Статические и динамические свойства вихревых доменныхстенок в магнитных пленках с плоскостной анизотропией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

Р Г 5 ОД

? О ФЕВ 199Я На правах рукописи

Ребрякова Екатерина Вадимовна

Статические и динамические свойства вихревых доменных стенок в магнитных пленках с плоскостной

анизотропией

01.04.11 - физика магнитных явлений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена в лаборатории магнитной информатики Института физики металлов УрО РАН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор физико - математических наук, профессор Б. Н. Филиппов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук А. Б. Борисов

доктор физико-математических наук Ю. И. Ялышев

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Уральский Государственный университет (г. Екатеринбург)

Защита состоится " ^ " 1998 г.

в " часов на заседании диссертационного совета К.002.03.01 в Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан января 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических

наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время изучению структур и свойств доменных стенок (ДС) в тонких магнитных пленках (ТМП) уделяется большое внимание, что связано с непосредственным применением таких пленок в технике и перспективами их дальнейшего использования. В частности, тонкие магнитные пленки, выполненные из немагнитострикционного пермаллоя, широко применяются в качестве чувствительного элемента магнитных головок для записи и считывания информации сверхвысокой плотности записи.

Проблема исследования тонкой структуры ДС в ТМП упирается в решение сложной системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений второго порядка с учетом краевых условий. В настоящее время полностью такая задача не решена. Все теоретические исследования структуры доменных стенок основываются на тех или иных модельных представлениях. Важнейшим из них является представление об одномерном характере распределения намагниченности М в ДС, т. е. о зависимости М только от одной пространственной координаты.

Однако, в 1969 году в работе [1], посвященной численным исследованиям структуры ДС в тонких магнитоодноос-ных пленках с плоскостной анизотропией, было показано,

что в таких пленках в определенной области толщин ~ 400 -1500 А стабильными являются стенки с существенно двухмерным характером распределения намагниченности - вихревые ДС. Ближе к поверхностям пленки участки стенки имеют неелевский характер, а в середине представляют собой структуры блоховского типа. Стыкуясь, эти участки образуют вихревую структуру ДС. Было установлено, что образование таких стенок, существенно снижает магнито-статическую часть энергии, одновременно не очень сильно увеличивая ее обменную часть. Позднее возникновение и устойчивое существование различных типов вихревых доменных стенок в определенной области толщин магнитных пленок было подтверждено экспериментально. Естественно, изучение особенностей строения и свойств вихревых ДС не может проводиться в рамках одномерных моделей. Однако и используемые до недавнего времени модели с двухмерным характером распределения намагниченности не являлись достаточными, поскольку в них не учитывались точно все энергии, определяющие структуру доменной стенки.

Особенность проводимых нами исследований заключается в использовании двухмерной модели распределения намагниченности в рамках строгого микромагнитного подхода при одновременном точном учете всех компонент энерии, определяющих тонкие особенности строения доменных

4

стенок, в том числе магнитостатической энергии. Подобные исследования стали проводиться лишь последние несколько лет в нескольких исследовательских центрах. Решение такой сложной комплексной задачи возможно только численными методами. В нашем институте в лаборатории магнитной информатики Л. Г. Корзуниным была разработана процедура численного расчета структуры доменных стенок в магнитных пленках с плоскостной анизотропией, на основе которой выполнены наши исследования.

Основная цель работы

Провести численные исследования особенностей тонкого строения структур ДС в многослойных пермаллоевых пленках с плоскостной анизотропией с целью учета двухмерных конфигураций намагниченности в ситуации, когда главную роль играет межслойное магнитостатичкеское взаимодействие. Работа выполнена на основе строгого микромагнитного подхода в рамках модели с двухмерным характером распределения намагниченности одновременно с точным учетом всех компонент энергии, определяющих структуру ДС: обменной, магнитоанизотропной, магнитостатической. Исследовать динамическое поведение вихревых доменных стенок в однородных магнитных пленках под действием постоянного внешнего магнитного поля Н, приложенного вдоль оси легкого намагничивания, с

5

использованием прямого численного решения нелинейного уравнения Ландау-Лифшица.

Научная новизна

1. Описанный выше метод численных исследований впервые применяется для определения тонкой структуры доменных стенок в многослойных магнитных пленках. Результаты численных расчетов используются для обобщения и более широкой интерпретации имеющихся экспериментальных данных с целью учета двухмерных конфигураций намагниченности в пленках, в ситуации, когда главную роль играет межслойное магнитостатическое взаимодействие.

2. Впервые были проведены численные исследования влияния поверхностной магнитной анизотропии на процесс динамической перестройки внутренней структуры стенки.

3. Впервые были рассчитаны средние скорости движения вихревых доменных стенок в зависимости от величины приложенного внешнего постоянного магнитного поля. Результаты численных расчетов согласуются с экспериментальными данными, полученными для реальных пермаллое-вых пленок, одновременно позволяя получить новую информацию о периодической перестройке внутренней структуры ДС, происходящей в процессе ее движения.

Практическая ценность работы

Полученные результаты позволяют обобщить и более широко интерпретировать экспериментальные данные о структуре доменных стенок в магнитных пленках, о статическом и динамическом поведении ДС с учетом двухмерного характера распределения намагниченности. Результаты численного расчета влияния поверхностной магнитной анизотропии на процесс динамической перестройки внутренней структуры стенки позволяют предложить новый метод экспериментального определения величины константы поверхностной магнитной анизотропии. Используемая модель расчета и полученные результаты открывают возможность дальнейшего исследования особенностей строения тонкой структуры доменных стенок с двухмерным распределением намагниченности, а также динамических преобразований таких двухмерных стенок.

Публикации По материалам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 7 печатных работ.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Материал изложен на 115 страницах, содержит 41 рисунок, 2 таблицы и список литературы, включающий 107 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава работы посвящена обзору современного состояния теоретических и экспериментальных исследований статических и динамических свойств двухмерных доменных стенок в магнитных пленках, сопоставлены результаты, полученные в рамках различных моделей, проведен сравнительный анализ особенностей поведения ДС в однослойных и многослойных пленках. Специальный раздел посвящен проведенным в последние несколько лет исследованиям нелинейной динамики вихревых доменных стенок, в которых были точно учтены основные взаимодействия, определяющие структуру ДС.

Вторая глава диссертации посвящена обоснованию и описанию применяемого метода исследований, особенностей подхода, структуры программы численных расчетов. Исследования статических и динамических свойств вихревых доменных стенок проводились на основе программы численного расчета равновесной двухмерной структуры ДС в магнитных пленках с плоскостной анизотропией, разработанной Л. Г. Корзуниным. Задача о нахождении стабильной структуры доменной стенки (пространственного распределения намагниченности М в ДС) решается путем минимизации функционала энергии доменной стенки, которая

включает в себя обменную, магнитоанизотропную, магнито-статические энергии. Минимизация функционала энергии проводится с учетом граничных условий, условия М2 = Ms2= = const, и приводит к системе нелинейных интегро-дифференциальных уравнений второго порядка. В настоящее время не существует аналитических методов решения таких задач. В связи с этим нами был использован метод численной минимизации функционала энергии.

В рамках этого метода вся рассматриваемая область ДС покрывается сеткой с прямоугольными ячейками (сеточный метод). Предполагается, что ячейки имеют макроскопические, но настолько малые размеры, что во всех точках каждой из них намагниченность М можно считать постоянной, а ориентация М меняется только при переходе от ячейки к ячейке. Далее производится дискретизация всех компонент энергии, входящих в функционал. Минимизации такого дикретизированного функционала энергии позволяет определить равновесное распределение намагниченности М и соответствующую такой структуре полную энергию стенки. Подробно применяемый метода расчета приведен в работе [2].

Для исследований динамических преобразований вихревых ДС была разработана процедура прямого

численного решения нелинейного динамического уравнения Ландау и Лифщица. Для этой цели использовалась явная разностная схема (метод Эйлера). При этом начальное распределение М в начальный момент времени определялось согласно описанной выше численной процедуре минимизации функционала.

Третья глава работы посвящена результатам численных исследований структуры ДС в многослойных пермал-лоевых пленках. Нами установлены возможные стабильные и некоторые метастабильные распределения намагниченности, определяющие структуру доменных стенок в трехслойных магнитных пленках с плоскостной анизотропией. Толщина и магнитные параметры внешних слоев (параметры обмена А, анизотропии К и намагниченность насыщения М8) были одинаковыми, а магнитные параметры среднего слоя имели более низкие значения, чем магнитные параметры внешних слоев. Как частный случай таких ММП были рассмотрены также двухслойные пленки, разделенные немагнитной прослойкой.

Установлено, что в трехслойных магнитных пленках с параметрами внешних слоев, характерными для пермаллое-вых пленок, могут существовать три различных типа доменной стенки, представленных на рис. 1. Здесь и далее

а

S

» m * ♦ • * * ♦ m

шшш 1 ШНШк Siiiîiii Минн ■ »и ^.»Н» ♦ -Г •• «•

...

rrrrr;:::-

ê

ь

Рис. 1 Пример двухмерной структуры ДС в трехслойной пленки с фиксированной толщиной b = 1,5 • 10-5 см, Ак = 2 • 10-8 эрг/см, M* = 800 Гс, Mi = 80 Гс и различными толщинами fe: а - 300 А; б - 600 А; в - 1200 А. Приведена лишь третья часть полученной микроструктуры.

стрелочки изображают проекцию М на плоскость ДС. Слева от центральной линии г - компонента намагниченности положительна, справа - отрицательна. Смена знака М2 происходит на центральной линии, проходящей через все сечение пленки. Отличие этой линии от прямой определяет асимметрию доменной стенки. Для каждого из трех типов ДС структура стенки во внешних слоях имеет неелевский характер. Все различие возникающих ДС сосредоточено в центральной области ("ядре") среднего слоя. Здесь в зависимости от толщины пленки, и ее слоев, а также от величины магнитных параметров "ядро" ДС может представлять собой:

1) асимметричный вихрь (рис. 1а);

2) два асимметричных вихря, расположенных вдоль нормали к поверхности пленки(рис. 1в);

3) асимметричную промежуточно-вихревую структуру (ЛВС) (рис. 16);

Доменная стенка с ПВС в среднем слое представляет собой стенку нового типа. В среднем слое таких стенок имеются протяженные блоховские участки и сравнительно узкие "ядра" со своеобразным распределением магнитных моментов в виде двух недостроенных в пределах среднего слоя асимметричных вихрей с разной киральностью. Периферийные участки ДС в среднем слое являются областями

с блоховским типом распределения намагниченности. Оказалось, что обе части ПВС или два асимметричных вихря имеют разные киральности (разное направление вращения М). Переходная область между этими образованиями представляет собой горизонтальную блоховскую линию, вытянутую вдоль оси анизотропии.

Установлено, что в трехслойных пленках неелевские стенки могут существовать во внешних слоях существенно большей толщины, чем толщины однослойных пленок, благодаря межслойному магнитостатическому взаимодействию. Кроме того, в отличие от однослойных пленок, в которых при образовании вихревой структуры происходит резкое уменьшение магнитостатической энергии, в многослойных пленках с вихревыми ДС вклад обменной энергии в полную энергию может быть ниже, чем вклад магнитостатической энергии.

В двухслойных магнитных пленках с немагнитными прослойками могут возникать два разных типа неелевских стенок, различающихся киральностями, а также по четыре различных конфигурации асимметричных блоховских и неелевских стенок, которые отличаются киральностями вихрей, а также направлением вогнутости средней линии ДС (для асимметричных блоховских стенок)

или знаками тангенсов угла наклона касательных к точкам средней линии (для асимметричных стенок Нееля). Все эти конфигурации устойчивы при разных значениях толщины магнитных слоев пленки и ее прослойки.

В отличие от однослойных пленок в двухслойных пленках с немагнитной прослойкой при определенных значениях толщины магнитных слоев Ье и прослойки Ь; существуют стабильные асимметричные неелевские стенки. Причиной этого является магнитостатическое взаимодействие между отдельными магнитным слоями. Область существования стабильных асимметричных неелевских стенок с увеличением толщины немагнитной прослойки сужается и исчезает. В области сравнительно больших толщин прослоек асимметричные неелевские ДС существуют лишь только как метастабильные, а устойчивыми при данных значениях толщины пленки являются асимметричные блоховские доменные стенки.

Найдена "фазовая" диаграмма, отделяющая на плоскости (Ьь Ье), области существования стабильных неелевских и блоховских стенок (рис.2). Эта диаграмма качественно согласуется с имеющимися экспериментальными данными [3], однако смысл ее несколько иной, чем придаваемый ей при экспериментальных исследованиях. Она отделяет

области стабильности асимметричных блоховских и неелев-ских (в частности, также асимметричных) ДС, а не простых блоховских и неелевских стенок, как предполагалось на эксперименте.

ь.,А

1000

800

600

400

600

800

1000

Рис.2 "Фазовая" диаграмма отделяющая на плоскости (й Ье) области в которых существуют стабильные неелевские (нижняя часть рисунка) и стабильные блоховские (верхняя часть рисунка) конфигурации стенок. Кривая 1 - эксперимент. Кривая 2 - наша теория.

В четвертой главе диссертации на основе прямого численного решения нелинейного уравнения Ландау и Лифши-ца было рассмотрено динамическое поведение двухмерных вихревых доменных стенок в тонких магнитных пленках с плоскостной анизотропией под действием постоянного внешнего магнитного поля Н, приложенного вдоль оси легкого намагничивания.

Показано, что в полях ниже некоторого критического Не, стенка движется с постоянной скоростью, в закрити-ческой области ее движение становится периодическим и сопровождается перестройкой внутренней структуры ДС. Оказалось, что в рассматриваемых пленках в определенной области полей Н вблизи Нс, процесс динамической перестройки доменной стенки аналогичен впервые описанному в [4], а именно представляет собой последовательное превращение асимметричных блоховских в асимметричные неелев-ские ДС и обратно. В качестве примера на рис. 3 представлен процесс преобразования внутренней структуры стенки, происходящий в пленке толщиной Ъ = 5 • 10"6 см, при значении поля Н = 200 Э. На рисунке изображен полупериод происходящих преобразований, заканчивающийся возникновением асимметричной блоховской стенки с киральностью, противоположной киральности исходной ДС. На втором полупериоде происходит аналогичный процесс, в результате которого образуется структура, изображенная на рис. За.

Описанный выше процесс динамической перестройки внутренней структуры стенки в сравнительно небольшой области магнитных полей, прилегающей к критическим полям, физически аналогичен процессу изменения распределения намагниченности в одномерной стенке при ее

Рис. 3 а,б,в Пример преобразований внутренней структуры доменных стенок в процессе ее движения в пленках толщиной Ь = 5-10-6 см.

17

а-

Рис. 3 г, д, е. Пример преобразований внутренней структуры доменных стенок в процессе ее движения в пленках толщиной Ь = 5- Ю-6 см.

осцилляционном движении. И в том, и в другом случае указанные преобразования возникают из - за появления в поле, большем некоторого критического значения, неоднородной прецессии намагниченности М вокруг оси легкого намагничивания, наряду с прецессией М вокруг направления движения доменной стенки. В связи с прецессией М вокруг ОЛН при Н £ Нс двухмерные вихревые стенки, так же как и в одномерном случае, испытывают попятные движения, обнаруженные нами в численных экспериментах.

В рамках двухмерной модели впервые были вычислены средние скорости <\> движения ДС. Установлено, что <у> имеет немонотонный характер в зависимости от Н для разных значений параметра затухания отклонений магнитного момента а. На рис. 4 приведена зависимость <у> = <у>(Н) при значении а = 0,2. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными исследованиями, проведенными ранее для реальных пермаллоевых пленок [5]. Оказалось также, что в области полей ниже Нс происходит динамическое преобразование структуры движущейся одно-вихревой асимметричной блоховской стенки в структуру асимметричной двухвихревой неелевской стенки.

Большое внимание мы уделили вопросу влияния поверхностной магнитной анизотропии на преобразования

стенки в процессе ее движения. В [2] было показано, что существование ПМА оказывает важное воздействие на тонкую двухмерную структуру ДС, приводя, в-частности, к возникновению в пленках некоторых толщин стабильных стенок с двумя симметрично расположенными вихрями. До настоящего времени не существовало теоретических работ, в которых бы изучалось влияние поверхностной магнитной анизотропии на нелинейную динамику вихревых ДС.

Рис. 4 Зависимость средней скорости <у> движения стенки от напряженности внешнего магнитного поля при а = 0,2.

Оказалось, что наличие даже небольшой ПМА типа плоскость легкого намагничивания (Ю > О, К8 ~ 0,3 эрг/см2) приводит к резкому и существенному увеличению периода Т динамической перестройки ДС, вплоть до ее полного подавления. Этот рост может происходить лишь в сравнительно узком интервале Н вблизи критического значения Нс, ниже и выше которого стенка движется с постоянной и переменной скоростью соответственно. Такое влияние К5 на период динамической перестройки Т связано с зависимостью Нс от величины константы К5 поверхностной анизотропии, а также с резким увеличением Т при приближении к Нс. Обнаруженная большая чувствительность Т к изменениям Н может быть использована для экспериментального определения величины поверхностной магнитной анизотропии К5.

Проведенные исследования указывают на наличие минимума в зависимости критического поля Нс, отделяющего области стационарного и нестационарного движения ДС, от константы поверхностной анизотропии К;. Минимум Нс возникает при некотором значении К5 = Ко^, которое зависит от параметров магнитного материала. В соответствии со сказанным, в области К^ > Ко^ величина Не растет, а в области Кь < Ко,5 падает при увеличении Кв.

Оказалось, что процесс динамического преобразования внутренней структуры ДС происходит неравномерно в течение периода и неодинаково для ситуаций К5 > Ко^ В первом случае наиболее длительно (примерно 2/3 части периода) происходит переход от динамического состояния а (рис. За) к динамическому состоянию в (рис. Зв), т. е, переход от асимметричных блоховских стенок в асимметричные неелевские. Во втором случае наиболее длительно происходит переход от состояния в в состояние г (рис. Зг), т. е. от асимметричной к почти симметричной стенке Нееля.

Наличие поверхностной магнитной анизотропии с Кв < 0 приводит к тому, что в этом случае динамическая перестройка ДС может существенно отличаться от таковой в пленках с К* = 0 при неизменных прочих параметрах. Основным моментом этого отличия является образование двухвихревых асимметричных структур не путем постепенной перестройки одних стенок в другие, а путем зарождения, развития и взаимного влияния дополнительных вихрей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1.Проведены численные расчеты равновесных структур доменных стенок в многослойных магнитных пленках с плоскостной анизотропией на основе строгого

микромагнитного подхода в рамках модели с двухмерным характером распределения намагниченности ДС одновременно с точным учетом всех компонент энергии, определяющих тонкую структуру ДС, - обменной, магнитоанизо-тропной, магнитостатической.

2. Установлены все возможные стабильные и некоторые метастабильные распределения намагниченности, определяющие структуру доменных стенок в многослойных пер-маллоевых пленках с плоскостной анизотропией в ситуации, когда главную роль играет межслойное магнитостатическое взаимодействие. Полученные результаты позволяют обобщить и более широко интерпретировать имеющиеся теоретические и экспериментальные данные с учетом двухмерных конфигураций намагниченности. Показано, что в многослойных пленках при определенных условиях могут возникать новые типы двухмерных структур ДС, а также имеются области устойчивого существования известных двухмерных ДС, которые в однослойных пленках существуют лишь как метастабильные.

3. Исследовано нелинейное динамическое поведение вихревых доменных стенок в пленках с плоскостной анизотропией, с учетом динамического изменения внутренней двухмерной структуры ДС. В рамках двухмерной модели

впервые были рассчитаны средние скорости <у> движения двухмерных ДС под действием постоянного внешнего магнитного поля Н, приложенного вдоль оси легкого намагничивания. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными исследованиями, проведенными ранее для реальных пермаллоевых пленок, одновременно позволяя получить новую информацию о периодической перестройке внутренней структуры ДС, происходящей в процессе ее движения.

4. Впервые рассмотрено влияние поверхностной магнитной анизотропии на преобразования внутренней структуры двухмерной ДС в процессе ее движения. Показано, что в рассматриваемых пленках в полях, выше некотого критического Нс, процесс динамической перестройки доменной стенки представляет собой последовательное превращение асимметричных блоховских в асимметричные неелевские ДС и обратно. Показано, что наличие даже небольшой ПМА типа плоскость легкого намагничивания может приводить к резкому и существенному увеличению периода Т динамической перестройки ДС, вплоть до ее полного подавления. При наличии ПМА с К* < 0 может измениться сценарий происходящей динамической перестройки ДС. В процессе движения ДС образуются двухвихревые асимметричные

структуры путем зарождения, развития и взаимного влияния дополнительных вихрей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах; 1. Филиппов Б. Н., Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Влияние поверхностной анизотропии на нелинейную динамику вихревых доменных стенок в магнитных пленках с плоскостной анизотропией. - ФММ, 1996, т. 82, № 2, с.5 - 17. 6. Филиппов Б. Н., Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Доменные границы в многослойных пленках с плоскостной анизотропией. - ФММ, 1996, т. 81, № 5, с. 14 - 26.

3. Филиппов Б. Н., Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Нелинейная динамика доменных стенок с двухмерной внутренней структурой в пленках с плоскостной анизотропией (в печати).

4. Филиппов Б. Н„ Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Влияние поверхностной магнитной анизотропии на нелинейную динамику доменных границ с двухмерным распределением намагниченности.- ФММ, 1997.

5. Филиппов Б. Н., Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Нелинейная динамика доменных границ в магнитных пленках с плоскостной анизотропией. - в сб. "Новые магнитные материалы микроэлектроники". УРСС. М., 1996, с. 94 - 95/

6. Филиппов Б. H., Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Динамика доменных границ магнитоодноосных пленок с плоскостной анизотропией при наличии поверхностной анизотропии типа плоскость легкого намагничивания (в печати).

7. Филиппов Б. Н., Корзунин Л. Г., Ребрякова Е. В. Тонкая структура доменных стенок в магнитостатически связанных двухслойных пленках с плоскостной анизотропией. - ФММ, 1996, т. 81, №6, с. 37-47.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. La Bonté А. Е. Two dimensional Bloch-type domain walls in ferromagnetic films.-J.Appl.Phys., 1969, v.40, № 6, p.2450-2458

[2]. Филиппов Б. H., Корзунин Л. Г. Влияние поверхностной анизотропии на тонкую структуру доменных границ в магнитно-одноосных пленках. - ФММ, 1993, т. 75, № 4, с. 49-62

[3]. Feldtkeller Е. Wandbewegungfeldstärken in Magnetischen Mehrfachschichten. - Z. Angew. Phys., 1965, b. 18, h. 5, s. 532 -534

[4]. Yuan S. W., Bertram H. N. Domain - wall dynamic instability. - J. Appl. Phys., 1991, v. 69, № 8, p. 5874 - 5876 [5J. Bartran D. S., Bourne Jr. С. Wall Contraction in Bloch Wall Films.- IEEE. Trans, on Magn., 1972, № 4, p. 741 - 745