Введение к работе
Актуальность темы, Магнитные свойства кристаллов на поверхности и мегфазных плоскостях также, как и другие физические свойства, могут существенно отличаться от объемных. Число блихайших соседей и симметрия окружения поверхностных и объемных атомов различны. Особое положение поверхностных атомов приводит к особенностям нх свойств, включат магнитные свойства. Влияние поверхности на магнитные свойства распространяется вглубь кристалла. Поверхность и приповерхностная область кристалла представляют собой магнитный объект пониженной размерности, эффективная размерность которого блинэ к дзум, чем к трем'[і]. Толпціна приповерхностного слоя с особыми свойствами зависит от многих обстоятельств - кристаллической и Магниткой структуры, внешних воздействий - и мохе г изменяться от единиц до сотен и тысяч атомных слоев. Приповерхностный слой, магнитные свойства которого отличаются от объемных, принято называть поверхностным магнетизмом. Поверхностный магнетизм представляет собой важную проблему современной физики магнитных явлений. Причины поверхностного магнетизма з конкретном кристалле могут быть многообразны: поверхностная анизотропия, изменение параметров обменного взаимодействия приповерхностных атомов, реконструкция s релаксация поверхности, изменение зонной структуры, поля размагничивания а др.
Первые работы, в которых указывалось на канув роль поверхности в формировании свойств ферромагнетиков, появились ухе давно (Ландау и Ллфшиц, IS35; Неель, 1954). Однако бурный рост числа публикаций, посвяцеышх исследованию эффектов влияния поверхности на магнитные свойства кристаллов, наблюдается в посладязе десятилетие. Зто обусловлено следующими основными причинами. I. Разработкой ноеых и развитием известных экспериментальных што-доз исследования магнитных свойств поверхности. Среда них: магнитооптические методы, спектроскопия спинполяризованннх фотоэлектронов, спанполяризационная электронная микроскопия, мессбауэ-ровская спектроскопия, бряллзоэновское рассеяние света и др. 2. Развитием технологии получения совершенных кристаллов с естественными гранями. Презде всего здесь следует назвать методы роста кристаллов из газозой фазы, жидкофазной эпитаксии, молекуляр-но-лучевой эпитаксии и др. 3. Запретами соврзненноЯ магнитной
микроэлектроники, одной из основных тенденций з развитей которой является миниатюризация ее элементной базы и устройств. Сейчас разрабатываются и создаются магнитные головки с рабочим зазорои в десятые доли микрометра, интегральные млгнитные головки, устройства записи на цилиндрических магнитных доменах и вертикальных блоховеккх линиях, магнитооптнческне запоминание устройства. Поверхностная плотность записи достегает сєіхздня величины 10 бит/см2. Прогресс в этой области в значительной степени связан с успехами в технологии синтеза тоннах магнитных пленок. Уменьшение толщины пленок приводят к возрастании роли поверхности в формировании их рабочих характеристик. В массивных магнитных головках с субмикроннымн зазорами рабочие характеристики в значительной степени определяются тонких! приповерхностным слоем их магнитопровода.
Важной задачей физики поверхности магнетиков является исследование природа поверхностной магнитной анизотропии, которая обычно маскируется полем размагничивания и объемной магинтокри-сталлической анизотропией. Неель впервые рассмотрел вопрос о поверхностной магнитной анизотропии и показал, что существенную роль она может играть в очень малых ферромагнитных частицах размером ~ 100 А [2]. Относительная гладость поверхностной анизотропии затрудняет ее прямоэ наблюдена» к изучение. До'появления наших работ в середине 1970-х годов кадичне поверхностной анизотропии фиксировалось только косвенными методами. Чацз всего для исследования поверхностной магнитной аіііізотрощи в то время использовался метод епкньолнозого рэзонакса в тонких магнитных пленках, на возможность возбуждения которого однородным высокочастотным магнитным полем при налички поверхностной анизотропии указал Киттель (1958 г.). Модельными объектами для прямого изучения поверхностной анизотропии и обусловленного ею поверхностного магнетизма оказались легкоплоскостные сдабыэ ферромагнетики (СФ), обладание малым результирующим кагкктаам моментом и практически нулевой анизотропией в базисной плоскости.
другой весьма распространенный тип ловерхносткого магнетизма обусловлен влиянием полей размагничивания. Наиболее интересный и менее всего изученный случай поверхностного магнетизма, обусловленного полем размагничивания, реализуется в прнповэрхност-ной области доменных границ (ДТ). Под действием поля размагнд-
чиванпя граница из блоховской з объемз кристалла превращается в кеелевскута на поверхности [3,4]. Глубина приповерхностной области, в которой структура ДГ отличается от объемной, в кубических ферромагнетиках по порядку величини совпадает с шириной границы в объеме. Нозлезский характер структуры ДГ на поверхности приводит к возможности разбиения ее приповерхностной области на субдоменн и появлению субструктурных магнитных элементов точечного типа, разделяет» субдомены. Экспериментальных работ, посвященных изучению субструктурн приповерхностной области ДГ, структуры точечных магнитных элементов на поверхности и их свойств, к началу наших исследований (середина I9S0-X годоз) не было. Наиболее эффективным методом исследования таких структур является магнитооптический метод микронного разрешения.
Изложенное выпо позволяет сделать вывод о том, что тема диссертационной работа, посвященной магнитооптическому исследованию приповерхностных магнитных структур, является актуальной.
Основные задачи диссертационной работы включати:
магнитооптическое исследование поверхностного магнетизма на различных естественнше гранях легкоплоскостных слабых ферромагнетиков о{ -ГерОо и FeBOo;
построение теории поверхностного магнетизма в СФ и выяснение природы поверхностной анизотропии в указанных кристаллах;
экспериментальное исследование с помощью магнитооптического микромагкетометра тонкой структуры доменных границ на поверхности монокристаллов железа, в том числе в области выхода вертикальных блоховских линий (ВЕЛ) на поверхность;
изучение процессов квазистатпческого смещения субструктурных элементов ДГ - ВЕЧ и блоховских точек-(БТ) - во внешнем магнитном поле;
изучение влияния размерности магнитных микроструктурнкх элементов - ДГ, ВЕЛ и БТ - на их коэрцитивную силу;
исследование анизотропия, а также полевой и температурной зависимости магнитооптических эффектов в СФ с целью выяснения механизмов этих эффектов;
развитие магнитооптических методов исследования магнетиков с целью решения перечисленных задач.
На зашиту выносятся:
- экспериментальное доказательство существования поверхност
ного магнетизма на базисных и небазисных гранях гематита, неба-
зискых гранях бората железа;
' - теория поверхностного магнетизма в С5, результаты расчета магяитодипольного вклада в поверхностную анизотропию гематита и бората железа, вывод об определяющей ролл магнатодшгального вклада в поверхностную анизотропию указанных кристаллов;
результаты исследований геликоидальной структуры в приповерхностной области гематита, в которых установлено, что на небазисных гранях кристаллов реализуется магнитный геликоид с регулируемым углом раствора от 0 до 80;
магнитооптический метод оценки глубины формирования отра-Еенной световой волны, основанный на использовании приповерхностной геликоидальной магнитной структуры; вывод, полученный с помощью предложенного метода, о том, что в области прозрачности глубина формирования значительно меньше глубины проникновения света в кристалл;
вывод об однозначной связи тонкой структуры ISO0 ДТ на поверхности монокристаллов железа и направлением загиба границы
в припозерхностной области;
- экспериментальное доказательство существования трех типов
точечных магнитных субструктурных элементов в приповерхностной
области 180 ДТ: двух типов выхода ВБД на поверхность и особен
ности типа елоховской точки;
экспериментальное доказательство, разбиения припозерхностной области 180 ДТ в железе на субдомены, отделенные друг от друга блоховскнми точками и выходами ВЕЛ, и'существования квазипериодического распределения ЕТ и ВЕЛ вдоль ДТ;
вывод о том, что коэрцитивность магнитных субструктурных элементов в кристалле зависит от их размерности и существенно возрастает при понижении размерности при переходе от ДТ к ВЕЛ и от ВЕЛ к БТ; '
результаты исследований взаишого превращения и аннигиляции субструктурных элементов 180 ДТ во внешнем магнитном поле;
новый метод самосогласованного определения оптических и магнитооптических констант ферромагнетиков, основанный на измерении угловых зависимостей магнитооптических эффектов Керра, и результаты исследования с помощью этого метода тонкого переходного слоя на поверхности магнетиков.
Научная новизна диссертации определяется решением перечисленных выше, впервые поставленных задач физики поверхностных нагни-
тных явлений. В работе обнаружен и исследован поверхностный магнетизм на естественных гранях монокристаллов гематита и бората колаза; построена теория поверхностного магнетизма з СФ; впервые наблюдалась ЕТ в приповерхностной области 180 ДГ; впервые определено соотношение коэрцитивных нолей ДГ-, ВЕЛ и БТ в одном кристалле; обнаружен аномальный рост коэрцитйзностя при переходе от ДГ к. ВЕЇЇ и от ВЕЛ к ЕТ, что позволяло сделать вывод о связи коэрцитивности мпкрострук.турных элементов с их размерностью; впервые изучена приповерхностная субструктура 180 ДТ в нитевидных кристаллах лелеза и установлено, что ока имеет кза-зипериодический характер с преимущественной последовательностью мнкроструктурнцх элементов типа -ЗЕЛ-ЕТ-ВЕЛ-ЇТ-; впервые йгйло-дались взаимные превращения и аннигиляция точечных микрострук-турных элементез з приповерхностной области 180 ДГ з магнитном поле; предложен и реализован новый метод определения оптических и магнитооптических констант ферромагнетиков, основанный на измерении угловых зависимостей эффектов Керра; впервые экспериментально показано, что аномально большие линейные магнитооптические эффекты в СФ обусловлены не абсолютной величиной результирующего магнитного момента и его переориентацией, а переориентацией вектора антиферромагнетизма, сопровождающей перемагничв> ванне СФ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и сфо-рмулярозанных выводов диссертации определяется надезностью созданного комплекса экспериментальных установок; высоким качеством изученных образцоз, аттестованных с помощью апробированных методов; проверкой воспроизводимости результатов, а тагам :іх хорои;им согласием с результатам;! авторов, позне проводивших исследована другими методами на ряде аналогичных объектов.
Научная и практическая ценность диссертационной работы определяется тем, что ее положения и выводы вносят существенный вклад в развитие физических представлений о позерхноетном магнетизме, о влиянии магнитііого поля на приповерхностные магнитные структуры. Работа позволила расширить представление о возможных типах низкоразмерных магнитных, струкутряых элементов в ферромагнетиках - двумерных, одномерных и нульмерных - и их влияния на магнитные свойства кристаллов. Развитая теория неоднородного приповерхностного магнитного слоя з СФ применима и. для ферро-, ферри- и ачт;;ферро1.!агннткнх кристаллов. Вагнов зна-
ченке имеет вывод о существенном вкладе магнитодиполького взаимодействия в поверхностную анизотропию СФ кристаллов. Научное и практическое значение имеет разработанный метод-определения компонент тензора диэлектрической проницаемости магнетикоз из магнитооптических измерений, позволяющий, в частности, проводить экспресс-анализ качества обработки поверхности магнитных элементов, используемых в электронных устройствах. Практическую ценность представляет разработанный высокочастотный магнитооптический микромагнетометр, а также способ измерения магнитных полей в микрообъемах, основанный на использовании магнитооптического датчика и магнитооптического микромагнетометра.
Апробация работа. Основные результата, представленные з диссертации, докладывались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах, школах и симпозиумах: международных конференциях по магнетизму "Магнетизм-и магнитные материалы" (Шітсбург, 1976; Монреаль, 1982; Ванкувер, IS88); меадународном симпозиума по магнитооптике (Харьков, 1991); всесоюзных конференциях по физика магнитных явлений (Баку, 1975; Пермь, 1981; Донецк, I9S5; Калинин, 1988; Ташкент, 1991); всесоюзных школах-семинарах -"Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Ашхабад, 1980; Донецк, 1982; Ташкент, 1938; Новгород, 1990; Астрахань, 1992); всесоюзной конференции "Основные вопросы техники магнитной записи" (Вильнюс, IS84); всесотоной конференции по электрохимии (Черновцы, 1988); всесоюзном семинара по функциональной магните-электронике (Красноярск, I9S0); всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом (Симферополь, 1990); на научной конференции МГУ "Ломоносовские чтения" (1974,1990).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 78 печатных работ. Список основных публикаций приведен в конца автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит их введения, семи глав, заключения и списка литературы, содержит 319 страниц текста, включая 93 рисунка, 12 таблиц и список цитируемой литературы из 335 наименований.