Топологические неоднородности тонкого магнитного разбиения мелко-, ультрадисперсных пермаллоевых и аморфных редкая земля-переходный металл пленок в нелинейных моделях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РСФСР ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ

На правах рукописи

Краснова Галина Серовбовна

ТОПОЛОГИЧЕСКИ .НЕОДНОРОДНОСТИ ТОНКОГО МАГНИТНОГО

РАЗБИЕНИЯ МЕЛ1С0—, УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПЕРМАЛЛОЕВЫХ

И АМОРФНЫХ РЕДКАЯ ЗЕМЛЯ-ПЕРЕХОДНОЙ МЕТАЛЛ ПЛЕНОК В НЕЛИНЕЙНЫХ »'ЩЕЛЯХ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 1993

Работа выполнена на кафедре, физики твердого тела Дальневосточного государственного университета Государственного комитета РСФСР по науке и высшей школе

Научные' руководители: доктор физико-математических наук, профессор Юдин В.'В. кандидат физико-математических наук, доцент Юдина Л. А. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Осуховский В.Э. кандидат физико-математических наук, профессор Ветер В. В. Ведущая организация: Дальневосточный государственный технический университет

Запита состоится "кх/1и/ 1994 года в час

на заседании Специализированного совета К 003.30.02 в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН . -- 690038, Владивосток, ул. Радио, 5 / С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПАПУ

Автореферат разослан "Хл^ ^^лиь Т/иХ- 1993 года

Ученый секретарь Специализированного совета

/

кандидат <$из. -мат. нау^.-г^' Д-«-*-* ¡о. Л. Гаврилок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 3 60-70-х годах стало формироваться направление исследований в физике магнитных явлений, известное как микромагнетизм. Этот раздел физики магнитных явлений, как еще отмечал Браун У. Ф., по пространственным масштабам занимает промежуточное положение между атомными, спиновыми свойствами и макромагнетизмом. С точки зрения математического аппарата микромагнетизм базировался на хорошо известных вариационных принципах и уравнении Ландау-Лифиица. В определенной мере это теории феноменологического уровня. Прямые экспериментальные методы исследования "мезомагнетизма" осуществились лоренцевой электронной микроскопией визуализации тонкого магнитного распределения в пленочных объектах.

В 80-х годах появилась достаточно обширная литература, например работы Борисова А.Б., Танкеева А. П., Шагалова А.Т., в которой все чаще и чаще начали применяться различные нелинейные подкоды в микромагиетизкэ. С одной стороны это было навеяно теорией автоструктур в синергетике, с другой - применялись вачис-лителыше методы по идентификации топологических особенностей псевдовекторных полей. Достаточно сильным "направлением работ было солитонное и автосолитонноо представления СКудряшов H.A. ,1989 г.; Кернер Б.С., Осипов В.В., 1931 г.). Стало очевидным, что традиционный подход в мнкромагнетизкэ через уравнение Ландау-Яифшица с цельа объяснения различного рода топоособенностей распределения вектора намагниченности в ультрадисперсных и аморфных планарных средах почти нереален даг.э с применением ЭВМ. Появились более простые нелинейные уравнения синус-Гордона и его полиномиальные реализации; обобщенные уравнения Кортевега-де Фриза, а также векторные аналоги типично "синергетических" уравнений. Среди них кубическое уравнение Шредингера, обобщенное уравнение Гинзбурга-Ландау. Кроме того, в последние несколько лет была существенно продвинута солитонная концепция до автосолитонов, частного вида а госструктур. В связи с указанными обстоятельствами моето утверждать, что в теории микромагнетизма появился принципиально новый подход, концепция, основанная на различных нелинейных моделях. Пожалуй, серьезный недостаток нелинейного направления ФМЯ - это несопоставимо малое количество экспериментальных исследований в сравнении с теоретическим потенциалом, выполненное на реальных, в

частности, ультрадисперсных, аморфных пленарных средах СПС).

Б последние десятилетие интенсивно велись разработки и ужо созданы полупромышленные образцы сред ортогональной записи на основе аморфных пленок, в частности, типа редкая земля-переходной металл (РЗ-ПН). Как ни казалось бы странным, несмотря на то, что тер'.-омагииткая запись ухе устойчиво осуществляется, сформирован ряд магнитных характеристик, входящих в технический паспорт сред памяти, но сам механизм на уровне микромагнетизма совершенно не ясен. Есть работы о природе 'возникновения перпендикулярной анизотропии на атомном уровне в терминах, например, Со-Со пар или эллипсоидального форм-фактора (Хендрик К. и Кобе С., 1S82 г.). Чоследкие несколько лет вошло в обиход специалистов по магнитной д.тзотропии понятие столбчатой, колонковой структуры (Лими Э., Дпрко А. и Гилмер Г.. 1980-1983 г.г.). Основной вопрос прикладников и эксплутационников: на каких областях тонкой магнитной лтруктуры Ш'О и посредством каких механизмов производится запись - остается невыясненным.

В сеязи с этим пэред соискателем были поставлены следующее цели и задачи.

1. Для сравнительно хорошо известных пленок мелко- и ультрадисперсного пермаллоя, которые обладает достаточно сложным тонким магнитным разбиением, привлекая метецы теории нелинейных, колебаний решить задачу идентификации магнитных особенностей. Получая пленки Fe-Nl при различных тошературах подложки, с добавлением соответствующих модификаторов, при воздействии перпендикулярного магнитного поля в рамках теории бифуркаций попытаться установить

. характер топологических особенностей микромагнетизиа. Построить адекватную математическую модель для описания бифуркационной динамики найденных топоосо'бенностей.

2. Рассматривая IMP в ультрадисперсных пленках как активнуп нелинейную среду, установить по возможности аналитические типы топологических магнитных неоднородности, которые появляются при ортогональных воздействиях.

.3. Провести сравнительный лоренцмикроскопический анализ, с применением лазернодпфрактометрического' метода обработки слоеных структур пленок, на которых есть устойчивая, приемлемая по техническим условиям запись и на которых записать информацию не удалось. Использовать аморфные пленки Tb-Fe, приготовленные на кафедре ФТТ МИФИ (Быковский И.'А.1, а термомагнитная запись

осуществлена в лаборатории магнетизма Фролова Г. И. (КФ СО РАН, г. Красноярск).

у'зучить реакции по перестройке магнитно!! структуры на Ьпеыкое перпендикулярное магнитное поле и ступенчатый отжиг in silu. 'Решить задачу по установления типов, видов магнитных особенностей трехмерного магнитного распределения иа аморфных пленках РЗ-ПМ. 4. Для микромагнитного разбиения на пленках Fe-Si, Gd-Co, Tb-Fe с помо'Дьо лазерной дифрактометрии наПти характерные признаки нелинейных волноподобных структур, которые могут быть впоследствии воплощены э соответствующих магнитных средах. Выяснить роль

планарной хомпокенты вектора намагниченности М(?) в аморфных ТФП Tb-Fe при упорядочении обл стей перпендикулярной, вихреобразной анизотропии. Основываясь на различных видах магнитного распределения аморфных Fe-Si, Gd-Co, Tb-Fe пленок, предложить модель М-перколяционноЯ среды, составленную из топоособенностей соответствующих симметрия, которая, может быть использована з качестве информационной среды субмикронного- диапазона. Научная новизна.

1. Систематически используется фазовое представление, теория бифуркаций в анализе топологических неоднородностей нелинейных активных магнитных сред тонких пленок. Развита оригинальная лазе-рнодифрактометрическая методика исследования CMC ультрадисперсных и аморфнцх пленок.

2. На мелкодисперсных пленках пермаллоя экспериментально установлен седло-узельный бифуркационный сценарий эволюции магнитных неоднородностей (локальный и нелокальный варианты).

3. На примере ультрадисперсных пленок пермаллоя при ортогональном магнитном б-воздействии для Z-границы впервые установлена солито-ноподобная форма решения. Она представляет собой модулированную сборкой Уитни "цепнуо" несущую и является пространственной автоструктурой - модулированная волна переброса в триггерной магнитной среде.■

4. В ультрадисперсных пленках с двумя симметричными легкими осями впервые экспериментально идентифицированы магнитные ревербераторы (спиральные волны), состоящие из ветвей CMC. Кроме того, в переходной зоне найдена неизвестная ранее магнитная топологическая структура на уровне доменных границ аттрактивного квазипериодического типа.

- Научная и практическая значимость. Проведенные эксперимента-

яьные, теоретические исследования CMC мелко-, ультрадисперсных и аморфных пленок по программе "Ультрадисперсные системы" Научного Совета РАН "Поверхность. Физика, химия, механика" (МИФИ) и гранту "Фундаментальные проблемы электроники" СМГИЭМ) позволили решить задачу идентификации топологических магнитных неоднородностей в pai:-ax физики нелинейных активных магнитных сред.

Такой развитый нами подход дал возможность сформулировать неизвестный ранее механизм записи на пленках РЗ-ПМ CTb-re, Gd-Co) В диссертационной работе выяснено взаимоотношение субмикронных областей перпендикулярной намагниченности и роль планарной анизотропии в построении микронных кластеров из вихревых магнитных топоособенностей. Предложены доводочные технологии, позволяющие добиться получения ПС РЗ-ПМ, пригодных для термомагнитной .записи из ранее непригодных. Найден и апробирован топологический критерий пригодности пленок для записи.

Разработана принципиально новая информационная среда, составленная из1 магнитных топонеоднородностей эллиптического и гиперболического типов, для которой выполняется закон сохранения топо-заряда. Передача информации выступает как перколяция магнитного состояния неоднородности, без их непосредственной трансляции, что в корне отличается от ЦМД-технологии.

Ряд разделов вошел в отчеты по хоздоговорным темам г. Тула, НПО "Октава", 1983-1984 г. г.; г. Киев, 1S85-1936 г. г. Защищаемые положения. '

1. Магнитный контраст, получаемый при лоренцмикроскопическом изображении, рассматриваемый как фазовый портрет распределения

вектора намагниченности МСг).

2. Трехмерное поведение вектора намагниченности МСГ) в планарных дисперсньп: средах с областьо когерентного _ рассеяния Со. к. р. 2 3-5 нм и преимущественно столбчатым строением.

3. Идентификация магнитных неоднородностей с использованием элементов теории нелинейных колебаний, бифуркаций: аЭопредчление алфавита топоособенностей Сцентр, седло, узел),

характерных для мелко-, ультрадисперсных пленок пермаллоя в размагниченном состоянии; б) образование связанных структур, создание поля топологичес-. ских неоднородностей при повышении температуры подложки Тп Fe-Ni пленок;

в) седло-уэельная (локальный и нелокальный варианты) бифуркация при приложении внешнего перпендикулярного поля и переход намагниченности в однородное состояние.

4. Восстановленное по лоренц-проекции (Z-границы) истинное трехмерное распределение НС?). По своему физическому смыслу Z-rpa-ница относится к модулированным автосолитонным пространственны! структурам.

5. Закономерность образования и сосуществования вихреподоо'кых структур (ревербераторов) и более сложной топологической особенности в распределении НС г*) в переходной зоне меаду облг тя-ми с двумя вэаимноперпендикулярныки направлениям! оси анизотропии.

6. Новый тип. магнитной среды в аморфных пленках Tb-Fe, Gd-Co для ортогональной записи информации.

а)проведение термомапштной записи возможно на элементах локальной плоскостной анизотропии размером ~10 мкм, состоянии из областей перпендикулярной намагниченности ~0.5 мкм, если при внешнем перпендикулярном ноле пленка Tb-Fe проявляет свойства бистабильности. d)улучшение магнитных характеристик сред памяти при ступенчатом отжиге in situ, что отражается в возможности записи как в аморфном, так и в кристаллическом состояниях. Фазовый переход в ПС при этом сопровождается образованием развитой складчатой поверхности; в)модель среды для перпендикулярной записи информации с естественной перколяцией на пленках Gd-Co, состоящей из вихрей разной киральности и облаете« связности ленду ними. ■ Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсугдались на Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития шнсрозлектронноЯ техники" Сг. Минск, 1985г. ); семинаре "Материалы с аморфной и микрокристаллической структурой" Сг. Москва, 1985 г.); IV Всесоюзном семинаре по аморфному магнетизму (г. Владивосток, 1SS3 г. ); XIII, XIV Всесоюзных конференциях по электронной микроскопии С г.Сумы, 1987 г., г.Суздаль, 1990 г.); XVII, XIX Всесоюзных конференциях но физике магнитных явлений Сг. Калинин, 1988 г., г.Ташкент, 1991 г.); V Всероссийском координационном Совещании ВУЗов- по физике магнитных материалов (г.Астрзхгнь, 1989 г.); Всесоюзном Симпозиуме по-

физике аморфных магнетиков С г. Красноярск, 1S89 г.); XII, XIII Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (г.Новгород, 1990г., г.Астрахань, 1992 г.); X Всесоюзном объединенном научно-техническом семинаре по проблеме ЦМД/ВБЛ (г.Симферополь, 1991 г.); IV Всесоюзной конференции "Проблемы исследования структуры аморфных материалов (г.Екатеринбург,1993 г.). По матриалам диссертации было сделано сообщение на секции по ультрадисперсным системам Координационного Совета "Поверхность. Физика, химия, механика" (Черноголовка, 1SS0 г.), на кафедре общей физики, кафедре магнетизма МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы, основные из которых представлены а автореферате.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 134 наименования, приложения. Общий объем работы составляет fSf страницы, (ira них страниц машинописного текста) рисунков, 4 таблицы, в том числе 24 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обусловлена актуальность выбранной темы и сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

В первой главе дан обзор современных публикаций и ряда монографий по структуре доменов « мездомэнных стенок (п. 1.1). В параграфе 1.2 рассмотрена динамика доменное-структур в процессах намагничивания. Обращено внимание на характер изменения магнитной структуры при приложении внешнего ортогонального ноля -параметра, примененного нами при анализе распределения вектора намагниченности MC?) в плаиарных средах. В общих чертах описана топология намагниченности в пленках с перпендикулярной анизотропией С 1,3). В параграфе 1.4 представлен ряд теоретических работ по мпкромаг-нетике, анализирующей закономерности распределения векторов намагниченности в реальных средах. Дан анализ топологически устойчивых нелинейных возбуждений (дефектов) в магнетиках - доменных границ, вихрей п точек Блоха. Показано, что магнцтныз топологические дефекты соответствуют решениям нелинейного уравнения Ландау-Лифшица, которое при определенных, приближениях удается . свести к, нелинейному уравнению синус-Гордона. Приведены примеры' непрерывных (континуальных) структур.

Микромагнетика имеет практическое значение. Основная задача ее -

использование для записи информации субмикронных и еще более мелких доменов. В силу этого в последнем параграфе первой глэеы дана краткая справка по физическим основам магнитной и термомагнитной записи, характеристика сред памяти, способы построения запоминаете: устройств и принцип записи на НМД (Приложение).

Глава рва - методика эксперимента. В параграфе 2.1 описаны возможности наблюдения магнитной структуры методом лоренцевой микроскопия в просвечивающем электронном микроскопе (ПЗМ) и прсце-

дура восстановления вектора намагниченности Ш*). Кратко излагав-' тся в п.2.2 разработанная з нашей группе п хорошо презстаЕле"ная в печати, методика лазерной дийрактометрпн яоренцккяроскопических снимков ПС. Использование -лтико-цифровся обработки ПЭМ-изофагсе-ннй Магнитной структуры позволяет параметризовать дефокусиругккй режим работы лоренцевой микроскопии, что отражено а параграфе 2.3

Показано, что лоренцпрсекцию реального распределения М(?) г.-ояю представить как фазовый портрет магнитной системы. В связи с этим о последнем параграфе (2.4) описаны элементы теории нелинеен:-: колебаний, возможные особые точки,возншспино па фазовых плоскостях. Рассмотрена теория бифуркаций, показывавшая динамику изменения фазовых портретов системы СПршгоход»).

Третья глава посвящена исследования особенностей магнитной, структуры мелко-, ультрадпсперсиых пленок пермаллоя. В параграфе 3.1 методом лоренцевой микроскопия и плсктронографии была иссле-¡озапа партия пермаллоевше пленок, полученных методом вакуумного )сагденил при различных температурах подяотки ТП=293°К, 373°К, 173°К. В ТНП Ре-И1, -напыленных при комнатной температуре, ■лгнитная структура представлена, известными 180-градусными домен-:аки границам:! (ДГ) с внутренней структурой на йоне малоугловой ябп намагниченности. Рассмотрение структуры ДГ с перетяжаки с очки зрения топологических особенностей позволяет вращавшуюся очку Блсха представить как вихрь правой или левой киралъкости з ависимостн от полярности доменкой станки. Перевязка- яиляэтея лементом связи мэзду двумя вихревыми конфигурациями. Такие эпоособенности возмогло интерпретировать как центр и седло зответственно'.

эвымение температуры подложи приводит к изменении электроног-шмТе-Ш пленок, расшифровка которых показывает существование

двух осей текстуры, ортогональных друг другу. В магнитной структуре ото отображается в увеличении плотности ДГ, расстояние между которыми становится сравнимым с длиной перетяжек, плотность которых 0.4 мкм~*. Появление второй оси анизотропии приводит к своеобразной магнитной структуре: 1) в виде ячеек" намагниченности с Л1-.'ейным размером 2-5 мхи, представляющими область вращательной анизотропии; 2) в результате взаимодействия вращащей точки Блоха правой киральности на конвергентной границе (левой на дивергентной) с "белыми" перетяжками на дивергентной стенке (или "черными" на конвергентной) образуется ячеистая структура со сложным поведением MC?) в ней, рис. 1а; 3) взаимное замыкание топоособеннос-тей только в соседних границах (известная структура типа шахматной доски), соответствующее распределение намагниченности покаэа-

но на рис. 16. Отметим: приведенные выше конфигурации MC?) построены сочетанием двух неоднородностей - седло и центр, для

-»

которых выполняется условие div М=0, что, видимо, является сущес-^ твекным для пленок, находящихся в размагниченном состоянии.

Исследование магнитной структуры мелкодисперсных' Fe-Mi пленок при приложении внешнего перпендикулярного поля СбН_=2кЭ) позволяет выявить динамику особенностей, проследить механизм их Ёзаимодэйствнл, образование связанных структур. Воздействие 2i:3 приводит к тому, что незаряженная магнитная конфигурация, рис., 2а, переходит посредством однородного 'поворота спинов на 30° в заряженной состояние - неоднородность типа узел с образова-

ни'эм сходящейся точки Елоха, div М=0, рис. 26. Дальнейший сцена-

рай парохода в однородное состояние МСг), соответствующий лоренц-млкрсскопическому изобракэнию, представлен-на рис. 2в,г.

Бифуркационный анализ гакрсыапштной структуры пленок пермаллоя проведен в параграфе 3.2. Учитывая то, что магнитный контраст при лоренцмикросгсоппчзско:.; изображении, представляет собой фазовый портрет, предложена система уравнений, описывающих распределение MC?) после воздействия Н±, где ось X совпадает с направлением оси .легкого намагничивания Ca л. н.), а, Ь, ^-параметры магнитной системы. т.к. проекция МСг) вдлоь О.Л.Н. имеет Есегда один и тот же знак в случае плоскостной ряби намагниченности:

II

V/

✓ (о) \ И(о)! х

Чч ^ ---

У

Рнс.Х• Типы поведепия МС) в ультрадисперсных пленках, а ч . . В

^у / ч^ V Г

й

Рпс.2, Динамика особмх точек при 11^= 0 (а) и атшпгиллцпл седло-уаельпоп особенности при 11^= 3 кЭ (б-г).

с1еИ°

ъустсигаоыг 'ссгяаяиия.

К /усязатРи?

¡Г / г/злы % _

I 1 до/

Седла

Рис.3. Еи^урглция типа седло-узел.

CD

"ЗМ Cx,y)

-= rMxCx.y)= F CMx.My,p) Ca)

SM Cx,y)

Лг,-- а - ЬМ*Сх,у) = F CM ,M ,p) Cd)

J* ' ' 2 X У r

Уравнение Cid) представляет собой плоскую часть roLM С одну из компонент) .следовательно, а,Ь$0 - это мера завихренности в'магнит-

тной структуре. Приведенная система уравнений была исследована методами теории бифуркаций. В нашем случае, т.к. мы имеем дело с

ЗМч(х,у) соответствует сдвиго-~3х u

пространственными производным!,

ной однородности и М°=:0,

а условие ЗМ Сх,у) -вращательной од-

в -V-=0

кородноста или изотропности, Н°=±^а7Б. Для исследования фазовых траекторий в окрестности неподвижных точек было составлено каноническое характеристическое уравнение системы (1); Хг-Ч.*5р10+сЗе11° =0 С2), где БрГ=??2УаН , 6еИва+2г*Ш соответственно след и детерминант якобиана системы : д?, дТ.

X* у

о

35Г

3J£

3Fa ШГ

W.M0

X* у

Г 0

0 2ЬМ

. у

= I

'Определены собственные значения Х( и Хг=12"/аБ. На рис. За приведена бифуркационная диаграмма для системы (1) в канонических переменных. Решения характеристического уравнения, соответствующие различным квадратам плоскости С5р1° ,беИ0),'позволяют определить области существования различных топологических особенностей. Результаты такого подхода отражены в таблице и на рис. За. Квадрати-■чная парабола (беИ0=(5р1°)г/4), рис. За, разделяет области существования фокусов и узлов. Таким образом, взаимодействие узельных и седельных особенностей в реальной магнитной структуре могло истолковать как определенный тип бифуркации в зависимости от изменения параметра а. Из рис. 36/.отображение уравнения (16) на область бифуркационного параметра) видно, -что при а>0 существует два состояния равновесия, две особых точки. Точка 0 является точкой аннигиляции двух состояний равновесия, тогда как в области а<0

наблпдается простой фазовый поток, рис 2г. 3 коке'-пюм состоянии не содержится никаких элементов симметрии седла а узла, в теории бифуркаций такой механизм известен как срыз равновесия :тл:: жесткая потеря устойчивости. Таблица I

Канонические " переменные собственные значения лараятер оеобчх точек

ЕрГ<0, ¿911°<0 йеХ1 РеХ^О X. =у X =-2/55 1 ' 2 - седло

БрГ=0, с1е11о>0 КеХ гО, 1гЛ -0 1,2 центр

Зр1°<0, с5е11°>0 РеХ > _ РеХ >0 | неустойчиьгз уг<?л, 1 г | гох'-'с

8р1°>0, бэИ°>0 РеХ >0 ЕеХ <0 | устойчивые узел, 1 2 '5экус

В параграфе 3.3 рассмотрен характер доконного рлпб:;спия ультрадп-сперсиых планарных сред Ре-151 при иаго-хзнва двух взгаагоисклгтэ-цкх факторов: введение микролипфугдей лсбавкп 1ЛР, и повшенпе температуры подлохки до 423°К. Показано, что п пленках +

ИР, Тп=г93°К, вид магнитной структуры (отсутствие пяоскостнсР ряби намагниченности, огромная плотность поретя.тек до 5 ¡«км--1)

позволяет говорить о наличии перпендикулярной компонент« _М(?), что но совсем ебнчно для планарных слоев толцтюй до 100 ни. Этот эффект достигается своеобразным механизмом - двумерностью пленочного образца и выраженной однонаправленностью элементарных столбчатых образований с поперечником 3-5 нм. Повышение температуры подложи приводит к укрупнению доменного раебнэнпя, которое становится по виду аналогичным магнитной структуре'пленок Ре-'и,прн-еояспйых в йараграйе 3.1. Однако приложение знес"<?го перпендикулярного г.нпгатпого поля привело к такому изменения структуры пленарных ерэд Ге-МШЛР), которое нехарактерно для мелкодисперсных

объектов. Восстановление хода вектора намагниченности КС?) из ло-рэнцмикроскопнческих изображений выявило доменное разбиение в виде зигзагообразных (2) границ периодом от 15 до 50 мкм. Такие границы являются 180-градусными и имеат внутреннюю структуру.

В'параграфе 3.4 предлохена система /уравнений , для списания

поведения вектора намагниченности М(?) . ультраднсперсксй пленке пермаллоя после приложения перпендикулярного поля объективной ли-

ГсМ С?)

-Д- = F СМ ,М

С<Х ' х 1 я у г

J ÖM С?)

< -~Х- =а + а К С?) - K-PC?) = F CK ,М ,р)

\ ОХ i г у у г х ' у' ^

сМ С?)

.-ufr- -

Следуя формализму п.3.2, получаем следующее характеристическое -SpI-X+detI=0, где Spl = у+аг-ЗЬМ* = \ + Хг cietl=ra,- ЗЬ^М -/'Ca*

уравнение: а.

_ _____ . ..." ЗЫ"Р)=Х -X

г • у ■ г у 1 г

Неподвижные точки системы уравнений СЗ) доставляют: /=0, е=0. Второе уравнение приводится к обыкновенному кубическому: если обоз-

решения которого

начить р=-а /Ъ, q=-a /Ь, то К3+ рМ + q=0,

г 2 ► ч j' У у ^ '

определены на классе гиперболических функций.

Найден характер бифуркационной диаграммы в плоскости канонических переменных (p,q), для чего полагаем D=(р/3)3+ Cq/3)2=0, откуда, qi г=ср3/г (4), что и определяет тип бифуркационной диаграммы:

Наша система уравнений коразмерности два, случай трехкратного равновесия, допускает локальные и нелокальные бифуркационные сценарии СЕаутин H.H. Базыкин А.Д.). Сектора 2, 3 соответствует в фаэовоц пространстве прежней Сп.3.2) бифуркации седло-узла с аннигиляционным поведением.' Области 4 в фазовом пространстве соответствуют триаде:седло-узел-седло. Нелокальная бифуркация коразмерности один типа петля сепаратрисы сед-ло-уэла. При этом рождается пара сопряженных циклов на поверхности сборки Уитни.

В четвертой главе исследуются неоднородности микромагнитйого

распределения, вихревые и сдвиговые осбенности поведения MC?). В параграфе 4.1 показано, что при tf-воздействии поля объективной

седла

линзы кЭ характерным видом магнитной структуры ге-Н1 ПС являются области вращения М - вихри намагниченности разной киральнос-ти с топологическими зарядами преимущественно ±3, ±4, рис.-4 б.

|í"?'v : i'' I I M "TT"'. . \

тт^.гФ/ -]

{К -NX ' Í " •

¡j^o*""' • j . ■ !

Ряс.4. Тшхы магнитных яеодяородностеП УШС. Ревербератор, спиря-льная волна (б). Седою-узельяая автосгруктура с сопряяешшси ця-готами (а).

i» v: • v .! ' ■ ' , í ■ / ■ f

■ о •

'OA

S ? мщ»/

Рпс.5. Восстановленное1ю~лорёкц-проекцкя СЗ^образпал граница) ' (а), истинное распределение M С Г) (б): гирлянда "цепных" лянпЯ, модулированных сборкой Уятнл.

Высокое значение топозаряда продиктовано, по-видимому, градусно-стьв доменных границ С50° либо 120®) в области смены фазы М, характерных для данных толщин пленок. Такие Еихревые конфигурации могут образовываться в переходной области между двумя взакмнопор-пендикулярными направлениями оси легкого намагничивания, доменное разбиение в которых представлено Z-границами, так как являются

областями чистого вращения М. Отмечено, что поЬорот 0.Л.Н. на 90°

может происходить и посредством другой топоособенности - седла (чистый сдвиг) с образовавшимися на его периферии вихрями намагниченности левой и правой киралькости, топозаряд +1 и -1 соответственно, рис. 4а.

Подробный анализ нэоднородностей переходной зоны дан в параграфе 4.2. Оказалось, что эти "магнитные" дефекты бывают только двух типов (п. 4.1). Ревербераторы - спиралевидные волны с ядром 3-5 м;ш, но не имеощиэ границы, рис.' 40. При локальном рассмотрении разноименных/"-" и "+") ревербераторов получено, что ветви ряби намагниченности лех;ат в одном течении. Тем самым в области их сопряжения не иоявл.чгся каких-либо границ на макроуровне. В случае одноименных ревербераторов струи ТМС строго антн-параллельны. Вторая топоособенность типа "неевклидовых нохниц" (седло с двумя разноименным: циклами), рис. 4а, чередуется с областями вихрей совершенно случайно и по размеру равна им. Этот магнитный дефект характеризуагся такой гэ величиной суммарного топозаряда, как и величина завпхрешгасти у ревербераторов. Несмотря на то, что это совершенно разные топологические структура. Отмечено, что при идентификации данных топонеоднородностей Скак и

при всяком восстановлении распределения М(г) из лорекц-проекцпн)

учитывается иерархичность магнитной структуры на .пространственных касатабах: для CMC - 0.1 (.сш < Хс„с < S-7 !.:кн, для границ доцзиов - 1 шем < \„ < 10-10^ мкы. . Вторая топоособенность гораздо более сложая структура, чем ревербератор. Она содержит седло-узельную особенность на обоих уровнях иерархии. Кроме того, сепаратрисиыо. усы завершается циклами. Другая пара доменных границ (сепаратрис) выходит на крупномасштабный цикл с область» сопряжения па уровне CMC в виде "точечной" ряби намагниченности.

Основная задача параграфа 4.3 - попытка доказательства унит. версальности апроксимационной зависимости окрестности вершин Z-

образных границ. Было выбрано следующее расположение осей: ось X направлена вдоль легкой оси Соси анизотропии), тогда значения ординаты - "размах" зигзага относительно выбранного направления. Оптимального результата апроксимации окрестности вершин 180-гра--дусных зигзагов удалось добиться, привлекая уравнение эволюты от квадратичной параболы Су=1/2+ЗСх/4)г/3). Найденная зависимость

Му= ± № оказалась в среднем С ДМ <0.4 мкм при полуволне 2-ганицы 10-50мкм) одинаковой для все;: исследуемых областей пленок.

В параграфе 4. 4 по лорекц-прсэкции 2-границы восстанавливается истинное распределение !(,(Му,Мх ). Универсальный результат ■

предыдущего раздела Му=±т' М* показывает, что полукубическая про-. екция соответствует второй каспоидноЯ катастрофе Уитни в пространство МгСМу,Мх). Этот тип.катастрофы такжо следует считать универсальным откликом на ¿СН^-воздействие на иерархическую магнитную структуру ультрадисперсных пленок с развитой' столбчатой структурой. Лоренц-прекцию Е-образной границы молено смоделировать методом эвольвент, т.к. дифракция и принцип Гюйгенса являются единственно общим свойством для-волн либкх типоз. 2-проэкция соответствует классу релаксационных, кноидальных волн.

Еще в п.3.4 найден класс решений для бистабпльной магнитной ультрадисперсной среды, который исчерпывается гиперболическими функциями. Естественно п обсуждаемых нами пленках допустить описание истинного распределения НС г) в форме "цепной" линии, которая является несущей. Сборка Уитни на "цепной" несущей выполняет роль солитонной модуляции в духе солитона Френкеля-Конторовой. Аналитическая зависимость следующая, рис.5:

М (л ) = М СН )сЬ [рСш ) ± пр_СН )], где

ту о= у ГТ т • "

рСш )=&т )т , ЙСт )= ,

У У У У

а а '

У(т ) + га® + СиуН,), ту-векторныЯ параметр порядка,

ИоСН2) -амплитуда, ^С^)-углевой период 2-грашщы, зависящий от 1^1. Согласно работ Кудряшова, "цепная" линия также является системой солитонов и образует автоструктуру. Наш обьект более сложен, чем ассимптотически устойчивая гирлянда "висячих" линий, так как он является в топологическом смысле солитонно модулированной структурой. Найденная автоструктура близка к автосолитонам Керне-ра-Осипова, но э триггерных средах с модуляцией, которая индуцирована ортогональным магнитным воздействием на УДПС.

Подчеркнем, что рассматриваемые в III, IV главах Z-образные границы обладают чертами универсальности. Как известно, CMC в ультрадисперсных планарных средах с высоким ортогональным форм-фактором представляет собой типичный случайный процесс по угловым флуктуациям. ¿Ciy-воздействие сильно возмущает' ориентационные флуктуации, что делает неустойчивой плоскую границу раздела и она принимает компромиссную 2-образную форму. Именно такая форма является устойчивым результатом эволюции и не зависит от начальных условий.

В пятой главе методами лоренцевой микроскопии, лазерной дифрактометрии, моделирования проведен анализ сред и поиск механизмов орогональной записи на особенностях стохастической магнитной структуры. В параграфе 5.1 показаны преимущества пленочных сплавов редкоземельных и переходных металлов, имеющих значительную перпендикулярную анизотропию, малые значения температуры Кюри, большие магнитооптические эффекты, среди альтернативных материалов, используемых для оптической памяти. Отмечено, что параметр расфокусировки лазерного пучка F при частотном лазерном „напылении, позволяет тонко варьировать составом получаемых конденсаов, спонтанным магнитным полем. Такое изменение технологических параметров является существенным .для вариации стохастической магнитной струтуры. Показано, что для пленок Gd-Co существенный вклад в изменение соотношения планариой и ортогональной составляющих намагниченности вносят иапрЯБЭНие смещения VCM и ток соленоида 1с при ионноплазменном напылении, а также концентрация РЗ-элемента. Проиллюстрировано изменение характера морфологической структуры Gd-Co ПС.

Задача идентификации неоднородностей магнитной структуры пленок Tb-Fe, на которых была проведена термомагнитная запись, решается в п. 5.2. Установлено, что для пленок - сред памяти характерно существование областей локальной магнитной анизотропии С^-10 MKi.О при полном отсутствии или небольшом значении интегральной плоскостной составляющей. Их микромагнитное разбиение представлено магнитными полюсами СО.1 - 0.5 мкм), плотностью до 7-10всы"а. ТМС выражена не явно, количественно описывается только \SR, рис.6а. Для пленок Tb-Fe, неперспективных в качестве носителей информации, свойственны значительная плоскостная анизотропия, рис. 66. Тонкая магнитная структура представлена сформированной системой ромбов ряби намагниченности с дисперсией <р ~ 30° ..и опи-

а

■Хлкзе

Ь'

-Л, ¿{¿гм

Р"С.6. Результаты лазернодифрактомстрическоП обработки магнитной структуры ТВ-Гс пленок.

Рис.7. Модели распределения, помора паиагпяченностн для

пленок (а).„ „ базисных эленанхов (в.г).

сывается как XSR, так и XLR.

Выявлено нестандартное поведение сред памяти Tb-Fe при воздействии поля объективной линзы микроскопа' СН^ 2 кЭ): магнитная структура приобретает вид макроскладки, на гребне которой идентифицирован участок с блоховскими точками. К такому топологическому преобразовании исходной структуру привело изменение соотношения управляющих параметров магнитной системы: внешнего перпендикулярного, поля и концентрации РЗ-злеыэнта. Следовательно, магнитная среда, пригодная для тсриозаписи, - доляна обладать нелинейностью, "катастрофичностью".

В параграфе 5.3 представлены результаты отплга in situ Се •интервалом 50°К до 673°Ю аморфных планок Tb-Fe. По анализу изменения лорекцмжроскопического контраста в процессе ступенчатого отжига установлена Тс для аморфного и кристаллического состояний пленок Tb-Fe. Разница Т£г-Т£ ~ 250°К хорошо согласуется с литературными данными. Термообработка в колонне электронного микроскопа пленок Tb-Fe, имеюапх ¡с аморфном состоянии нераскрытую петлю гистерезиса в перпендикулярном поло, позволила в кристаллической модификации получить магнктнуы структуру, перспективную для записи информации. При это;.! достижение Т* Спервое исчезновение магнитного контраста) сопровождается образованием развитой системы морфологических складок, что связано со снятием ыакронапряхений. "Складчатое" поведоику пленок - сред памяти при достиеонии Т£ позволяет создать в низ; магнитную структуру, пригодную для термооапиеи, и в кристаллическом состоянии, но более крупную по масштабам. Отмечено: если от:шг in situ в пленках Tb-Fe, непригодных для записи, прсисхидит без образования • складчатой поверхности, то такая структура ни в исходном состоянии, ни посла термообработки не может быть использована-как носитель информации. Диализ электронограмм, полученных в процессе нагревания образцов Tb-Fo от 293°К до 673°К показкзгот последовательное появление кристаллических >фаз a-Fo, /5-ТЬ, окислов железа; a-Tb, окисла тербия ТЬ„0з к ннтерметаллида Fe„Tb. Отмечен факт появления высокотсгасратурной, немагнитной фазы у-Fe в области . невысоких температур,.что возможно в системах Tb-Fe, Gd-Co.

В последнем разделе Сп. 5.4) рассматриваются модели микромагнитного разбиения в акорфйых пленках РЗ-ПМ, допускающих перколя-цию магнитного.состояния. Вышеизложенные исследования . показали, , что магнитная структура аморфных пленок представлена неоднородно-

стями «- 0.1 дам и восстановление хода вектора МС?) непосредственно из лоренцмикроскопических снимков не представляется возможным. В связи с этим проводилось лаэернсдифрактометрическое моделирова-

нцэ поведения МС?) в планарных средах. Для чего был предложен ряд моделей CMC, на которых была отработана методика идентификации магнитных несднородностей субгяпсронного уровня.

Подобный анализ был применен для исследования магнитной структуры .ультрадисперсной пленки Fe-Si, которая образована магнитными неоднородностями размером 0.2 яхм, объедкнеными плоскостной компонентой анизотропии в волны нелинейной •. ряби намагниченности длиной ~ 10 t/.!CM. В результате получека модель такой структуры: цепочка областей вращательной анизотропии составлена особыми точками типа центр, которое соединены метлу собой областями

связности, - поведение КСг) в них аналогично особой точке типа седло.

На рис. 7а приведена модель магнитной структуры пленки Tb-Fe, на которой была произведена магнитная запись. Во-первых, это микронные области локальной плоскостной 'анизотропии, во-вторых, магнитике поякса, составляюцг,о внутренняя структуру иакрообластей магнитной однородности. Отмечено, что элементарной единицей маг-: иитной записи является область перпендикулярной намагниченности, плоскостная ссставляпцал необходима для того, чтобы ншсрообласти зращателыюй анизотропии собрать ,в микронные кластеры, на которых i была '.произведена тармсмагпптпая запись. Показано, что если 1ленка неизотрспна в плоскости Споппоплазмзкныэ, аморфные Gd-Co :реды), то планарная анизотропия "выстраивает" магннтнке полюса в-¡.спочки ПДС, размером 140 км, состоящие из магнитных неоднородно-:тей 70 m.t. Модель такой среды приведена на рис. 7 б и представ-гяет собой г.естксо сепрягениэ врздэер.сй (протавозраааэаей) точки ¡лоха и перот.етш, соответствующей конвергентной Сдпвергентной) ■ранице.' С точки зрения структуры фазового пространства страйп-;омеи характеризуется неоднородности эллиптически,ni с кнрально-

тьв ¿1 Сцентр), отракасщимн перпендикулярную компоненту КС?), и 'иперболическимн с зарядом ±0 С седло) - планарная составляющая амагниченнссти. Седельные сепаратрисы разделяют эллиптические бласти двух знаков Сбистабильная среда). Элементарной единицей нформационнсй записи выступает слохный базовый элемент. Их мо.т.ет ыть четыре Еида в зависимости-от способа "координации", рис. 7 :

в центре взяты либо гиперболические "заряды", либо псевдовекторные токи. Процесс передачи информации в таких средах моиго описать как перколяцию состояния М(?), что принципиально отличается от ЦМД-технологии [10]..

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Используются фазовые представления теории нелинейных колебаний в лоренцевоЛ микроскопии при исследовании топологических особенностей тонкого магнитного распределения, в частности, в мелкодисперсных пермаллоевых пленках. Показано, что магнитные неоднородности являются седельными и узловыми особенностями. Установлен седло-узельный бифуркационный сценарий для бистабилыюй магнитной среды в локальном и нелокальном вариантах.

2. Приготовлены ультрадисперсные планарные среды пермаллоя- с развитой лабиринтной системой микропор и столбчатой структурой, что обуславливает высокую перпендикулярную магнитную анизотропию на субмшсронном уровне! Ультрадисперсная пленка является активной средой (высокая энергонасыщенность, крайняя дисперсность и развитость поверхностей)-с иерархической структурой. В УДПС естественно выделяются, по крайней мере, два пространственных масштаба тонкого магнитного распределения - стохастическая магнитная структура и доменные границы. Установлено, что с точки арония теории Нелинейных систем, такая магнитная среда не просто активная, а является бистабильной, триггерной.

По лоренц-проекции Z-образной доменной границы при ¿i^)-воздействии восстановлено трехмерное распределение вектора намагниченности. Оно представляет собой "цепную" солитонную несущую,модулированную сборкой Уитни. Z-образная граница обладает свойством топологической универсальности, характерным для пространственных автоструктур.

3. В переходной зоне доменов УДПС пермаллоя с зеркалыюсиммэтрич-нкми легкими осями идентифицированы следующие виды пространственных магнитных кеоднородностей более высокой симметрии:

а) на уровне CMC установлены вихревые структуры (двух знаков) типа ревербератбров, спиральных волн, обычно возникающих в активных средах .возбудимого типа. •

б) на уровне доменных границ изучен другой тип пространственной структуры. Им явилась коаксиальная система бинарных симметричных циклов в седловом сепаратрисном цикле,, усы ко-

торых в области слияния распадаются на ветви CMC. По поведению CMC в окрестности подобных образований можно сделать ьл'еод, что мы имеем дело с кзазипериодической аттрактивной пространственной структурой (в фазовом пространстве-), ia языке закона сохранения топозарядов, аналитических свойств ¡формулированы правила состыковки пространственных структур в ¡линую непрерывную по CMC ткань переходной зоны.

Разработан механизм термомагнитной записи на аморфных пленках 'Э-ПМ (Tb-Fe, Gd-Co). Показано, что областями записи являются ми-:ро!гаые кластеры из элементарны:: (0.1-0.5 мкм) вихревых образована (перпендикулярной намагниченности), собранные пленарной ани-отропией. Найдены доводочные ре;химы отжигов пленок РЗ-ПМ, позволение получить магнитные пленки, пригодные для ТМЗ. редпохела модель магнитной перколяционной среды, состоящая из лементарннх, магнитных топоособенностей эллиптической и гипербо-ической природы (топозаряды ±1 и ±0) в ПС. Побитовая передача «формации осуществляется посредством трансляции зарядового со-гояния по дискретной среде из топоособенностей при условии сох-1иепня суммарного заряда на простейших топофрагментах сети 1Гнитной перколяции.

зиггерная среда построена из субмикронных особенностей псевдове-:орной и псевдоскалярной природы.обладает характерной "струйной" гпаратрисной структурой (сепаратрисы, идущче из седла в седло), 'о и обеспечивает магнитное протекание локального топозаряда.

Основные результаты опубликованы в работах: Козодой Г. В. Драйнова Г. С. Задача идентификации стахастической кристаллической структуры пленок Fe-Ni в классе моделей АРСС// Сб.Стохастические методы исследования на физико-машинных комплексах магнитных пленок и фольг. Владивосток: ДЭГУ. 1981. С.10-17. ДСП.

Плотников В. С. Драйнова Г. С. .Юдина Л. Л. Характер микромагнитного разбиения пленок ПМ-РЗ, используемых для магнитной и термомагнитной записи //Тез. докл. Всесоюзной научной конференции "Состояние и перспективы развития микреэлектронной техники". Минск. 1985. 4.1. С. 222. ДСП.

Тимакова Г. П. Драйнова Г.С. .Плотников B.C. .Юдина Л. А. Характер доменного разбиения ультрадисперсных пленок в перпендикулярных полях //Сб. "Физические процессы в тонких пленках".Владивосток:

ДЗГУ. 1986. С. 54-63.

4. Советнккова Л. Н.,Юдина Л. А. .Крайнева Г.С. ,Науменко Л. Ф., Плотников В. С. ,Дудоладов А.Г. .Быковский ¡0. А. Электронно-микроскопическое изучение магнитных температурных превращений в лазер-но-напыленных аморфных пленках Fe-Tb.

СоЕетникова Л.Н. ,Юдина Л. А. Драйнова Г.С. .Плотников B.C. ,Дудо-.ладов А.Г..Быковский Ю. А. О соотношении перпендикулярной и параллельной составляющих намагниченности в лазерно-напыленных пленках Fe-Tb //Тез.докл. IX Всесоюзного семинара по аморфному магнетизму. Владивосток. 1986. С. 167.

5. Юдина Л. А. Драйнова Г. С. .Науменко Л.Ф. .Хламенок Л. В., Федорова Э.Л. .Плотников B.C.' Микромагнитное разбиение и дефектная система ультрадисперскых и аморфных пленок //Гез.докл. XVIII Всесоюзной конференции по ФМЯ. Калинин. 1988. С. 287-238.

6. Юдина Л. А. Драйнова Г. С. .Федорова Э.Л. .Тимакова Г. П., Хламенок А. В.Особенности тонкого магнитного разбиения ультрадисперсных, аморфных пленок сложной топологии //Тез.докл.Всесоюзного Симпозиума по физике аморфных магнетиков.Красноярск. 1989. С. 39.

7. Юдина Я. А., Крайнова Г. С.. Хламенок А. В., Юдин В. В. Топологические особенности распределения намагниченности в ультрадисперсных и аморфных пленках //Тез. докл. XII Всесоюзной школы. семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Новгород

1990. С. 90-91.

8. Юдина Л.А., Крайнова Г.С., Гальчевский А.И., Юдин В.В. Оптико-цифровое моделирование микрокагнитиого разбиения в ультрадисперсных и аморфных пленках //Тез. докл. XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Ташкент. 1991. С. 116.

9. Юдина Л.А. , Крайнова Г. С., Юдин В.В. Новый тип магнитной пер-коляционной среды в аморфных пленках РЭ-ПМ для ортогональной записи информации //Тез. докл. X Всесоюзного объединенного научно-технического семинара по проблеме ЦКД/ВБЛ. Симферополь.

1991. С. 32.

10. Юдина Л. А., Крайнова Г. С., Советникова Л. Н., Юдин В. В. Особенности стохастической магнитной структуры лазерно-напыленных Tb-Fe аморфных пленок // ФММ. 1991. N11. С. 62-71. '

11. Юдина Л.А., Крайнова Г. С., Юдин В. В. Поиск магнитных перколя-ционных сред в аморфных ультрадисперсных •пленках для наноэле-ктроники //Тез. докл. XIII Всесеюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники".Астрахань.1992.С.82-83.