Структурно-магнитные эффекты в поликристаллических и аморфных пленках с непланарной анизотропией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи РАВЛИК АНАТОЛИЙ ГЕОРГИЕВИ"

СТРУКТУРНО-МАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И АМОРФНЫХ ПЛЕНКАХ С НЕПЛАНАРНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ

01.04.11 — Физика магнитных явлений 01.04.07 — Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Р Г Б ОД

Харьков —

1994

Диссертация является рукописью.

Рабом выполнена в Харьковском государственном политехническом ун шерситете.

Официальные

оппоненты: 1. Академик HAH Украины,

доктор физико-математических наук, профессор Еременко Виктор Валентинович (ФТИНТ HAH Украины, г.Харьков)

2. Доктор физико-математических наук, профессор Попков Юрий Андронович {ХГУ, г.Харьков)

3. Доктор физико-математических наук, профессор Коган Владимир Соломонович (ННЦ ХФТИ, г.Харьков)

Ведущая организация: Институт металлофизики HAH Украины, г.Киев Защита состоття

на заседании специализированного совета Д.053.06.02 Харьковского государственного университета (310077, г.Харьков, пл. Свободы, 4. Ауд. им. К.Д.Сииелышкова)

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан i^^^C^l^f-K 199 У г. Ученый секретарь

специализированного совета г' В.П.Пойда

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и степень исследования тематики диссертации. Достижения одной из развивающихся отраслей физической науки - физики магнитных явлений в твердом толе - положены в основу физического магнитного материаловедения. Сферы практического использования магшггных материалов непрерывно расширяются. Это становится возможным благодаря открытиям неизвестных ранее явлений и эффектов, а также разработке новых магнитных материалов. Магнитные пленки умножают возможности массивных магнетиков, поскольку "пленочные" эффекты и явления имеют более богатый спектр.

В общем объеме физических исследований и технических разработок большой удельный вес имеют полнкрнсталлчческие и аморфные пленки, что, очевидно, связано с простотой их изготовления по сравнению с монокрнстальными слоями, однако высокодисперсные пленки являются весьма непростыми объектами исследования из-за высокой неравповесности, разнообразия структурных характеристик и трудностей установления связен между структурой и магнитными свойствами.

Изучение природы магнитной анизотропии - одна из фундаментальных проблем физики магнитных явлений в твердом теле, поскольку анизотропия определяет многие магнитные свойства -доменную структуру, процессы перемапшчивания, гистерезнсные характеристики и др. Магнитная анизотропия в высокодиснерсных ферромагнетиках является структурно-чувствительным свойством, т.к. сильно зависит от их реальной структуры: ближнего порядка, упорядочения, включая парное, формы кристаллитов, структуры границ между ними, преимущественных ориентировок, неоднород-ностей (пор, включений, выделений), напряженного состояния и др. В данной работе исследованы объекты, относящиеся к новому классу материалов - пленки с наианарной анизотропией (НПлА), т.е. с одноосной анизотропией, которая характеризуется константой К/ и осью легкого намагничивания (ОЛИ), непараллельной плоскости пленок. Частным случаем НПлЛ является перпендикулярная анизотропия (ПА) с константой Кх. Свойства этих пленок весьма необычны: они имеют мелкую полосовую доменную структуру (ПДС) с периодом 0« 10"5-г1<И см, причем вектор намагниченности 15 в доменах, непараллелен плоскости слоя. Такое состояние было названо Л.Г.Лесником (1963г.) "закрнтнческнм" в отличие от "тонкопленоч-

3

ного" состояния с пленарной ориентацией 15. Если структурные причины Планерной магнитной анизотропии в полукристаллических и аморфных пленках подробно изучены в работах А.Г.Леслика с сотр., Я.С.Шура и А.А.Глазера с сотр., Д.Смига, М.Праттона, М.Коэна, Х.Кронмюллера и др., то сведения о природе ПА к момент)' начала настоящей работы были противоречивы, т.к. они не были основаны на прямых данных о структуре пленок. "Зокрттгческне" пленки с НПлА, которые можно получить при нсклошюй конденсации, вообще не изучались в этот пепиод.

Как стало известно п процессе проведенных нами исследований, противоречивость результатов о структурных причинах НПлА и ПА связана также с тем, что в пленках, как правило, действует несколько причин анизотропии. Поэтому на определенном этапе выполнения диссертации возникли необходимость исследования сложной анизотропии, обусловленной действием нескольких структурных факторов.

В начальный период работы была мало исследована и доменная структура пленок с ПА. В имеющихся к тому времени теоретических работах по доменной структуре пластин с ОЛН, перпендикулярной к их плоскости, адекватно описывалось распределение 15 в силь-ноапизотропиых магнетиках с фактором качества <| = К±/(2/г132)>1, а о доменной структуре веществ с малой ПА (ц<<1), к которым относятся II закрнтические пленки пермаллоя, теория не давала однозначных выводов.

В магнитных пленках при изменении толщины п наблюдаются разнообразные магнитные размерные эффекты. К ним, в частности, относится переход пленок из тонкопленочного в закритическое состояние при критической толщине Поскольку структурные характеристики могут изменяться с толщиной Ь при росте пленок, следовало ожидать, что структура будет влиять на магнитные размерные эффекты. Такого рода эффекты можно назвать структурно-размерными. В начале работы о них почти ничего не было известно.

В связи со сказанным возникла необходимость выяснения природы НПлА и разработки методов управлеш£я ею, что требовало проведения комплексных исследований структуры дисперсных пленок, их доменной структуры и структурно-чувствительных магнитных характеристик. Без этого было невозможно создание физических основ разработки пленочных материалов нового класса со свойствами,

4

направленно изменяющимися в широких пределах. Исходя из нерешенных проблем физики магнитных пленок, и в частности, пленок с ненланарной магнитной анизотропией и задач пленочного магнитного материаловедения, была сформулирована основная цель диссертации . как выяснение структурно-магнитных механизмов формирования НПлА и определяемых ею свойств полнкристаллических и аморфных пленок. Для достижения этой цели было намечено решить следующие задачи:

1. Установить структурные причины НПлА в исследуемых пленочных объектах, определить общие закономерности проявления этой анизотропии и выявить ее особенности в пленках различных ферромагнетиков, включая аморфные.

2. Изучить размерные эффекты доменной структуры и магнитных характеристик в связи с эволюцией НПлА прп увеличении толщины пленок в широком интервале ниже и выше Ь^.

3. Исследовать влияние сложной нсплапарной анизотропии, вызванной действием двух (и более) структурных факторов на доменную структуру пленок и другие их свойства.

4. Выяснить характер распределения намагниченности в пленочных объектах с НПлА.

5. Исследовать возможности программирования гистерезисных характеристик пленочных материалов путем изменения параметров НПлА.

6. На основе проведенных исследований разработать новые практические применения пленок с регулируемой НПлА.

В работе исследованы конденсированные в вакууме поликристаллические пленки ЗсКчсталлов - Ре, N1, Со и сплавов на их основе - ¡\i-Fe, Со-Гс, Со-Сг и др., а также электрооедждешше пленки Со-Р с аморфной структурой. Использование указанных веществ позволяло в широких пределах изменять фундаментальные магнитные характеристики пленок - константы магнитной кристаллографической анизотропии и магшггострикции, а также намагниченность насыщения. Это давало возможность регулировать вклад различных структурно-магнитных механизмов в НПлА и определяемые ею свойства.

Д\я изготовления пленок (кроме Со-Р) применялся термовакуумный метод. Разработаны специальные методики, в том числе, оригинальные, которые обеспечивали получение серий пленочных образцов при изменении какого-либо одного параметра (например,

5

температуры подложки или толщины пленки) и постоянстве^других физико-технологических параметров (давления и состава остаточных газов, скорости конденсации и др.). Благодаря этому обеспечивалось единообразие влияния неконтролируемых факторов на структуру и свойства ялеиок.

Параметры петель гистерезиса пленок (коэрцитивная сила Нс, поле насыщения Hs, относительная остаточная намагниченность jr. магнитная проницаемость ц) измерялись на индукционных и магнитооптических установках. В некоторых исследованиях применены методы ФМР и ЯГР. Константы анизотропии определялись по кривым крутящих моментов. Наблюдения доменной структуры проводились методом Акулова-Биттера. Структура пленок изучалась при помощи рентгенографии (фазовый анализ, текстуры, макронапряжения, неоднородности электронной плотности - с использованием ма-лоутлового рассеяния рентгеновских лучей и др,), электронографии (фазовый анализ, текстуры), а также электронной микроскопии.

Научная новизна работы заключается в следующем.

- Впервые на поликристаллических н аморфных пленках 3d-металлов и сплавов на их основе проведены комплексные исследования связи между структурными характеристиками и магиитными свойствами, в результате чего определены структурно-магшггные механизмы формирования иепланарной анизотропии в этом классе магнетиков.

- Обнаружены новые структурно-размерные эффекты при увел!гчении толщины пленок с НПлА: реализация перехода из тонкопленочного в эакритическое состояние в интервале толщин Ah>h^ в веществах, в которых НПлА обусловлена различными структурными причинами; отличия толщшпшх зависимостей ширины D полосовых доменов от зависимости D = kht/'2, полученной при условии неизменности константы НПлА.

- Сложная анизотропия в исследованных пленках, обусловленная двумя или более структурными факторами, впервые описана как эффективная двухосная анизотропия, которая характеризуется суммарной осью и плоскостью легкого намагничивания ОЛНс и ПЛНС и соответствующими им константами Кс и Ксп. Справедливость представлений о двухосной анизотропии подтверждена экспериментами с пленками, в которых НПлА вызвана различными причинами,

6

- Обнаружено новое явление, которое состоит в том, что

скорость необратимого разрушения НПлА аморфных пленок Со-Р

—»

зависит от ориентации 18 относительно ОЛН, а именно - при их непараллельиосш НПлА деградирует существенно быстрее. Данное явление вызывает ненаблюдавшийся ранее эффект - устойчивую стабилизацию ПДС после отжига пленок.

Впервые систематически исследованы закономерности фазообразования в пленках Со, Со-Ре н Со-Сг. Показано, что отличия констант и типов магнитокристаллической анизотропии ГПУ- и ГЦК-фаз и формирование аксиальной текстуры (0001) ГПУ-фазы обусловливают влияние фазового состава на НПлА, а через нее - на Нс и др. характеристики закритических пленок. В пленках Со-Сг, в отличие от массивных сплавов, не весь Сг находится в твердом растворе, часть его локализована по границам кристаллитов в виде неферромагпитных фаз. Эта особенность, обнаруженная впервые, существенно влияет на формирование закритического я "мелкодо-меиного" состояний в пленках Со-Сг.

- На основании обобщения данных о гисгерезиспых характеристиках, кристаллической и доменной структуре пленок сплавов впервые построены диаграммы магнитных состояний: для Со-Ре на них разграничены области существования тонкопленочпого, закритического и "массивного" состояний, для Со-Сг - области, соответствующие тонкопленочному, закрнтнческому и "мелкодоменному" состояниям, а для М-Ие - области стабильности тонкопленочного и закритического состояний с различной ориентировкой ПДС в плоскости пленок,

Теоретическое и практическое значение результатов работы заключается в следующем.

- На основе изучения ряда структурно-магнитных эффектов в полнкрнсталлических и аморфных пленках Зс1-металлов и сплавов развиты представления о структурных причинах НПлА.

- Описание результатов исследований в форме диаграмм магнитных состояний позволяет программировать • магнитные состояния пленок путем изменения состава сплавов, толщины слоев, характеристик анизотропии.

- Экспериментальные исследования параметров доменной структуры закритических пленок и сопоставление результатов с модельными представлениями дают возможность сделать обобщающее

7

заключение о типе распределения намагниченности в слабоанизотропных магнетиках (q<<l).

- Обнаружение и исследование явления, заключающегося в неодинаковой степени деградации НПлА в зависимости от Направления is при отжиге аморфных пленок Со-Р, представляет интерес для разработки теории релаксационных процессов в аморфных магнетиках. Полученные при отжиге пленки со стабилизированной ПДС являются уникальными объектами для изучения процессов перестройки доменгэй структуры.

- Полученные результаты позволили разработать ряд практически значимых объектов: тензодатчики, термоиндикаторы, датчики магнитного поля, среды для магнитной записи, магаитонроводы пленочных магнитных головок, зеркала-поляризаторы медленных нейтронов, По этим разработкам получены авторские свидетельства. Заинтересованным предприятиям и учреждениям нереданы рекомендации по лрименению результатов работы, имеющих прикладное значение,

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В поликристаллических и аморфных пленках ферромагнитных 3<1-металлов и сплавов на гас основе причинами непланарной анизотропии являются структурные неоднородности (преимущественные ориентировки определенных типов, поры, включения или выделения, ориентированные непараллельно плоскости слоя), а также плоские симметричные макронапряжения. Эти структурные характеристики изменяются при росте пленок, что приводит к неоднородности параметров НПлА по толщине и влияет на размытие перехода пленок в закритическое состояние и толщинные зависимости периода ПДС,

2. При действии в ферромагнитной квазииэотропной среде нескольких структурных причин анизотропии возникает сложная анизотропия, которая при определенных условиях адекватно описывается как эффективная (двухосная) анизотропия, характеризующаяся суммарной осью и плоскостью легкого намагничивания с соответствующими им константами Кс и Ксп, связанными с константами составляющих одноосных анизотропий, а магнитные свойства закри-тических пленок при наличии сложной анизотропии объясняются в терминах двухосной анизотропии.

3. В закртчмеских пленках со слабой НПлА, в которых фактор

8

качества д<< 1, распределение векторов намагниченности 1й является неодномерным, не зависит от природы НПлА и описывается на основе модели ПДС с замкнутым магнитным потоком (типа Ландау -Лифшица).

4. Скорость необратимого разрушения НПлА при отжига аморфных пленок Со-Р существенно выше в том случае, если векторы 18 непараллельны ОЛН, что приводит к формированию периодически-неоднородной аморфной среды из-за преимущественной деградации НПлА в замыкающих доменах и доменных границах. Данное явление вызывает неизвестный ранее эффект - устойчивую стабилизацию полосовых доменов.

5. Ннзкокоэрцитивное состояние в толстых пленках реализуется при подавлении НПлА, что достигается ум нынением концентрации ГПУ-фазы с текстурой (0001) в пленках Со и Со-Ре, в однофазных пленках (№-Ре, Со-Р) - снижением концентрации неод-нородиостей, ориентированных по направлению роста, а в слоях, находящихся на подложках, НПлА можно скомпенсировать, создавая макронапряжения соответствующего знака и уровня, которые индуцируют в плоскости слоя анизотропию типа ПЛН.

Личное участие автора. Диссертация является обобщением результатов исследований, которые были выполнены лично автором, под его руководством или при его основополагающем участии. В основных работах по теме диссертации, список которых приведен в конце автореферата, личное участие автора заключается в следующем. Он лично сформулировал постановку задач в работах /1, 3, 8, 10, 11, 21, 24, 26, 30-32/ и принимал непосредственное участие в их постановке в работах /2, 4-6, 9. 12-20, 22, 23, 25, 27-29, 33/. Он лично готовил объекты исследований в работах /1, 3, 4, 7, 8, 10/, исследовал их атомио-кристаллическую и доменную структуру, а также проводил магнитные измерения в работах /1, 3-5, 8, 10, 26, 30, 31/. Кроме того, диссертант провел расчеты энергии магнитной анизотропии в нленках с различными структурными характеристиками и магнитной энергии доменных структур при надичин сложной анизотропии в работах /4, 8-14, 16, 18, 27, 30/. Он принимал непосредственное участие в обработке экспериментальных данных и в обсуждении результатов всех работ, а также в их оформлении.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докла--дывались на Всесоюзных симпозиумах по физике магнитных плёнок

9

(Иркутск, 1964г.; Киев, 1966т,), на Всесоюзных конференциях до физике магнитных явлений (Красноярск, 1971г.; Донецк, 1977г.; Харьков, 1979г.; Пермь, 1981г.; Тула, 1983г.; Донецк, 1985г.; Калинин, 1988г.; Ташкент, 1991г.), на Всесоюзных школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Куйбышев, 1974г.; Орджоникидзе, 1976г.; Ашхабад, 1930г.; Донецк, 1982г.; Саранск. 1984г.; Рига, 1986г.; Ташкент, 1988г.; Новгород, 1990г.; Астрахань, 1992г.; Москва, 1994г.), на Всесоюзных научных конференциях по проблемам исследования структуры аморфиых металлических сплавов (Москва, 1980, 1984 и 1988г.г.), на Международных симпозиумах и коллоквиумах по тонким магнитным пленкам (Иена, 1966г.; Иркутск, 1968г.; Минск, 1973г.), на Международных коллоквиумах по магнитным пленкам и поверхностям (Ле-Крезо, 1988г.; Глазго, 1991г.; Дюссельдорф, 1994г.), на Международной конференции по магнетизму (Эдинбург, 1991г.); на Международном симпозиуме по физике магнитных материалов (Пекин, 1992г.) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 92 работы. Список основных из них приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка литературы (358 источников) и 8 приложений. Она содержит 194 рисунка и 17 таблиц. Основное содержание работы изложено на 299 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрено состояние исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи работы, обсужден выбор объектов исследования, кратко охарактеризованы методики их изготовления и исследования. Здесь же отражена новизна полученных результатов, их теоретическое и практическое значение, приведены положения, выносимые на защиту и т.п.

В 1-м разделе исследованы структурные причины нешанарной анизотропии. Из анализа литературных данных следует, что НПлА может быть вызвана следующими структурными механизмами: 1-матитокристаллическим, который может проявиться в поликристаллических пленках при наличии преимущественных ориентировок кристаллитов (текстур); 2-магнитостатичесшм, действующим через «шизотроишо формы элементов структуры; З-матитоупругим, связанным с напряжениями.

Проведены комплексные исследования структурных характеристик пленок (текстур, микро- и макронсоднородностей, макрон4-пряжеиий и др.) н их магнитных свойств (Нс, HSf jr, ширины полосовых доменов D и др.).

При исследовании преимущественных ориентировок установлено, что в пленках при определенных условиях формируются аксиальные текстуры различных типов. В ГПУ-Со образуется аксильная текстура с осью [0001] н плоскостью (0001). В ГЦК-фазе текстуры пе обнаружены. В ГПУ-фазе пленок Со-Сг образуется двойная текстура (0001) +(2020). В конденсатах Со в некоторых случаях возникает слабая текстура (2130), а в отожженных пленках Со-Сг - ориентировка (ЮТО). В пленках Fe обнаружена текстура (100), а в Ni и пермаллое - (111). Угол рассеяния текстуры (Др) зависит от температуры подожки ТП, скорости осаждения «к и толщины пленки h. Обсуждены причины образования текстур различных типов.

Предложено описывать любые идеальные текстуры в ГПУ-фазах, используя представление о текстурном конусе, образуемом осями [0001] вокруг оси текстуры. Угол раствора конуса зависит от типа текстуры и изменяется от <р = 0 для идеальной текстуры (0001) до ср = 90° для текстуры (ЮТО). Путем усреднения известного выражения для энергии енизотропии Е(1 магнитно-одноосного кристалла (в приближении 1-й и 2-й констаит анизотропии Kt и К2) по всем возможным ориентировкам кристаллитов получена формула, описывающая энергию анизотропии идеально текстурированного поликристалла;

Ёа = К!эффЯт20 + К2эффятЧ (1)

где 0 - угол между I s и осью текстуры, эффективные константы анизотропии К!эфф, К2эфф зависят от <f> и ^~K¡/K'¿,

Функция (1) имеет 3 экстремума: при 0 = 0, 0=90° и G* = aresi» (-К1Эфф/2К2эфф!,/'2' 1 11 2-й из них соответствуют анизотропии типа ОЛИ или ПЛН, а 3-й - анизотропии "конус осей легкого намагничивания" (КОЛИ) или "конус осей трудного намагничивания" (КОТИ). На основе анализа выражения (1) построена диаграмма (рис.1), на которой точками А-Е обозначены магнитные состояния, соответствующие текстурам в пленках Со и Со-Сг. Ориентировка (0001) создает анизотропию с ОЛИ вдоль оси текстуры (точ-

90J0 60

ЗиЛ

АЕх(Д/Ц,(0> 1,6

Са »Ел.А*/«' ' Fe s.al

CQS ф

Рис.1. Диаграмма мси.ишшх состояний в аксиально-тексту-рированных ферромагнетиках. Х = К1/К2. Рис.2. Изменения аффективной магшггокристаллической анизотропии в зависимости от угла Ар рассеяния оси текстуры {0001] в Со (кривая 1) и (1001 в (кривая 2).

ка Е), причем выигрыш энергии при повороте Is из положения, перпендикулярного оси текстуры (0 = 90°), в положение, параллельное этой оси (9=0), составляет AEa = Ki +Кз. В случае тексгур (JOTO), (2131) и (2021), которым соответствуют точки А, В и С, возникает анизотропия тина ПЛН: их вклад н НПлА. отрицателен (&Еа<0),

При усреднении выражения для Еа кубических кристаллов цолучена формула для идеальной текстуры (100):

Ea=Ki(sm2Q -7sm40/fi), (2)

откуда видно, что изменение Еа при указанном выше повороте ls составляет AEa = Ki/8. формула, подобная (2), описывает Ёа идеальной текстуры (111), однако при этом ДЕа — -Kj/12,

Для текстур (0001) и (100) энергия анизотропии рассчитана также с учетом рассеяния их осей (рис.2). Функции распределения кристаллитов по ориентировкам определены рентгенографически, а при расчетах аппроксимированы функцией Y0»cos(ctq>). Из рис.2 видно, что в ГПУ-Со даже относительно слабая текстура (0001) с углом рассеяния оси Др=40*-50° обусловливает значительную анизотропию: ДЁа = (3+4) * 105 Дж/м3. Такая анизотропия вполне достаточна

.12

для того, чтобы перевести пленки в ^критическое состояние при экспериментально наблюдаемых значениях 11^=2001-300 им. В Fe только относительно сильная текстура (100) с Ар<10+20° приводит к возникновению существенной анизотропии: ДЁЙ>(3+4)*103 Дж/м3. Как показывают оценки для идеальной текстуры (111) в Ni и пермаллое, она не должна создавать существенную анизотропию, т.к. ДЕа <103 Дж/м3.

Полученные на основании расчетов прогнозы в отношении вклада магнитокристалличсского механизма в НПлА подтверждены экспериментально при сопоставлении изменений магнитных свойств пленок и характеристик текстур в зависимости от Тп, температуры отжига Тотж. В частности, использована полученная из анализа известных моделей закритических пленок обратная связь между jr и К ¿г. В пленках Со широкого диапазона h с текстурой (0001) увеличение Кг, вызванное совершенствованием текстуры, сопровождается снижением jr пленок и уменьшением hfc. В пленках Fe совершенствование текстуры (100), например, яри увеличении Тп, приводит к уменьшению jr только в толстых пленках, в которых Др<10°. Для Ni и Ni-Fe изменение степени совершенства текстуры не коррелирует с изменениями магнитных свойств.

Дополнительные доказательства определяющего вклада текстуры

(0001) в НПлА пленок Со получены при исследовании температурных

зависимостей Hs, Нг и jr этих пленок: их нагрев до температуры

Т>250°С сопровождается переходом Из закритического в

тонкопленочное состояние, что обусловлено происходящими при этом

ориентационными фазовыми превращениями, соответствующими

точкам F-H на рис.1: ^

*гюоь «тоо® ОЛН<-:-> КОЛИ<-> ПЛН. (3)

В пленках Со и Со-Сг текстуры (2021), (2130) к (1010) уменьшают НПлА вплоть до ее полного подавления, что также качественно согласуется с диаграммой на рис.1.

При исследовании пленок методом МУР обнаружены анизомер-ные области, электронная .плотность которых отличается от таковой для матрицы. В Ni-Fe, Со и Со-Р эти неоднородности являются микропорами (с размерами менее 150+200 им), образующимися при росте и ориентированными по молекулярному потоку. Кроме них и

13

пленках образуются макропоры, концентрация которых С= 1+10%, Микро- и макропоры имеют сходную форму и ориентировку и локализованы по границам столбчатых кристаллитов. Анизомерные ориентированные неоднородности обусловливают возникновение НПлА по матитостатачсскому механизму, причем, как доказывают оценки, при указанном уровне С вклад этого механизма в НПлА. значителен: ДЁа достигает 103+104 Дж/м3. Изменение концентрации и формы пор в зависимости от угла падения молекулярного потока Ф коррелирует с вариациями магнитных характеристик пленок №-Ре, связанных с НПлА |Н8, ]г, Н8, О, шириной линии ФМР и др.) В пленках Со-Р и легированного пермаллоя также в ряде случаев наблюдается корреляция между изменениями характеристик неодно-родностей и магнитными свойствами, зависящими от НПлА. .

Мигнитоунрутй механизм формирования НПлА проявляется через макронапряжения в системе пленка-подложка. При помощи рентгеновской тензометрии исследованы внутренние макронапряжения а в поликристаллических пленках. Установлено, что напряженное состояние в них является двухосным и, как правило, симметричным. В пленках, конденсированных при ТП>350+400°С, эти напряжения формируются по термоупругому механизму. Путем усреднения магнитоуцругой энергии Ему беспорядочно ориентированных кристаллитов обосновано выражение для поликристаллических пленок в указанном напряженном состоянии: К Му = -3?-йсгя1п2о/2, где - константа машитострикции поликристалла.

Показано, что растягивающие напряжения (ст>0) являются основной причиной ПА в пленках N1 и сплавах Со-Ре, содержащих 8+ 15%Р'е: в них после снятия напряжений исчезают все признаки закритического состояния. В пленках других веществ магнитоупругий механизм и иные структурно-магнитные механизмы вносят сопоставимые вклады в НПлА. В №-Ре и Со-Р при льо>0 влияние напряжений на ПА отрицательно (ДЕМу <0). Поэтому при достаточном уровне АЁМу наблюдается подавление (компенсация) ПА, вызванной другими причинами, и переход пленок в тонконленочное состояние.

Для проверки выводов о структурных причинах НПлА исследованы температурные зависимости магнитных свойств пленок, определяемых этой анизотропией. В пленках ЬП-Ре и Со-Р, отделенных от подложек, температурные зависимости Нч и 1к имеют одина-

14

ковый ход, что подтверждает заключение о магнитостатическом механизме НПлЛ, обусловленном аннзомернымн неоднородностями. В пленках Г^'-Ре, не отделенных от подложек, нагрев до Т<ТГ1 сопровождается уменьшением вклада магнитоупругой составляющей НПлА, т.к. при этом термоунругне макронапряжения обратимо снимаются.

Исследовано влияние отжига на магнитные характеристики закр»ггическнх пленок. Показано, что отжиг сопровождается необратимым разрушением НПлА, возникающей по магнитостатическому механизму. При отжиге аморфных пленок Со-Р обнаружено неизвестное ранее явление: ПА разрушается существенно быстрее в том случае, если вектор 18 X ОЛН (рис.3). Средняя энергия активации при этом иа 0,4 + 0,8 эВ меньше, чем в случае || ОЛН. Поскольку энергия возможных магнитных взаимодействий не превышав. эВ, можно заключить, что в элементарном акте перестройки аморфной структуры, приводящем к разрушению ПА в Со-Р, принимает участие

кластер, состоящий из 104+105 атомов. Явление более быстрого

- ►

разрушения ПА при непараллельности и ОЛН порождает ряд особенностей ПДС в пленках Со-Р, которые рассмотрены в разд.4.

Рис.3. Временные зависимости ноля насыщения Н^ (в плоскости пленки) в процессе отжига слоев Со-Р при разных температурах и .

различной ориентировке 18 и ОЛН перпендикулярной анизотропии. Нв||о • соответствует исходному состоянию.

Во втором разделе описана эволюция магнитных свойств (Нс, ¡г, типов доменной структуры, ее параметром и характера перемагничива-.. кия) при увеличении толщины пленок, в которых НПлА обусловь

15

°о«>-1,«0ЛН 1 О^Н

Ь. ИНН

лена различными структурными причинами. Изучены зависимости Нс от толщины пленок с НПлА. Установлено, что эти зависимости имеют 3 характерных участка: 1-Нс с ростом Ь падает (тонкопленочное состояние); 2-Нс увеличичается в интервале ЛЬ (переходное состояние); 3-НС снова несколько уменьшается (эакрт ическое состояние). Зависимости НС(Ь) качественно подобны для пленок различных веществ, в которых структурные причин НПлА отличаются. Доменные структуры пленок и процессы перемагничивания постепенно изменяются при у1 личении И, причем в интервале ДЬ они имеют промежуточный характер между тонкопленочным и закритическим состояшшми. На размытие критической толщины перехода в за-критическое состояние влияет то, что НПлА формируется в пленках постепенно, а ее константа К^ изменяется по мере роста пленок.

Исследованы Зависимости ширины полосовых доменов О от толщины пленок Со как объектов, в которых наблюдается сильная неоднородность текстуры и (разового состава по сечению, Установлено, что экспериментальные зависимости существенно отличаются от теоретического соотношения 0 = кк'^Я выведенного для постоянных значений Кг, Эта аномалия обусловлена тем, что К/ изменяется с ростом Ь в соответствии с изменениями структурных факторов, определяющих НПлА. Данное объяснение подтверждается расчетом зависимости Оф), в котором использованы конкретные данные о реальной структуре пленок (текстуре, степени ее совершенства, фазовом составе). Расчетные кривые О(Ь) хорошо соответствуют экспериментальным.

В третьем разделе исследована сложная непланарная анизотропия, возникающая при наличии в пленках двух (и более) составляющих (элементарных) анизотропии. Изучены пленки,, в которых элементарные анизотропии обусловлены следующими причинами; 1 - аксиальными текстурами и макронапряжениями; 2 - аксиальными текстурами и анизомерными ориентированными неоднородностями: 3 - мак-ронапряжениямц и неоднородностями. В ряде экспериментов с наклонно осажденными пленками принималась во внимание также 3-я элементарная анизотропия - Планерная анизотропия, обусловленная образованием цепочек кристаллитов.

Параметры аксиальных текстур и ориентированных неодно-родностей варьировались изменением условий изготовления пленок. Макронапряжения создавались; 1 - за счет сцепления пленок с подложкой (внутренние макронапряжения); 2 - путем внешнего нагру-

16

жеиия. В i-м способе создавались двухосные напряжения, которые можно' было изменять выбором подложек нли варьированием режимов изготовления. Во 2-м способе можно было задавать как двухосные, так и одноосные напряжения и варьировать их величину, изменяя нагрузку,

Рассчитана энергия сложной анизотропии, представляющей собой различные варианты элементарных анизотроиий: OAHj и ОЛН2; ОЛН i и ПЛН2; nAHj и ПЛН2- При этом предполагалось, что их энергии аддитивны и описываются в приближении 1-й константы анизотропии, т.е. пропорциональны sin20. Такое приближение применяется для описания анизотропии, возникающей но машитостати-ческому и магнитоупругому механизмам. Показано, что сложная анизотропия можеяг быть адекватно описана как дву: >сная, т.е. анизотропия с суммарной осью легкого намагничивания ОЛНс и суммарной плоскостью легкого намагшпшвання ПЛНС, которым соответствуют константы Кс и КсП. Эти константы, а также ориентировки ОЛНс и ПЛНС определяются константами элементарных анизотропии (K¡,i = 1,2) и ориентировками ОЛН; (или ПЛИ;). Сложная анизотропия, возникающая при наличии нескольких элементарных анизотропий (i = 1,2,...N), также сводится к двухосной анизотропии. Предположение об аддитивности энергий составляющих анизотропий подтверждено экспериментально.

Исследованы пленки с наиболее типичными текстурами, находящиеся под действием симметричных макронапряжений, причем оси текстур направлены по нормали к слою. Для этого типа сложной анизотропии получены следующие результаты.

1. Из сравнения ЕМу текстурированных магннтноодноосных поликристаллов с энергией маппггокрнсталлнческой анизотропии Еа и из экспериментов следует, что макронапряжения не вносят каких-либо существенных изменений в энергию суммарной анизотропии пленок Со и Со-Сг.

2. Аналогичные расчеты и эксперименты, проведенные для пленок кубических поликристаллов с текстурой (ill), позволяют заключить, что в пленках Ni и Ni-Fe, в противоположность пленкам Со и Со-Сг, вклад текстур в НПлА пренебрежимо мал по сравнению с магшггоупругой анизотропией.

3. Расчеты энергии 1му для кубических поликристаллов с-текстурой (100) показывают, что в них, в зависимости от Л-енени совершенства текстуры, вклад макронапряжений может быть отри-

17

цателышм (в случае сильных текстур с малым Др), нулевым (для текстур средней степени совершенства) или положительным (для слабых ориентировок). Обнаруженная особенность обусловлена тем, что в Fe константы магнитострикцни имеют разные знаки: a Xj j j и

Xs<0, Результаты расчетов подтверждены экспериментами, в которых совершенство текстуры варьировалось изменением температуры подложки и толщины h пленок Fe.

В пленках пермаллоя исследованы проявления сложной анизотропии, связанной г ориентированными неоднородностяни и макро-напряжепилми (внутренними и внешними). Неоднородности создают анизотропию с ОЛН0, а макронапряжения - анизотропию с ОЛНа или ПЛН0, Данный тип сложной анизотропии изучен нами наиболее систематически благодаря информативности метода непосредственного (in situ) наблюдение доменной структуры в процессе деформации пленок путем внешнего нагружешш. Основное внимание уделено изучению ширины доменов D и ориентировки полос, которая определяется углом ф между ОЛНа (или ПЛНа), Построены диаграммы магнитных состояний (рис.4), на которых разграничены области существования ПДС с различной ориентировкой полос (<р = 0, 45 и 90°), а в ряде случаев - области устойчивости тонкопленочного состояния. При этом получены следующие результаты.

1, Воздействия на наклонно осажденные пленки одно- или двухосных напряжений, которые создают ОЛНст или ПЛН0, образующие с ОЛН0 угол 0<ц/<90°, вызывают большие (до 3-г4 раз) изменения иериода ПДС, что обусловлено, в основном, влиянием напряжений на ориентировку оси легкого намагничивания суммарной анизотропии ОЛНс.

2, При исследовании нормально осажденных, пленок показано, что анизотропия с ОЛНс или Г1ЛНСТ, индуцированная одноосными напряжениями, вызывает сравнительно небольшие (до 20+40%) изменения D и возникновение ПДС с (¡> = 45° (рпс.4).

3, Нормально и наклонно осажденные пленки небольших толщин (h< 1+1.5 мкм) переходят в тонкопленочное состояние при ПЛНахОЛН0 или ПАНа||ОЛН0 (рис.4). Необычность такого перехода в последнем случае состоит в том, что для данного варианта сложной анизотропии напряжения не изменяют ни положения ОЛНс ни величины константы Кс.

Рис.4. Диаграмма магнитных состояний в нормально осажденных пленках' №-Ре. Одноосные напряжения создают анизотропию

с ПЛН„

ОЛН0 анизотропии,

обусловленной аиизоморными ориентированными неоднороднос-тями. 1 и 2 - закритическое состояние с параллельной и 45°-ной ориентировкой ПДС' относительно ПЛНа; 3 - тонкоилеиочное (ТП) состояние.

4. В нормально осажденных пленках N1 и пермаллоя при изменении Кс за счет анизотропии, индуцированной симметричными двухосными напряжениями, зависимость Б от Кс удовлетворительно описывается выражением 0 = С(Кс)",/4.

Полученные результаты позволяют заключить, что изменения доменной структуры и других свойств пленок со сложной НПлА в зависимости от вариаций параметров элементарных анизотропии объясняются в терминах двухосной анизотропии. Кроме того, результаты, указанные в пп.2-4 и на рис,4, невозможно объяснить на основе открытых одномерных моделей ПДС (типа Киттеля, Кацера с сотр. и др.) как для толстых пленок с Ь/1\)->>1, так и для слоев с Ь/(1^>1, Вместе с тем, непротиворечивое объяснение обнаруженных эффектов получено из модели ПДС с замкнутым потоком (тина Ландау - Лиф-шица), магнитная энергия которой рассчитана с учетом особенностей сложной магнитной анизотропии в упруго деформированных пленках. Заключение о пеодиомериом характере распределения намагниченности в пленках пермаллоя со слабой НПлА имеет общий характер -оно не зависит от природы НПлА. Вывод о возможности замыкания магнитного потока в исследованных пленках подтвержден также при помощи независимого метода-)Iо спектрам резонансного поглощения '/квантов с использованием комплексной методики, в которой регистрировались как у-кванты, прошедшие через пленку, так и электроны конверсии, вышедшие из приповерхностного слоя глубиной «200нм.

В четвертом разделе представлены исследования доменной структуры аморфных эакритическнх пленок Со-Р, проведенные с

учетом неизвестного ранее явления, которое состоит и существенном ускорении деградации НПлА при отжиге, если вектор Т8 непараллелен ОЛН (рис.3). В пленках, отожженных в размагниченном или остаточно намагниченном состоянии, обнаружен не наблюдавшийся ранее эффект стабилизации полосовой доменной структуры, заключающийся в том, что границы доменов после любого воздействия магнитного поля возвращаются в строго фиксированные позиции, которые они занимали до воздействия. Причина данного эффекта связана с возникновением локальных минимумов магнитной энергии в результате более быстрого разрушения НПлА в участках, где вектор непараллелен ОЛН - в замыкающих доменах и доменных границах (рис.5). Электролитическое стравливание на глубину замыкающего домена дестабилизирует ПДС пленок, отожженных при Тотж<140°С. т.е. в них стабилизация обусловлена, в основном, разрушением НПлА в поверхностной замыкающей структуре.

Преимущественная деградация НПлА в замыкающих доменах и доменных границах приводит к формированию периодически-неоднородной среды с изменяющейся константой анизотропии. Для стабилизированной доменной структуры, реализующейся в такой среде, характерны следующие особенности, относящиеся как к самой структуре, так и к ее перестройке при приложении напряжений и магнитных полей.

1. Образование макродоменов, границы которых параллельны полосам основной структуры, а ширина 1)мд>>0. Границы макродоменов при приложемин продольного поля смещаются. Возникновение макродоменов в пленках с толщиной Ь>>ЬК является необычным эффектом, т.к. ни п поликрнсталлических толстых пленках, ни в аморфных слоях до стабилизации макродомены не наблюдаются. Их появление объясняется следующим образом. В стабилизированной структуре . магнитную энергию нельзя изменить изменением О, но согласно проведенным нами оценкам, энергию можно существенно снизить увеличением угла а: на рис.5 углы а| и а2 соответствуют нестабилнзировамному и стабилизированному состояниям. Однако, рост « увеличивает продольную составляющую вектора в замыкающем домене, а для снижения магнитостатической энергии пленка разбивается на макродомены с антипараллелыюн ориентировкой продольной компоненты

Рис.5. Модель доменной структуры, поясняющая возникновение стабилизированного состояния в пленках Со-Р,

2. Обратимое исчезновение макродоменов при одноосном растяжении, создающем ПЛН01ПДС, что объясняется уменьшением угла а

и снижением продольной составляющей 1а.

3. Смещение границ макродоменов в стабилизированной ПДС в малых полях. (¡-¡«Не}, что является единственной возможностью снизить магнитную энергию. Полосовые домены при этом остаются на своих позициях, в то время как в нестабклизнроаанном со<тояшш равновесный период полос непрерывно уменьшается с ростом поля. Неизменность В стабилизированной структуры сохраняется в широком интервале полей.

4. Скачкообразное уменьшение О в 2 раза в больших полях {Н/Н3~0,5+0,8). В данном случае магнитная энергия пленки со стабилизированной ПДС снижается путем дискретного уменьшения ширины доменов вдвое. Предложена схема, объясняющая перестройку Б-> Р/2.

В пятом разделе рассмотрены результаты исследования структуры и гистсрезисных характеристик пленок Со, Со-Ре, Со-Сг и М-Ре. Из них только пленки №-Ре. являются однофазными. Изучены закономерности фазообразования. Общим является наличие 2-х фаз -низкотемпературной с ГПУ- и высотемпературной с ГЦК-струк гурой (е- и у-фазы соответственно). В пленках Со-Ре, кроме того, образуется а-фаза с ОЦК-решеткой. Фазовый состав определяется Тп, сок и Тохж. Построены фазовые диаграммы, которые, в общем, соответствуют диаграммам равновесия массивных систем: Яе расширяет область стабильности ГЦК-фазы, а Сг, наоборот - стабилизирует ГПУ-фазу. Однако обнаружены следующие отличия.

I. Существование 3-х фазной (е+у+а) области в пленках Со-Ре, понижение температуры, при которой сохраняется уфаза в слоях Со-Сг. В конденсированных пленках Со, в отличие от массивного ме-

21

талла, можно получить 40+60% кубической фазы (Сок), а и закаленных пленках - 100% Сок, Эти отличия обусловлены, предположительно, тем, что конденсация идет в условиях, далеких от равновесия (ТН<350+400«С). Кроме того, свободные энергии ГЦК- и ГПУ-фаз в этих веществах мало отличаются, что обусловливает легкость закалки ГЦК-фазы.

2. Концентрация ГПУ-фазы (Сог) увеличивается по мере роста пленок, приводя к неоднородности фазового состава но сечению слоя, для объяснения которой предложен механизм конденсации через высокотемпературную фазу

ПАР-*Сок->Сог+Сок(ост) (4)

с последующим гомоэпнтаксиалышм ростом Сог и Сок и распадом Сок на Сог и остаточную фазу Сок(ост).

3, В пленках Со-Сг не весь О растворен в решетке Со и, кроме е- и у- фаз, в них присутствуют неферромапштные фазы - СГ2О3 и Сг. Это приводит к отличиям концентрационных зависимостей 18 для пленок и массивных сплавов, в которых 18=0 уже при 22% Сг, а пленкн ферромагнитпы до С = 43% Сг.

Из анализа литературных данных о магшггных свойствах фаз (1й, К1 и Кг. Л«), образующихся в Со, сплавах Со-Ге н Со-Сг, сделан вывод о том, что ГЦК- и ОЦК-фазы должны быть низкокоэрцитивными. Проведена оценка кр^ггнчоского поля Н0 смещения доменной стенки на плоской межзерсчшой границе ГЦК- и ГПУ- кристаллов. Показано, что величина Н0, а в конечном счете Нс, определяется константой анизотропии К] гексагональной фазы, которая почти на порядок превышает К) в ГЦК-фазе. Таким образом, в исследованных пленках, перемагничнвающихгя смещением доменных границ, фазовый состав является фактором, определяющим Нс. В закритических пленках, перемагничивающихся вращением' фазовый состав влияет на величину константы НПлА, а через нее - на Нг и Н8. Эти выводы подтверждаются :тспориментально. Показано, как изменяя сказовый состав и текстуру, можно менять магнитные состояния нленок и уровень их гистсрсзисных характеристик.

Путем обобщении данных о гистерезисных свойствах, доменной и кристаллической структурах пленок Со-Пе и Со-Сг построены диаграммы магнитных состояний в координатах конценчр.щня-толщи-

22

на (рис.6 и 7 соответственно). Пленки, находящиеся в "массивном" состоянии (рис.6, область 3), в отличие от закритипеских пленок, являются мапштомягкими, имеют сглаженную петлю гистерезиса и в них не выявляется ПДС, "Массивное" состояние, предположительно, реализуется в крупнокристаллических пленках, в которых естественная анизотропия (маппшжристаллическая или магнитоуиругая), локализованная в кристаллитах или их группах, соизмерима с НПлА или превышает ее.

Ь.мкм

Рнс.6. Диаграмма магнитных состояний в пленках Со-Ре. 1 -тонкопленочное состояние; 2 - закршпческое состояние; 3 -"массивное" состояние; 4 - область закритического состояния, реализующегося по магнитоупругому механизму, Рнс.7. Диаграмма магнитных состояний в пленках Со-Сг. 1,2-то же, что и на рис.6; 3 - "мелкодоменное" состояние,

"Мелкодоменное" состояние (рис.7, область 3) реализуется в сильнолегировашшх пленках Со-Сг, п которых кристаллиты разобщаются немагнитными фазами (О2О3, Сг) настолько, что перемагни-чивание осуществляется неоднородным вращением 15 в дискретных областях с размерами ~1мкм.

Исследованы различные механизмы уменьшения или подавления НПлА в пленках №-Ре с целью изготовления магнитомягких слоев толщиной до десятков или сотен микрометров с Нс«1А/см и максимальной проницаемостью рп1 порядка 104-105: 1-снижеиие концентрации неоднородностей при термической обработке; 2-сннженис граничной энергии в многослойных системах пермаллой - Й'Ю; 3-ком-

23

пенсацня НПлА за счет магнитоунругой энергии; 4-легирование. Предложены и физически обоснованы способы решения указанной проблемы: подбор режимов осаждения и термической обработки и др.

Установлено также, чгго традиционные принципы легирования пермаллоя малоэффективны при изготовлении магнитомягких пленок путем конденсации в вакууме. Пленки пермаллоя, легированного кремнием и его окислами, при оптимальном уровне концентрации легирующих добавок и режимов изготовлешм имеют рекордные магшггные характеристики, близкие к свойствам массивных бинарных пермаллоев металлургического происхождения: Нс = 0.05+0.08 А/см и ргп до 100000. Указанный эффект связан со структурными превращениями, приводящими к подавлению НПлА: с измельчением структуры, уменьшением концентрации иеоднородностей, ориентированных но направлению роста, образованием прослоек кремний-содержащей фазы, параллельных плоскости иленки, а также со снижением растягивающих макронаиряжений. Рассмотрен возможный механизм формирования слоистой структуры в пленках легированного пермаллоя, заключающийся в старении твердого раствора, пересыщенного "компонентом" вЮх.

В шестом разделе описаны практические применения исследованных пленок. Большинство пленочных объектов, изученных в данной работе, имеют прикладное значение - КЬРе, М-Яе-БЮ, Со, Со-Ге, Со-Сг, Со-Р. Результаты исследования структурно-магнитных эффектов в этих пленках положены в основу оригинальных технических решений (см. таблицу).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В полнкристаллических и аморфных пленках Зй-металлов и сплавов систематически исследованы структурные характеристики (текстуры, макронапряжения, фазовый состав, макро- и мнкропорис-тость и др.) и магнитные свойства (Н5, Нс, }[. ширина полосовых доменов Б и др.), заинсящие ог непланарной анизотропии (НПлА), в результате чего определены структурно-магнитные механизмы формирования этой анизотропии.

I. Аксиальные текстуры, возникающие в пленках, влияют на НПлА по ыагнитокриста,\лическону механизму следующим образом: текстура (0001) ГПУ-фазы определяет НПлА в Со и существенно влияет на пес в Со-Сг и Со-Ре, а ориентировки (1010), ¡2021) и (2130)

24

Таблица

Практические применения п\еночных материалов с регулируемой непланарной анизотропией.

Пленочный материал (ПМ) и его характеристики Используемые эффекты. Свойства ПМ. Области применения ПМ. Технические объекты, их возможности.

1. . к г 1 2. 3. 4. Закритические пленки Ре с полосовой доменной структурой (ПДС), Период ПДС ЕМО^НИ см Магнитомягкие пленки N1-Бе, №Ре-БЮх. Ь~2+300 мкм. Нс-0.05^0.2 А/см. цтдо 100000. Мапштомягкие пленки Со и Со-Ре, Магнитотвердые пленки Со и Со-Сг. Зависимость 0 от упругих напряжений ст. Устойчивость ПДС к внешним воздействиям. Зависимость 0 от термоупругих напряжений. Устойчивость ПДС. Подавление НПлА при помощи: -легирования; -конденсации при повышенных Тп; -создания ПЛН0 в плоскости слоя; -термообработки Подавление НПлА путем снижения концентрации ГПУ-фазы. Реализация тонкопленочного состояния при Ь<Ьк Реализация высококоэрцитивного состояния за счет увеличения концентрации ГПУ фазы и регулирования характеристик текстуры Измерительная техника. Тензодагчики: измерение и визуализация напряжений Измерительная техника. Термоиндикаторы: измерение температуры и визуализация температурного поля. Прецизионное приборостроение. Пленочные магнитопроводы: -магнитные экраны; -магнитопроводы электромеханических приборов; -магнитные головки. Нейтронная техника. Зеркала для поляризации тепловых нейтронов. Техника магнитной записи. Приборостроение. Среды для магнитной записи информации. Датчики магнитного поля

в Со и Со-Сг обусловливают отрицательный вклад в непланарную анизотропию; текстура (100) и Ре может обеспечить определяющий вклад в НПлА лишь при большом совершенстве ориентировки (угол рассеяния оси Лр< 10+20°).

2. Лнизомсрные неоднородности, ориентированные непараллельно плоскости слоя, оказывают основное влияние на НПлА пленок бинарного и легированного пермаллоя, а также пленок Со-Р по магнитостатическому механизму.

3. Мапштоупругий механизм формирования НПлА проявляется через макронапряжения о, которые в изученных пленках являются плоскими и, как правило, симметричными. Растягивающие макронапряжения (а > 0) - основная причина этой анизотропии в пленках N1 и Со-Ре, содержащих 84 15% Ре. В других пленках при Ка =3*Х8»а/2>0 мягннтоупругий механизм вносит сопоставимый вклад в НПлА наряду с иными структурно-магнитными эффектам« (Ре, №-Ре и Со-Ие с Срг;<8%) либо но влияет существенно на нее (Со, Со-Сг). При Ка<0 эта анизотропия подав,\яется (компенсируется) при достижении определенного уровня а (М-ре, Со-Р|. В пленках Ре влияние напряжений может быть положительным, нулевым или отрицательным - п зависимости от степени совершенства текстуры (100).

4. В большинстве исследованных пленок непланарная анизотропия обусловлена двумя (или более) структурно-магнитными механизмами. Показано, что такие среды описываются на основе представлений о сложной анизотропии, которая при определенных условиях сводится к диухосной анизотропии, характеризующейся суммарной осью и плоскостью легкого намагничивания (ОЛНс и Г1ЛНС) и соответствующими нм константами Кс и Ксп, которые связаны с константами элементарных анизотропий. Справедливость представлений о двухосной анизотропии подтверждена экспериментально, в частности, при проведенных впервые систематических исследованиях изменений доменной структуры пленок, в которых анизотропия задавалась ориентированными ксодиородностями к варьируемыми в широких пределах внешними одно- и двухосными напряжениями.

5. Распределение, векторов намагшгчешюстн £-5 п закритнческих пленках со слабой нопланарной анизотропией, имеющей константу К/. «2*гс*(1к)2, является неод номерных и в ряде случаев описывается на основе модели полосовой доменной структуры (ПДС) с

замкнутым потоком (типа Ландау-Лифшица).

6. При отжиге аморфных пленок Со-Р скорость необратимого разрушения НПлА больше в том случае, когда вектор намагниченности 1«, в процессе отжига непараллелен ОЛН, В закритических пленках, отожженных в размагниченном или осгаточно намагниченном состоянии, проявляется неизвестный ранее эффект стабилизации ПДС, который состоит в устойчивом возвращении доменных границ в одни и те же позиции. Механизм стабилизации связан с преимущественным разрушением НПлА в областях, где вектор 1н непараллелен ОЛН, т.е. в доменных границах и объеме замыкающих доменов. В пленках со стабилизированной ПДС обнаружено и объяснено образование макродоменов, а также другие особенности доменной структуры.

7. При увеличении толщины Ь пленок с непланарной анизотропией имеют место новые структурно-размсрныс эффекты: 1 - размытие критической толщины соответствующей переходу из тонкопленочного в закритическое состояние; 2-отличия экспериментальных толщинных зависимостей периода полосовых доменов О от за-зисимости О = кЬ1/2, полученной при условии постоянства Кг.

8. Общим для пленок Со, Со-Ие и Со-Сг является формирование ГПУ- и ГЦК-фаз. Из-за больших отличий констант и типов кристаллографической анизотропии этих фаз и образования текстур в ГПУ-фазе фазовый состав в закритических пленках влияет на НПлА, а через нее - на Не и другие характеристики. В тонкопленочном сосгояшш Изменение фазового состава влияет на гистерезисные характеристики из-за задержки смещения доменных стенок на меж-кристаллитных границах между ГЦК- и ГПУ-фазами.

9. Особенность пленок Со-Сг заключается в том, что часть Сг не растворена в матрице, а находится по границам кристаллитов. Это существенно влияет на формирование магнитных состояний - закри-тического и "мелкодоменного" в сильнолегированных плеклах (Ссг> 15+18%), в которых кристаллиты существенно разобщены неферромагнитными фазами.

10. Для реализации низкокоэрцитивного состояния в толстых (Ь»1%) пленках необходимо подавить НПлА. В Со и Со-Ре это достигается уменьшением количества ГПУ фазы с текстурой.(0001), а в №Ре и Со-Р - снижением концентрации анизомериых неодиородно-стей, непараллельных плоскости пленки.

11. Улучшение магнитных характеристик пленок №-Ре до уров-

27

ня массивного пермаллоя (Нс»0.04-0.08 А/см, максимальная проницаемость до 100000) достигнуто путем легирования нетрадиционным способом - введением в расплав кремния или его окислов. Показано, что эти улучшения связаны со структурными превращениями, которые происходят в пленках при распаде пересыщенных твердых растворов Ni-Fe-SiOx и приводят к подавлению НПлА: измельчением структуры из-за уменьшения вытянутости столбчатых кристаллитов; снижением концентрации Неоднородностей, ориентированных по молекулярному пучку, и образованием прослоек слабомагнитной крем-н и и годе ржа щей фазы, параллельных илоскости пленки.

12. На основе результатов проведенных исследований разработаны практически значимые пленочные объекты: тензодатчики, термоиндикаторы, датчики магнитного поля, слои для магнитной записи информации, магнитонроводы тонкопленочных магнитных головок, зеркала для поляризации тепловых нейтронов. По этим разработкам получены авторские свидетельства.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Па.\атник Л.С., Равлик А.Г. О неоднородности фазового состава и структуры в конденсированных пленках кобальта//Кристаллография. 19С5. Т10, пып.З. С.439-441.

2. Па\атиик Л.С., Лукашенко Л.И., Равлик А.Г. Исследование пленок пермаллоя с "элкрптической" петлей гистерезиса II ФТТ. 1965. Т.7, вып.З. С. 2829 - 2833.

3. Пшатник Л .С., Равлик Л.Г., Рощенко С.Т. Влияние структуры и фазового состава на коэрцитивную силу конденсированных пленок кобальта //Изв.АН СССР, сер.фнзич. 1966. Т.30, uun.G.С.1055-1058.

4. Palalnik LS., Fuks M.Ya., Lukashenko L.I., Ravlik A.G. und Kozina А.Л. Slractur unci magnetisher Eigenschaflen von Kondensierten fer-romaynctischen Sciiichten // Phys. stal. sol. 1966. В17. S 543 - 554.

5. Палатник Л.С., Равлик А.Г., Рощенко С.Т. Об изменении коэрцитивной силы ферромагнитных пленок при переходе в "закри-тическое" состояние //Изв.АН СССР.сер.физич, 1967.Т.31, вып.З. С.428-484.

6. Палатник Л.С., Раилих Л.Г., Лукашенко Л.И. Структура и магнитные свойства "закрптических" пленок // Сб.физика металлических нленок.-Киев.Наукова думка.-1968.-С.135-155.

7. Фукс М.Я., Па\атник Л.С., Козьма А.А., Илышскиа А.И., Равлик А.Г. Внутренние макронапряжения в металлических вакуумных конденсатах // там же.С.95-109.

8. Палатник Л.С., Фукс M.Я., Равлик А.Г., Лукашенко Л.И., Ро-щенко С.Т., Ганн B.D., Миневич А.Ш., Быозеров В.В., Козьма А.Л. Влияние текстуры и макронапряжений на магнитные свойства пленок с перпендикулярной анизотропией //Сб. Физика магнитных пленок. Материалы Международного симпозиума Иркутск: Иркутский госпединстшуг.-1968.- С. 3 - 8.

9. Палатник Л.С., Равлик А.Г., Лукашенко Л.И., Самофалов В.Н. Полосовые домены наклонно осажденных закрнтических пленок пермаллоя //ФТТ. 1969.ТД вып.8.С.2130-2134.

10. Pal at ni k L.S., Ravlik A.G., Roschenko S. T. The effect of texture and internal stresses on the perpendicular anisotropy of vacuum evaporated ferromagnetic films // Thin Solid Films. 1971. v.8. P.447 - 454.

11. Палатник Л.С., Равлик А.Г., Аврамешо Б.А., Золотницкий Ю.В., Малышкин В.И. Доменная структура многослойных пленок с перпендикулярной анизотропией //Изв. АН СССР, сер.фнзич. J 972. Т.36, вып.6. C.Î 199-1203.

12. Пахатник A.C., Фукс М.Я., Равлик А.Г., Лукашенко Л.И., Золотницкий Ю.В., Черемской П.Г, Магшггные свойства и микропористость наклонно осажденных "закрнтических" пленок пермаллоя //ФММ. 1972. Т.34, вып.6. С.1305-1307.

13. Палатник Л.С., Фукс М.Я., Равлик А.Г., Черемской П.Г., Золотницкий Ю.В. Влияние ориентированной пористости на магнитные свойства конденсированных пленок // Сб. Магнитные пленки. Труды 6-го Международн. коллоквиума по тонким магшггным пленкам. -Минск: Вышэйшая школа. - 1974. - С.62-67.

14. Палатник A.C., Равлик А.Г., Самофалов В.Н. Влияние одноосных напряжений на доменную структуру пленок с перпендикулярной анизотропией //ФТТ. 1977. Т. 19, вып.З. С. 830- 836.

15. Белозоров Д.П., Золотницкий Ю.В., Равлик А.Г., Сполшик А,И., Черемской П.Г. Рассеяние однородной спиновой волны на анизомерных ориентированных порах // ФТТ, 1977. Т. 19. зып. 5. С. 1414 - 1419.

16. Палатник Л.С., Равлик А.Г., Самофалов В.Н. Влияние двухосных напряжений на доменную структуру " закрнтических" пленок // ФТГ. 1978. Т.20, вып.2. С.423 - 433.

17. Палатник A.C., Равлик А.Г., Авраменко Б.А., Лукашенко Л.И. Магшггные свойства пленок сплавов Со-Сг в области перехода из "тонкопленочного" в "закритическое" состояние //ФММ. 1979. Т,47, вып. 2. С. 248 - 289.

18. Палатник Л.С., Равлик А.Г., Самофалов В.Н., Ионова E.H., Полоцкий В.А. Влияние одноосной анизотропии, индуцированной напряжегчямн, на доменную структуру закритических пленок // ФММ. 1979. Т. 47, вы п.5. С. 954 - 961.

19. Палатник Л.С., Раилих А.Г., Авраменко Б.А., Козьма АЛ. Формирование кристаллографической текстуры и ее влияние на магнитные свойства пленок Со-Сг // Металлофизика. 1979. T.I, N2. СЛ14 -121.

20. Палатник Л.С., Равлик А Г., Рощепко С.Т., Самофалов В.Н., Шипкова И.Г. Стабилизация полосовой доменной структуры в аморфных пленках Со-Р при отжиге // ФП71982.Т.24,вып.12,С.3706 - 3708.

21. Равлик А.Г., Самофалов В.И., Шитова И.Г., Шмерова Ю.Л. О влиянии упругих напряжений на магнитные состояния и доменную стуктуру аморфных пленок кобальт - фосфор // Сб. Структура, структурные превращения и магнитные свойства аморфных металлических сплавов. М.: МИСИС. - 1986. - C.1I4 - 118,

22. Равлик А.Г., Рощенко С.Т., Самофалов В.Н., Шипкова И.Г. Стабилизация полосовой доменной структуры и особенности ее перестройки в аморфных пленках Со-Р // ФММ, 1987. Т.63, вып.З. С. 474 - 481.

23. Всликодный А.И., Ивойлов Н.Г., Равлик А.Г., Романов Е.С., Самофалов В.Н., Хилитоа 3-Я. Исследование полосовой доменной структуры ферромагнитных пленок комплексным методом гамма-резонансиой спектроскопии // ФММ. 1987, Т. 64, вып. 6. С. 1196 -1199.

24. Палатник A.C., Равлик А.Г., Рощенко С.Т., Лукашенко Л.И., Потапов C.B., Аскорпн Т.А. Стуктура и магнитные свойства пленок пермаллоя, легированного кремнием и его окислами // ФММ. 1988. Т. 65, вып. 2. С. 287 - 294.

25. Равлик А.Г., Рощенко СЛ., Самофалов В.Н., Шипкова И.Г, Введенская В А. Влияние магнитного поля на тип анизотропии электролитических аморфных пленок Со-Р // ФММ, 1988. Т. 65, вып.6. С. 1217-1219.

26. Равлик А.Г., Самофаюв В.Н., Золотницкий Ю.В., Кедрова Е.Г., Шишатская Т.С. Термоиндикаторы на основе пленок пермаллоя с полосовой доменной структурой для измерения и визуализации температурных полей // Г1ТЭ. 1988, N3. С. 241 - 243.

27. Палатник A.C., Равлик А.Г., Рощенко С.Т., Самофалов В.И., Шипкова И.Г. Влияние ориентации магнитного поля на кинетику

30

раэрушенга перпендикулярной магнитной анизотропии при отжиге аморфных пленок Со-Р // ФММ.1990. N10.C, 68 - 73.

28. Lukashenko LI, Potapov S.V., Ravlik A.G., Roschenko S.T., Sa-mophalov V.N., Shipkova l.G. Dimentional effects of domain structure in narrow stripes of uniaxial magnetic films //Journ. Magn. Magn. Mater. 1992. V.116. P. 70 -72.

29. Равлик А.Г., Самофалов ВН., Потапов С.В., Костепко А.В. Измерение параметров тонких ферромагнитных пленок при помощи крутильного анизометра // ПТЭ, 1992. N4. С 147 - 151.

30. Ravlik A.G., Avramenko В.A., Samophalov V.N., Lukashenko L.I., Kravchenko А.Е., Yatsenko Yu.I. Magnetic anisotropics in vacuum evaporated Co and Co-Cr films with different axial textures // Proc. 2nd International Symp. Phys. Magn. Mater., V.I.China, Bejing: Intern. Acad. Publishers. - 1992. - P. 349 -352.

31. Палатник Л.С., Равлик А.Г., Самофалов B.H-, Яценко Ю.И.; ХПИ. - Способ измерения механических напряжений; А.С. N1017912, СССР, М.Кл.3 GOlb 7/24; Приоритет 07.07.81 // БИ N18, 1983.

32. Ефремов А.И., Кабак А.А., Лубяный Л.З., Палапшик А.С,, Равлик А.Г., Рощепко С.Т., Самофалов В.Н., Супруновский И.В.: ХПИ, КНПО "Маяк". - Способ изготовления сердечников магнитных головок: А.С, N176378, СССР, М. Кл.4 Glib 5/27; Приоритет 29.12.83 // БИ N32. 1985.

33. Авраменко Б.А., Бродовой Г.В., Лукашенко Л.И.,Палатник Л.С., Равлик А.Г.: ХПИ, - Устройство для измерения напряженности поля тонкопленочлой магнитной головки: А.С. N1504636, СССР,

М: Кл.4 G1R 33/04; Приоритет 27.08.87 // БИ N32, 1989.

Равл>к А.Г, Структур/to-Maniinvtt ефекти у полмристалЫних та аморфных пи'вках з неплапарною аи/зотротею.

Дисертацш, що с рукописом, подана на здобуття наукового сту-пеня доктора с|нзико-математ1гчних наук за специальностями 01.04,11 -фЬика магштних явищ та 01.04.07 - физика твердого т)ла, Хармвський державний ун!верснтет, XapKiB, 1995 pix.

Дисертацш, основний зм1ст яко» опублшовано у 92 наукових роботах, яьляе собою експериментальш дослздження структурннх фактор1В, яю спричиняють непланарну магштну ашзотроппо. Доведено, що складна ашзотрогия, яка обумовлена к1\ькома структурнимн чинннкамн, зводиться до двохосьово! ani30Tponii. Показано, що в закрнтичних пл1вках з слабкою непланарною ашзотротг.ю розиодъл BCKTopiB намапнчування е иеодновдоприим. Pinenb руйнування непла-Hapiioi ашэотропн аморфних haibok Со-Р эначно внщин в тому раз1, якщо вектор намагшчувапня та nicb легкого намагшчувапня непа-ралельш один одному. Це незгшчайме явнще викликае стшку стабшза-Ц1Ю смугових домешв у шдпалеиих гшвках. Розроблено iwiiiKoui об'с-ктн для практичного застосування (датчики, мапптопроводи, дзеркала для полярпзацн нейтрошнос iiotokib та in.).

КлючовI слова: магштна ашзотроп^я, структурш фактори, за-криттпп плшки, стабЫзацш домешв.

Ravlik A.G. Structural-magnetic effccts in polycrystalline and amorphous films with nonplanar anisotropy.

The dissertation is a manuscript and it is presented for getting of the degree of the doctor of physical and mathematical science on specialities 01.04.11 - physics of magnetic phenomena and 01.04,07 - solid state physics; Kharkov State University, 1995 year.

The dissertation represents experimental investigations oi structure reasons of noiiplaual anisotropy and its principal maintenance has been published in 92 works. It was proved that complicated anisotropy caused by a few structuiai factors comes to biaxial anisotropy. It was shown that the distribution of vectors of magnetization is not one-dimontiotial kind in supercritical films with weak nonplanar anisotropy. The degree of nonplanar anisotropy dv-Mniclion during anncling of amorphous Co-P films is higher И the vector oi magnetization is not parallel to easy axis. This remarkable phenomena results in stabilization of stripe domains in annealed Co-P films. Film objects for applied purposes (sensors, magnetic cores, mirrors for neutron beam polarization and others) have been developed.