Введение к работе
Актуальность темы. Началом теории микромагнетизма считается опубликованная в 1935 году работа Ландау и Лифшица [1]. С тех пор микромагнитный подход получил широкое распространение как для получения фундаментальных представлений о закономерностях формирования и эволюции магнитных структур в ферромагнетиках, так и для оценки потенциальных возможностей их практического использования в различных областях техники. Рассматриваемые в теории микромагнетизма магнитные материалы обычно называют ферромагнетиками, хотя микромагнитный подход применим и для других магнетиков, магнитные моменты в которых ориентированы упорядоченным образом, а усредненный магнитный момент не равен нулю и не зависит (слабо зависит) от внешнего поля [2].
С развитием нанотехнологий появилась потребность детального анализа магнитных систем малого размера, используемых в устройствах микроэлектроники и вычислительной техники. Микромагнитное моделирование является эффективным методом исследования таких систем, поэтому развитие и применение методов моделирования позволяет естественным образом дополнять экспериментальные исследования, которые в ряде случаев весьма затруднены.
Настоящая работа посвящается разработке методов моделирования и их применению для решения конкретных задач. Одной из задач, имеющей большое прикладное значение является магнитная запись. Достаточно назвать такую важную
Growth of Areal Densities for Conventional Recording
^V.
Recording
technology
changes to
Patterned
and/or
HAMR
and/or
Solid-State
and/or
Other?
'Superparamagnetic" -effect now posing a
significant challenge
Perpendicular + other
new technologies
ntroduced
Year of
lntrodi|jction
Рис. 1. Данные из работы [3] о росте плотности записи с 1980 года в применяемых (традиционных) методах магнитной записи.
область применения магнитной записи как вычислительная техника. Методы, материалы, технические устройства, реализующие запись и чтение информации постоянно совершенствуются и этим вопросам посвящено большое количество публикаций. Одной из основных характеристик магнитного носителя является плотность магнитной записи. Плотность записи на частицах-доменах традиционной (поликристаллической) структуры некоторое время назад быстро увеличивалась, пока ее рост не ограничил эффект суперпарамагнетизма (рис. 1). В настоящей работе предлагается новый метод записи на монокристаллической пленке, который может существенно повысить плотность по сравнению с традиционными методами.
Целью диссертационной работы является уточнение и развитие общих представлений о формировании магнитных структур в одноосных магнетиках различной геометрии и выявление новых возможностей их практического использования. Поставленная цель достигается путем разработки эффективных методов чис-
ленного (компьютерного) моделирования микромагнитных систем и их применением для решения следующих задач:
исследование влияния магнитных параметров и поперечных размеров на доменные структуры в бесконечно длинных монокристаллах;
анализ влияния обменного и магнитостатического взаимодействий на характер термического намагничивания многослойной стохастической системы;
выяснение механизма термического намагничивания в бесконечно длинных монокристаллах;
исследование влияния торцевой поверхности на вид доменных структур в полубесконечных монокристаллах;
изучение влияния анизотропии на вид доменных структур в тонкой пластинке;
исследование механизма превращения неелевских доменных границ в бло-ховские при увеличении толщины пластинки;
исследование пригодности блоховских границ полосовой доменной структуры для магнитной записи.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
- разработан метод минимизации функционала свободной энергии микромаг
нитной системы, учитывающий неявную зависимость функционала от поля на
магниченности через потенциал собственного поля;
- разработан метод расчета поля намагниченности в полубесконечном моно
кристалле, не предполагающий его периодичности или заданности на бесконеч
ности;
- разработан конечно-разностный метод расчета двумерного поля намагничен
ности в тонкой пластинке на двумерной сетке в трехмерном собственном поле,
основанный на вычислении потенциала и нормальной к плоскости пластинки
компоненты собственного ПОЛЯ.
На основе разработанных методов получены следующие новые результаты:
- установлена возможная причина появления «седловых точек» при минимиза
ции функционала свободной энергии и предложен метод их устранения;
установлено существование при некоторых условиях доменных структур Ландау в бесконечно длинных монокристаллических призмах;
получен критерий ориентации однородного поля намагниченности в бесконечно длинном монокристалле;
предложен новый механизм термического намагничивания в многослойной стохастической системе;
показан механизм появления эффекта термического намагничивания в бесконечно длинном монокристаллическом стержне высокоанизотропного магнетика в некотором диапазоне поперечных размеров;
установлено, что при симметричных внутри полубесконечного монокристалла доменных структурах, на торцевой поверхности в широком диапазоне измене-
ния анизотропии возможно устойчивое существование как симметричных (или близких к симметричным), так и асимметричных доменных структур;
установлено, что в тонкой пластинке Со с увеличением толщины пластинки изменение типа границ от неелевских к блоховским происходит непрерывно за счет роста зародышей блоховских границ, какими являются вихревые участки на неелевских границах;
предложено использование полосовой доменной структуры в монокристаллической пленке для магнитной записи, при которой информационными битами являются блоховские границы доменов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием разных математических методов для решения одной и той же физической задачи и сравнением полученных результатов с данными других исследований.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные численные методы значительно расширяют круг микромагнитных систем, доступных для компьютерного моделирования. Полученные результаты расчетов способствуют развитию представлений о закономерностях и механизмах формирования экспериментально наблюдаемых структур и процессов в магнитных материалах.
Предложенный метод магнитной записи на блоховских границах монокристаллической пленки может существенно повысить качество записи по сравнению с традиционными методами.
На защиту выносятся:
метод минимизации функционала свободной энергии микромагнитной системы, учитывающий неявную зависимость функционала от поля намагниченности через потенциал собственного поля;
результаты исследования влияния магнитных параметров и поперечных размеров на доменные структуры в бесконечно длинных монокристаллах;
критерий ориентации однородного поля намагниченности в бесконечно длинном монокристалле;
механизмы термического намагничивания в многослойной стохастической системе и в бесконечно длинном монокристалле;
метод расчета поля намагниченности в полу бесконечном монокристалле, не предполагающий его периодичности или заданности на бесконечности;
результаты исследования причин появления симметричных и асимметричных доменных структур на торцевой поверхности полубесконечного монокристалла;
конечно-разностный метод расчета двумерного поля намагниченности в тонкой пластинке на двумерной сетке в трехмерном собственном поле;
метод магнитной записи на блоховских доменных границах полосовой доменной структуры в монокристаллической пленке.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на 1-ой Всероссийской научно - практической конфе-
ренции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2000); на XIII Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль,2000); на 2-ой Всероссийской научно - практической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2001); на 4-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2001); на 2-ой Всероссийской научно - практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2001); на 3-ей Всероссийской научно - практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2002); на Всероссийской школе-семинаре «Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства редкоземельных сплавов» (Тверь, 2002); на 7-й международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2003); на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2003); на 5-ой Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2004); на 4-ой Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2004); на VIII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные науки и образование» (Бийск, 2006); на Российско-Японском семинаре «Магнитные явления в физикохимии молекулярных систем» (Оренбург, 2006); на 2-ом Российско-Японском семинаре «Магнитные явления в физикохимии молекулярных систем» (Оренбург, 2007); на II Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные науки и образование» (Бийск, 2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009); на Международной конференции «Фотоника молекулярных наноструктур» (Оренбург, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 49 печатных работ, в том числе 15 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора. Результаты, выносимые на защиту, получены лично автором. Автору принадлежат постановка задач данного исследования, разработка методов их решения, составление компьютерных программ, проведение расчетов и интерпретация полученных результатов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 182 наименования. Работа изложена на 174 страницах текста, содержит 59 рисунков и одну таблицу.
