Механизмы импульсного перемагничивания магнитных пленок, связанные с неоднородным вращением намагниченности Кашинцев, Александр Степанович

Введение к работе

Актуальность ндоблгмн» Интерес к физике импульсного пере-магнпчпванил магнетиков обусловлен широким применением этого процесса в технике» Так, реяим импульсного перемагничпЕгнпя маг-ннтомягкпх аморфных материалов используется для С< ормировапия модных электрических импульсов, в сильноточных линейных индукционных ускорителях релятивистских пучков электронов, в датчиках магнитного поля и т.д. Исследование илпульсного перемагннчиЕания представляет и самостоятельный научный интерес. Его протекание сгязано с возникновением разнообразных динамических доменных образований, изучений которых необходима не только для развития чагнетодинамикп,, по и для углубления знаний о природе магнитных язлешп"! в цело:.:; Исследование импульсного перемагнпчнтзанпя привело к становлению и развитию новых важных направлений ппзичес-:сай магнетодпнамикз, связанных с механизмами импульсного пере-лагничпвания и посвященных физике динамических доменов» явлению ;амоорганизацил магнитных спинов и т.д.

Цель работгЬ Целью диссертационной работы является псследс— заниє природы механизма неоднородного вращения в магнитных поли-ірі-істаллических и аморфных пленках состава ї'^е5^<-'^о70^¹15^10 ^с іднооскоі: анизотропией» Применительно к первому матерг.алу пали "сплпя были направлены на отыскание и исследование механизма истинного" неоднородного вращения, применительно ко второму -а получение информации об основных закономерностях и природе мпульсного перемагничивания*.¹

Научная новизна.' Обнаружен шестой участок ка кривой импульс-» ого перемагничивания пермаллоевых пленою;- Показано, что в пре-елах этого-, участка дайсі*'уеї'механізм; "истинного" хазносторон-его неоднородного ngkserea Еамапплслносст.* Впервые исследованы

основные пенимы импульсного перемагничивания магнитомягких аморфных пленок, на кривой импульсного перемагничивания которых выявлено четыре характерных участка» Установлена связь мєпду формой этой кі.чіьої: и свойствами анизотропии. Обнаружена неизвестная ранее рчзног-ндпостъ механизма гмпульсного перемагничивания, действующая :: пределах третьего участка кривой и связанная с вращением намагниченности внутри полосовых доменов» В пределах четвертого участка кривой импульсного перемагничивания обнаружена более быстрая разновидность механизма "истинного" разностороннега неоднородного вращения,.

Практическая ценность таботы. Результаты представляют интерес для разработчиков импульсных устройств на пермаллоевых и аморфных пленках. Они могут служить основой для построения общей теории импульсного перемагничивания магнитных материалов. Кроме того, практический интерес представляет предложенный в диссертационной работе метод исследования свойств анизотропии магнитных пленок в их локальных участках.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Оригинальная универсальная стробоскопическая установка, отличающаяся от известных ранее установок, основанных на применен пий магнитооптического эффекта Керра тем, что в ней при считывании магнитооптического сигнала использован режим двойного строби-рования.

2. Метод исследования свойств анизотропии магнитных пленок

в локальных участках с помощью импульсной магнитооптической установи;;, основанный на изучении зависимости продольной составляющей намагниченности ст постоянного поперечного магнитного поля.¹

3. Экспериментально обнаруженный шестой участок на кривой
импульсного перемагничивания Fe-Wl пленок, показано, что в пре-

делах этою участка действует механизм "истинного"разностороннего неоднородного вращения намагниченности.

4^ Механизм "истинного" разностороннего неоднородного вращения намагниченности,, которыг.1 осуществляется импульсное перемаг-ничивание магнитомягких аморфних пленок вдоль оси трудного намагничивания.

5. Кривая импульсного перемагнпчивания магнитомягких аморф-ных пленок при их перемагничиванпи вдоль оси легкого намагничивания» состоящая из четырех характерній участков. Обнаружены две разновидности механизма "истинного" разностороннего неоднородного вращения намагниченности, действующие при импульсном иерсмагничи-ваниз: вдоль оси легкого намагничивания.

Апробаїпш работы.. Материалы диссертации докладывались на X Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы .микроэлектроники"' /Bira_t, ІЗЄ6/, ТВ Всесоюзной научно-технической конференции "Проблема магнитных измерений и магштоизмерительной аппаратуры"' /Ленинград, 1989/, ХП Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" /Новгород, 1990/, ХЗУ Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений /Ташкент, 1991/.

Публикация? Основные результаты диссертационной работы пзлеиенн в десяти публикациях, перечень которых приведен в конце автореферата»

Структура, п. объем диссертации-.: -Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 165 страниц машинописного текста, включая 60 рисунков и 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 157 наименований;?

СОДЕКіЛШЕ РАБОТЫ

Бо введении дано обоснование актуальности темы,, сформулирована цель диссертационной работы, крвтко изложено ее основное содержание по отдельным главам и представлены положения и резул) тати, выносимые на защиту.

3 первой главе анализируется современное состояние проблемы механизма неоднородного вращения намагниченности - одного из основных механизмов импульсного перемагничивания магнетиков. Кратко рассматривается история вопроса, обсуждаются основные достижения и нерешенные проблемы. Главное внимание уделяется наиболее общему случаю 180-го импульсного перемагничивания вдоль оси легкого намагничивания. Отмечается» что наибольшие успехи в изучении этого механизма достигнуты в пожкристаллических'железо-никелевых пленках,, к которым удалось применить наиболее эффег тивные методы исследования и_г прежде всего, методы наблюдения неравновесных динамических доменов, возникающих в процессе импульсного перемагничивания. К началу рабоч, выполненных с участием автора, данной диссертационной работы, в гелезс—шкелавых пленках были обнаружены две разновидности механизма неоднородного вращения. Им соответствуют четвертый и пятый участки кривой импульсного перемагничивания. Обе разновидносіИ связаны с начальным быстрым двухсторонним вращением намагниченности, сопровождаемым увеличением амплитуды и длины "струй" намагниченности, из которых Ескоре формируются полосовые домены. Вслед за этим наблюдается практически полное торможение вращения намагниченности, и процесс перемагничивания переходит на основную со длительности стадию, на которой происходит разрушение полосовой доменной структуры вследствие роста и направленного распространения разрывов в динамических границах, разделяющих полосовые домены". і Указанные разновидности отличаются скоростью формирования

разрывов и интенсивностью их распространения. Угол ^ ₃ манду исходник направлением намагниченности и средним направлением намагниченности внутри полосового домена, достигаемый к моменту юрмсскешя. вращения, растет с увеличением амплитуды лереыагничи-Бавдего поля 1L.

В завершающей части обзорной главы отмечается, что для создания общей теории импульсного перекагничивания результатов изучения одних лишь лоликристаллкческих Ге-Ni пленок явно недостаточно. Желательно исследование и других магнитных материалов, прежде всего таких,, в которых возможно наблюдение динамических доменов. Так, большой интерес представляет изучение импульсного > ремагничивания магнитомягких аморфных пленок, в которых такие наблюдались струи намагниченности. Поэтому мотню было ожидать, что какие-то из механизмов импульсного перемагничиЕапия будут, как и в Ге- № пленках,, связаны с формированием полосовых доменов. Отмечается такие, ^.то проблема импульсного перемагничпвания Ге-щ пленок не решена полностью. В частности, не выявлены условия, при которых перемагничивание может осуществляться путем "истинного" неоднородного вращения, при котором начальное вращение не сменяется другим, более медленным процессом. Представляет интерес поиск этого механизма в аморфных пленках. Ь'а основании проведенного анализа в заключительном параграфе обзорной главы дана развернутая постановка задачи исследования.

Во второй главе подробно рассмотрены методические вопросы, решение которых позволило провести намеченные исследования. Изложению оригинального материала предшествует небольшой обзор ( 2.1) основных достижений в развитии методов исследования импульсного перемагничивания магнктопленочкых материалов. К ним относится, в частности, создание з 70-80 г.г. универсальных стробоскопических магнитооптических установок, позеолятока-х не только

наблюдать дйлакическзе дслеви,. _Ео і: нсслсдоіі&.:ї, ес^дишс суь:лаг~. hq наііагкаченносїй. ае^^гничаваелаго o6pas^i_b а !і,.еі разрао'ох^а метода двойного стрсй^-^в^нкд,, продлагсішого а сьо-а ьреідл; для исследование переходных процессов в фгрг,:'.--г;:'.^:а.то^л: птіа:г>::гі. Опираясь на вте дастазекня, необходима 6ші->. рьзрібз-гпть ушівороалг* ную установку, отличандуюся от известных р;ц^с; устаигі;;.:, предназначенных для исследования ылпульсысе сзойсїе biersj;r„:^;,c>.M'iiz ичгио::» лучаиы временным и пространственным разреаснаеи;

Эта установка подробно' рассмотрена а 2*3; Длі: з^гэдзни; дкіампческих доменов е получения количественно! zt%o?::^?xz' о ;s:^;> деник намагниченности в локальных участ:ыг kjkHvC псполізсгі'.-л^ магнитооптический эффект Ксрраі В гсачзсїіій іісточл^іса СЕЗта &:=a выбрана система., состоящая as- азрклЪгаго азотного імпульсного .-^--

І зєра Л1Е~505 к лаеера па красителе рсда&Е? GLi 4'cocte обеспйтктг. приемлемую точность сгащюнлзыц-'е не xyix 0_t2 Е.Х. еска илисненл

.схема поднята тиратрона в сезпісл лазера, Детальность импульса света на выхода лазера их. ірастгеле_г Езгларевігія на полувысоте, па превышала 3„5 не,- При' кайаздонки д?.аамичеващ: доменов раареэао щая способность установка била пе ^~лс v-xt Ддя получения езя/.--» чественной ИЕфорглацкЕ с поесдєпхз Е^ле^гкяенисої-; 2 локглЬных ї-ча~ стках пленка, использовался резеоз деэйеого стрссспь^пьи Прг-:сні:<» тельно к магнитооптические установкой, осеоіі.х:^_і иг ксподьзовл*, шш. эффекта Керра_г этот pszE.% бндг применЕз ваоргх:': Ис^ло^^ ч^о это позволило снизить, время устаног^ек^г какала репіотрацсг uzz-* нитооптического сигнала до Q„G не при отнопін2г; сигная/сЩЕ не хц-же 35-45 дб в зависимости от качества поеЄСзюсїе гсследусы-аго объекта,"

' Исследование поведения суммарного магнитного момента Бсей

¹ пленки осуществляется индукциошшм способові? Дде изучения ПОЕСДСя-.. "^:ния суммарного магнитного момента в больших поляг - EQ-7Q -Q

jfejnчаднуtart.ii-iw—i» — -

гіЗ Я pa

леполілзевлллль солллколле лтг:.Л¹ Всзля уетллоіілеглія яоля не пре-лллілло 0_S.S :;с,

В 2.-S' лрлткз оялеываэтсл лотодн получения пленок и изме— рслля пх статллесллх дтралетро"-; В качестве объектов исследование Сил;: вчбр/ллл і\:~лії длалкд с содзгдлз'ел ллкеля от 43 до SQ и лалонлто'-ягклл а?лор::л!0 плеклл. сост-лла Fo^Co^qSi TgB-rQ с нулевой ллгллтоетрлаллллі,' В осяотшо.л. лсдслъсолглшсъ известные- методы лллсролля лар?лэтлов пчелок: толлдлл.', кезрялтизлол силы и т»д. Сдн-зло.. для леслелоззлпя прлр.^ди клдллвснсго лзрз.".'сТклллі:зкіія злорїллп: ллє:'.'''"* дгл^тгл;олллозл усоягрлг.нсгваглзгь лзтоддлу лзучолиг; сіл Лета лллзс.тголл",' Плт:чл~ у "лгллдлгллі ллл'отроллх: является одх'л лг ллллл"'лл'; л"""тсро?, с s:..'?."'^ "лл леялдслло нлллгнлчен-лоолл л лллул'-ог':: 'Ллллтл л 'лл'. .'-.y:-::.vf сопсстовлелле пмпулъ-сшлс сволсіЛ ;ллллл'Л')?з со о^л.з^ллл; сллзлдрсплтї - ла;лшл этап л пзу^ллл ^лі^лл гл:ре-..агшг; :гл'"лл. тіллі оЗеспзчешш калбольлей досторерлослл лрл сглюсг!л.л:ллл': рл.'сллл-л сполстл, лллательно, лтоби слл лзучя'лл'л. ла одллл ї'ї:,. ..сіло лр:* одло:: л тем га полелеяли образца^. Регллло г то огллтчлзт* что л;облол"'"'л jar/тис .'/.ато-дк лзуленлл алллетрзялл пл ;.'стллсллг„ лрсділлліалглїлел дія песле—.. довлллл лляуллелего лере:ллллл;л::лля;' !лл:гс?зя изюд лзучсяля свойств лл лзсгроллл лсслкр;с: ллллл;сл.л: іліелол с лр.лллулслзыюл петле? глстелз:.лел ілі ллдтлцллллел жпульзло : уечалолле, осг.ово-л-ллй на лосл-здел лл.лл ловедзлля еулларлего лагязтного патока ікро*-, лзглплпвлнло;: ллєллл в зав -сл-'оелл. от постолнлогл поперечного поля, Сорлл ле пзтгль ллстеро'лтл ярллеляеглл: г длялол работе лморЛлллт плелся: опльго оглллллазі от глллоулплг'ЗУ,";,- Уллтстая, л"л-літсд изготовления з-оріилх плзллл, связгл:л:я с о'ллдллле:; ла лллалденллс; подлоялсі. не яозлел лл: лелілі¹! едлсрч"^г-: ллекл:'» кзеблоджа. сопоставлять лквулліл і:і -. охлтл;еся:;л слс.::л л ллзлдд--; для достаточно лллілс локалыгл-: ;р^-яляя:ллї

В диссертационной работе предложен метод исследования свойст: анизотропии, суть которого состоит в анализе зависимости продольной составляющей намагниченности локального участка пленки от поперечного поля. Для построешя указанной зависимости использовалась универсальная стробоскопическая установка, причем световой импульс подавался через 30-50 не после окончания импульса магнитного поля_г приводящего пленку в однодоменное состояние.. Последнее услоаиа позволило исследовать образцы с непрямоугольной петлей гистерезиса* пока они не успевала перейти в многодс— меїшсе состояние»

В последних двух главах обсуждаются результаты экспериментальных исследований механизмов импульсного перемагничиваншц Третья глава посвящена поиску и результатам исследования механизма "истинного" неоднородного вращения намагниченности в поликрис-таллических I'e-Nl пленках. В 3.1 анализируются условия, при которых возможен подобный механізм перемапшчивания. Учитывается, что наибольший вклад в момент сил, тормозящих вращение намагниченности, вносят силы магнитостатического взаимодействия. Их учет осуществляется через поля рассеяния, и вопрос о существовании механизма "истинного" неоднородного вращения намагниченности связан с анализом условий, при которых возможно их насыщение. Для этого используется известное ранее выражение: Rp* — ({-cosv?) , где IL - напряженность поля рассеяния, Ч - угол между мгновенным направлением намагниченности внутри полосовых доменов и осью легкого намагничивания, j*_a - период полосовых доменов, Ь - величина, зависящая от толщины пленки и структуры границ. С повышением амплитуда внешнего поля Нц угол Ц> и поля рассеяния возрастают. Рост угла і? ограничен 180, и поэтому дож.'ч существовать предельная пелнч; і:а полек рассеяния. В действительности насыщения полей рассеяния следует о.шдать при меньших

значениях угла if и поля Н^, поскольку при некотором критическом значении угла ц> = ц>_къ 90 доменные границы со структурой Нееля могут не образовываться вовсе. Наиболее вероятно формирование границ типа Блоха. Их возникновение должно привести к резкому уменьшению полей рассеяния. На основании сказанного следовало ожидать,, что предполагаемая разновидность механизма неоднородного вращения должна иметь место в полях:

Н_п>^_ц(і-со5^+ H_K-cos .*„. (I) Отмечается, что задача сводится в первом приближении к отысканию неизвестного ранее шестого участка на кривой импульсного перемагничивания в полях IL 20-60 Э со значением коэффициента переключения S_w6 , существенно меньшего 0,1 Э-мкс. Получено аналитическое выражение, для времени перемагничивания з поле излома Не» отделяющего этот участок кривой от предыдущего:

₌ >*' ^S""> ,(2)

⁵ (b-^HJ-Hcosif^-cos^vS^/S^Ccos^- »s^03 где S_WA (* 0*2 Э*мкс)и S_ws(-0,I Э-мкс)- значения коэффициентов переключения, соответственно для четвертого и пятого участков кривой импульсного перемагничивания, в пределах которых действуют известные ранее разновидности механизмов неоднородного вращения, Ц>_кл - значение угла ^ о ^{в поле} **п» равном пороговому полю необратимого вращения, ^ - значение угла Ц> g при поле Не* раином полю излома» отделяющего четвертый участок.кривой от пятого. Для исследуемых з работе, пленок толщиной -1000 -1500 А ^_м« 22-25» а і?_кг~ 45-55.

Результаты исследования кривой импульсного перемагничивания обсуядс; тся з 3.2. Біло показано существование предполагаемого шестого участка на кривой импульсного перемагничивания. Переход к нему для исследованных пленок^-(Гпериодом. динамических доменов ^10-25 мкм наблюдался в полях Нд = ІЦ- 20-40 Э и

сопровождался резким (до -5 раз) уменьшением коэффициента ш>-' реклвчешя.. Подтверждена справедливості выражений (I) и (2) , Проведенные оценки показывают, что значение угла у близко к ?B-83^Q.

Б 3.3 анализируются магнитооптические сигналы, считываете с локальных участков пленок. В нолях Е_и< Н₅ на осциллограммах магнитооптических сигнатоз четко различаются начальная бистрая .: последующая медленная части. На основании литературных данных можно утверждать, что быстрая часть сигнала связана с вращением намагниченности. С ростом, напряженности перемагничивающего пол;: напряжение сигнала,., достигаемое в конце быстрой части, возрастает, что свидетельствует об увеличении вклада процессов начальної"-: быстрого вращения в общее изменение намагниченности. И, наконец, -в полях E^v- Не медленный участок исчезает полностью. Таким обр?.- -зом_г показано, что е пределах обнаруженного в работе шестого участка пєрсмагкичивание полпкристаллпчесглх Ге-Ні пленок дексг-штелілю осуществляется путем механизма "ист-.:,,ного ^u неоднород-і.іг;. вращения намагниченности.

В четвертої"? главі обсуждаются результаты імпульсного i:c.j'..-. мзгничпвания магнитомягких аморфных пленок. Ь первом ее я.^::[:ах-р--> й-в, косящем вводный характер, сформулированы основные задачи₅ относящееся к изучению импульсных свойств указанного матерка;:;:. Бо втором параграфе рассматриваются особенности поведения аморф-пых пленок в импульсных магнитных полях, прикладываемых вдоль оси трудного намагничивания» Показано» что' подобно Рєг-Ці пленкам импульсное намагничивание аморфных пленок вдоль указанного направления связано с формированием полосовых доменов, образующихся за времл " ІО~сі Однако, в то время как импульсное перемагничивание Fe-Nl пленок осуществляется вдоль оси трудного намагничивания, за время - 10- 10~^с» иевемагничиванис

аморфных пленок происходит за время «10~^о путем мехашізіла "исгишого" неоднородного вращения намагниченности.

В 4.3 рассматривается импульсное перемагничивание аморфных пленок вдоль оси легкого намагничивания.. Чтобы избежать влияния неоднородностей пленки, исследовались локальные участки, минимальные поперечные размеры которых ( 400 мша) выбирались боль-глмя характерных размеров динамических доменов,, возникающих при импульсном перемагничивашш во всем исследуемом диапазоне полей. Найдено, что кривая импульсного перемагничпвания исследуемых пленок состоит из четырех характерных участков. Установлена связь формы этой кривой со свойствами 'анизотропии аморных плене. Последние характеризуются наличием в них субучастков с дву-"!Грезко различающимися значеїшягли эффективного поля анизотропии: 71.-- lj,8~2._r0 Э и lig- 5-12 Э. Поле Нр при котором первый из Л--ОМОВ кривой импульсного перемагничпвания имеет место, прак-^!.пч~а.ки совпадает с 3L_cp Одной из характерных особенностей этой крлгай является наличие точісп излома в поле Нд=- Hg, после которой появляется третий участок с существенно большим значением дагффддиента переключения S_xVi « 0,15-0,6 Э-мкс по сравнению с предыдущим участком.» iwjSwj.* 0,.03-0,09 Э-мкс. Коэффициент S.,,._b ликера возрастает с увеличением разницы мезду значениягли эффек-спгяых полей анизотропии Н^ я Ндр Значение поля Н_п= Нд, при. котором появляется последний излом кривой импульсного деремагкп- *| чиеения, близко к. максимальному значению эффективного поля анизотропия Н^»

Установлено, что в пределах первых двух участков кривой импульсного перемагничпвания'изменение намагниченности происходят путем образования и роста»зародышей обратной намагнич&ннос-?Zf причем, при переходе ко второму участку этой кривой резко, возрастает 'число зародышей, поскольку становится возмонным их

формирование не только на дефектах, но и в участках пленки, где

н_ц> н_к1.

Наибольший интерес представляет механизм импульсного перемагничивания, обнаруженный в пределах третьего участка кривой. Подобно неремагничиванию поликристаллических пленок, в этом случае динамические домены имеют Форму полос, перпендикулярных оси легкого намагничивания. Однако в отличие от поликристатлических пленок соседние домены сильно отличаются по толщине, имеют существенно больший период - 50-150 мкм и л процессе перемагничивания не заметно какого-либо их разрушения. Фотометрический анализ изображений динамических домєное, а таете анализ магнитооптических сигналов показывают, что внутри полос имеет место монотонное вращение намагниченности, причем намагниченность в узких доменах вращается о заметно большей угловой скоростью, чем в широких. Рассматривается простая модель динамических доменов, из которой, в частности, следует, что силы магнитостаткческого взаимодействия делают возможным вращение намагниченности в основном объеме пленки в полях Нд , меньшие Н_ко. В целом в полях К2<Н_Л<К₃ обнаружен один из возможных гарпентов "истинного" неоднородного вращения намагниченности.

Изменения намагниченности, происходящие в пределах четвертого участка кривой импульсного перемагничивания, воспринимаются

с учетом конечной пространственной разрешающей способности установки как постепенное и равномерное потемнение по поверхности пленки ее магнитооптического изображения. і.Іалое время перемагничивания, а также тот пакт, что H_n>H_K2t позволяют сделать вывод о том, что з пределах рассматриваемого участка кривой импульсного перемагничивания действует более быстрая разновидность механизма "истинного" неоднородного вращения намагниченности, не связанная с .-ормированием полосовых доменов ( по крайней

мере,указанных выше размеров).

В 4.4 обсуждается результаты исследования интегральных кривих импульсного перемаггшчивания. Время перемагпичивания определялось путем анализа продольного индукционного сигнала, регистрирующего изменение суммарного магнитного момента пленки. Показано, что усреднение поведения намагниченности в таких неоднородных объектах* какими являются скорбные пленки, приводит к потере информации о реальной форма кривой импульсного перемагнпчивания и о се связи с механизмами перемагнпчивания. На интегральной кривой удается выделить всего два характерных участка емєсто четырех.

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты и выводи,