентационных переходов и сосуществование магнитных фаз в кубическом ферромагнетике GdJG /Н.Ф. Хар-ченко, В.В.Еременко, СЛ. Гнатченко // ЖЭТФ. 1975. Т69, №5. - С. 16971701.

67. Гнатченко, C.JI. Индуцированные магнитным полем эквивалентные не-коллинеарные структуры в кубическом ферромагнетике GdIG / C.JT. Гнатченко, Н.Ф. Харченко // ЖЭТФ. 1976. Т.70, №4. - С. 1379-1393.

68. Власко-Власов, В.К. Влияние дислокаций на спин-переориентационный фазовый переход, индуцированный внешним магнитным полем / В.К. Власко-Власов, JI.M. Дедух, В.И. Никитенко // ФТТ. 1981. Т.23, №6. -С.1857-1859.

69. Власко-Власов, В.К. Диаграмма магнитных ориентационных фазовых переходов в монокристаллах гадолиниевого феррита-граната с внутренними напряжениями / В.К. Власко-Власов, М.В. Инденбом // ЖЭТФ. 1984. -Т.86, №. 3. С. 1084-1091.

70. Dichenko, А.В. Domain nucleation due to dislocations in cubic ferromagnets /Dichenko A.B., Nikolaev V.V. // J.Magn.Magn.Mater. 1985. -V.53.- P.71-79.ч

71. Диченко, А.Б. Образование магнитных доменов в упругом поле дислокаций / А.Б. Диченко, В.В. Николаев // Динамические и кинематические свойства магнетиков. М.: Наука, 1986. -С. 103-126.

72. Синицын, Е.В. Ориентационные фазовые переходы в магнетиках с флук-туациями анизотропных взаимодействий. / Е.В. Синицын, И.Г.Бострем // ЖЭТФ. 1983. -Т.85, №2. С.661-669.

73. Вахитов, P.M. Особенности доменной структуры кристалла-пластины (011) ферритов-гранатов / P.M. Вахитов, Е.Г. Шанина // ЖТФ. 2003. Т.73, вьга.7. С.67-74.

74. Sakuma, A. Micromagnetic studies of inhomogeneous nucleation in hard magnets / A. Sakuma, S. Tanigawa, M. Tokunaga // J. Magn.Magn.Mater. 1990. -V.84.-P. 52-58.

75. Вахитов, P.M. Структура и устойчивость 0-градусных доменных границ, локализованных в области дефектов кристалла-пластины (001) с комбинированной анизотропией / P.M. Вахитов, В.Е. Кучеров // ФТТ. 1998. Т.40, №8. -С. 1498-1502.

76. Fradkin, М.А. External field in the Landau theory of a weakly dissontinuous phase transition: Pressure effect in the martensitic transitions / Fradkin M.A. // Phys. Rev. 1994. В 50, 22. - P. 16326-16339.

77. Вахитов, P.M. Влияние внешнего магнитного поля на ориентационные фазовые диаграммы кристалла-пластины (011) с комбинированной анизотропией. / P.M. Вахитов, В.В. Гриневич, М.М. Вахитова // ЖТФ. 2002. Т.72, вып. 2. С. 42-47.

78. Kronmuller, Н. Theoiy of nucleation fields in inhomogeneous ferromagnets / H. Kronmuller //Phys.Stat.Sol.(b). 1987. В 144. -P 385-396.

79. Sakuma, S. Micromagnetic studies of inhomogeneous nucleation in hard magnets / S. Sakuma, M. Tanigawa, J. Tokunaga // Magn.Magn.Mater. 1990. В 84. —P.52-58.

80. СПИСОК АВТОРСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

81. А1. Гареева Е.Р. Моделирование зародышеобразования в пластине (011), содержащей дефекты / Гареева Е.Р. // Тезисы докладов студенческой научно практической конференции по физике. - Уфа, РИО БашГУ,2004. С.24-25.

82. А8. Processes of Inhomogeneous spin reorientation of Real magnets / Vakhitov R.M., Gareyeva E.R., Vakhitova M.M. // International Conference "Functional Materials". ICFM-2005: Abstracts Ukraine, Crimea, Partenit. 2005. -P.32.

83. A9. Процессы зародышеобразования при спин-переориентационных фазовых переходах в реальных кристаллах / Вахитов P.M., Гареева Е.Р., Вахитова М.М. // Физика низких температур. 2006. Т.32, № 2, С. 169-175.

84. АН. Гареева Е.Р. Процессы зародышеобразования в кубическом ферромагнетике ограниченных размеров / Гареева Е.Р., Вахитова М.М. // Вестник Башкирского университета. 2006. -№ 3 С. 14-16.

85. А 12. Nucleation processes on defects in real crystals / Vakhitov R.M., Gareeva E.R., Vakhitova М.М. / III Joint European Magnetic Symposia; San Sebastian; Spain; 26-30 June, 2006: Book of Abstracts and Programme. San Sebastian, 2006.-P.l 50.

86. А13. Structure and properties of reverse magnetization domains in real crystals / Vakhitov R.M., Gareyeva Ye.R. // EASTMAG-2007 "Magnetism on a nano-scale", Kazan, 23-26 august, 2007: abstract book. Kazan, 2007. - P.92.

87. А20. Modelling processes of reverse magnetization of real crystals // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM). Book of abstracts. Moscow -2008.-P. 174-175.

88. А24. Некоторые аспекты процессов перемагничивания реальных кристаллов / Вахитов .P.M., Гареева Е.Р., Вахитова М.М., Юмагузин А.Р.// Вестник челябинского государственного университета. Физика. -2009.- №.8, вып. 4. -С.43-47.

89. А26. Моделирование процессов спиновой переориентации в кубических ферромагнетиках, содержащих дефекты / Вахитов P.M., Гареева Е.Р., Вахитова М.М., Юмагузин А.Р.// ЖТФ.- 2009. -Т. 79, вып. 8.- С.50-55.

90. А27. Моделирование процессов перемагничивания ограниченных ферромагнетиков, содержащих дефекты / Вахитов P.M., Гареева Е.Р., Вахитова М.М., Юмагузин А.Р. // ФТТ.- 2009. -Т. 51, вып. 9. С. 1751-1756.