Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллы ферритов-гранатов и их соединения в течение более 60 лет являются объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, не ослабевающих и по сей день. Такой интерес к ним обусловлен, в первую очередь, кристаллохимической особенностью ферритов-гранатов, которая позволяет синтезировать их с требуемыми магнитными параметрами. Кроме того, они обладают рядом уникальных свойств, например, оптической прозрачностью в видимом и ближнем инфракрасном свете, высокой чувствительностью доменной структуры к воздействию внешних факторов (электрических и магнитных полей, механических напряжений, лазерного излучения, теплового воздействия), рекордной узкой линией ферромагнитного резонанса и т.д. [1] Как следствие, феррит-гранаты находят практическое применение в магнитооптических устройствах, в СВЧ-технике, в устройствах для визуализации, регистрации и измерении магнитных полей и т.д. [1-3]. И наконец, кристаллы ферритов-гранатов оказались очень удобным модельным объектом для изучения многих фундаментальных проблем современной физики, например, доменной структуры магнетиков, физики нелинейных явлений (возбуждение и эволюция нелинейных волн, солитонов и т.п.), резонансных явлений [4], физики фазовых переходов [5].
В реализации данных исследований особое место занимают эпитаксиаль-но выращенные пленки феррит-гранатов. Их отличительной чертой является одновременное существование в них двух типов анизотропии различной природы: наведенной одноосной (НОА) и естественной кубической (КА). Наличие такой комбинированной анизотропии в пленках существенно сказывается на их магнитных свойствах: при определенных соотношениях констант НОА и КА в них возможно появление новых видов доменных структур (ДС) [1], при определенных условиях в них наблюдается динамическая самоорганизация ДС [6], кроме того, в этих магнетиках имеет место нетривиальная картина спин-перео-риентационных фазовых переходов (СПФП), практически не наблюдаемая в других материалах [7, 8].
В последнем случае накоплен большой экспериментальный материал, который не получил адекватного объяснения, к тому же многие теоретические аспекты проблемы оказались неизученными. В частности, это относится к задаче теоретического описания экспериментальных исследований по наблюдению процессов спиновой переориентации в феррите-гранате Gd3Fe5Ol2, содержащем дислокации, при понижении температуры образца [9]. Несмотря на определенные попытки их теоретического анализа [9-11], многие вопросы кинетики зародышеобразования на дефектах при СПФП в магнитных материалах остались невыясненными. Актуальность исследований в данной области обусловлена еще тем, что они вносят существенный вклад в решение такой важной проблемы в теоретической физике, как построение теории фазовых переходов в реальных кристаллах [12].
Следует отметить, что в работе [13] был использован новый подход в изучении флуктуационного механизма процессов зародышеобразования при
СПФП в магнетиках типа ферритов-гранатов. Он базировался на модельном представлении зародышей новой фазы, которые аппроксимировались магнитными неоднородностями, соответствующими 0-градусной доменной границе (0ДГ). Моделирование поведения 0ДГ, локализованной на дефекте, в области СПФП позволило качественно объяснить кинетику спиновой переориентации магнетика, наблюдаемую в эксперименте [9]. Однако в этой работе в качестве экспериментального образца исследовалась феррит-гранатовая пластина с ориентацией (011), а не пластина типа (Ш), которая рассматривалась в теории [13]. Кроме того, процессы их намагничивания и перемагничивания, при наличии в них различного рода дефектов и конечности образца также не были теоретически изучены.
Цели и задачи работы. Целью данной работы является изучение особенностей спонтанного (при вариации температуры) и индуцированного (внешним магнитным полем) СПФП в (01 ^-ориентированной пластине феррита-граната, сочетающей НО А и КА, с учетом влияния конечности образца и наличия в ней дефектов.
Научная новизна работы.
Определены условия зарождения на дефектах кристалла и устойчивые состояния магнитных неоднородностей типа 0ДГ в зависимости от параметров материала, толщины пластины, характеристик дефекта и внешнего магнитного поля различной ориентации.
Развита термодинамическая теория зародышей перемагничивания, которая позволила выявить особенности поведения 0ДГ различной топологии в окрестности СПФП.
Установлено, что на конфигурацию уединенных магнитных неоднородностей, локализованных в области дефекта, влияет не только профиль дефекта, но и магнитная симметрия кристалла.
Найдена коэрцитивная сила рассматриваемой пластины и показано, что в области СПФП она достигает максимальных значений.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют существующие представления о свойствах кристаллов с комбинированной анизотропией, о процессах их намагничивания и перемагничивания. Они позволяют построить более полную картину процессов спиновой переориентации, имеющих место в этих кристаллах (ограниченных размеров) при наличии в них дефектов. Кроме того, они могут найти применение в магнитной микроэлектронике при конструировании технических устройств, основанных на свойствах кристаллов с комбинированной анизотропией и могут быть использованы для оптимизации их технических характеристик. В то же время результаты исследований влияния дефектов кристалла на его магнитные свойства позволяют определить пределы применимости пленок ферритов-гранатов с реальной структурой в этих устройствах, а также выявить новые направления их использования.
Положения, выносимые на защиту:
Моделирование процессов зарождения на дефектах кристаллической структуры магнитных неоднородностей типа 0ДГ и определение области их устойчивости в зависимости от материальных и геометрических параметров образца, а также характеристик дефекта. Расчет критических параметров существования 0ДГ и выявление закономерностей спиновой переориентации кристалла от одного состояния к другому.
Теория спин-переориентационного фазового перехода в магнетиках с комбинированной анизотропией с учетом конечности образца и наличия в нем дефектов.
Исследование влияния магнитного поля на структуру и устойчивость магнитных неоднородностей типа 0ДГ, локализованных на дефектах и нахождение критических полей их существования.
Выявление особенностей перемагничивания кристаллов с дефектами и определение их вклада в коэрцитивную силу образца.
Достоверность результатов настоящей работы подтверждается качественным согласием с экспериментальными данными, использованием хорошо апробированных аналитических методов расчета.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на следующих семинарах и конференциях: International Conference "Functional Materials", ICFM-2005, Ukraine, Crimea, Partenit, 2005; 3rd Joint European Magnetic Symposia, San Sebastian, Spain, 2006; 20-й и 21-й Международных школах-семинарах «Новое в магнитных материалах и магнетизме», Москва, 2006, 2009; Международной конференции EASTMAG-2007 "Magnetism on a nanoscale", Kazan, 2007; 4-й, 5-й, 6-й и 8-й Региональной школе-конференции для студентов и молодых ученых по математике, физике и химии, Уфа, 2004, 2005, 2006, 2008; Всероссийской школе-конференции конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании», Уфа, 2007; VIII международном семинаре «Магнитные фазовые переходы», Махачкала, 2007; 10-м международном симпозиуме «Упорядочение в минералах и сплавах», Ростов-на-Дону, 2007; VIII молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества, Екатеринбург, 2007; 14-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Уфа, 2008; IV Всероссийской научно-методической конференция «Инновации и наукоемкие технологии в образовании и экономики», Уфа, 2008; Moscow International Symposium on Magnetism (MISM), Москва, 2008; III Байкальской международной конференции «Магнитные материалы. Новые технологии», Иркутск , 2008.
Публикации и личный вклад. Основное содержание диссертации отражено в 27 печатных изданиях, включающих 5 статей в российских и зарубежных рецензируемых журналах, 11 трудов и 11 тезисов на научных конференциях. Общий список публикаций приведен в конце автореферата. В публикациях вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач, в
получении аналитических решений, в создании и использовании программ для численного моделирования, а также в интерпретации полученных результатов и написании статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа насчитывает 122 страницы текста, включая 41 рисунок. Список цитированной литературы содержит 83 наименований.
