- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ .............................................. 4
Глава I. ОНЦИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕМНЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ
И ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ.. 9
1.1. Объемные монокристаллы ферритов-гранатов.... 9
1.2. Эпитаксиальные плешей ферритов-гранатов 12
1.3. Свойства пленок Ферритов-гранатов в окрестности точки магнитной компенсации..................15
1.4. Анизотропия эпитаксиальных пленок ферритов--гранатов......................................... 19
1.5. Влияние высокотемпературного отжига на ани-'•..зотропию и структуру пленок....................23
1.6. Неоднородность пленок ферритов-гранатов по
■ толщине..................................... 26
1.7. Несквозные магнитные домены.................. 31
Глава 2. ТИПЫ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ПАРАМЕТРЫ ТОНКИХ ВИСМУТСОДЕЕКАЩИХ ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ--ГРАНАТОВ............................................. 40
2.1. Возможные типы компенсационных поверхностей
в пленках.................................... 40
2.2. Измерение намагниченности и констант анизотропии............................................ 51
2.3. Изменение свойств многослойных пленок висмутсодержащих ферритов-гранатов под действием высокотемпературного отжига.................. 67
2.4. Выводы....................................... 74
Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ ОДНООСНЫХ ПЛЕНОК МАГНИТНЫХ ГРАНАТОВ С НАКЛОННОЙ КОМПЕНСАЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ...................................76
3.1. Теория процессов намагничивания одноосных пленок магнитных гранатов с наклонной плоской компенсационной поверхностью...................76
- 3 -
3.2. Экспериментальное исследование одноосных пленок ферритов-гранатов с наклонными компенсационными поверхностями.................................. 87
3.3. Перемагничивание пленок с наклонными компенсационными поверхностями и широкой областью магнитной компенсации................................... 93
3.4. Изменение характера перемагничивания пленок со сложным профилем компенсационной поверхности при уменьшении толщины........................... 109
3.5. Выводы............................................ 113
Глава 4. НЕСКВОЗНЫЕ И ВНУТРИОБЪЕМНЫЕ ДОМЕНЫ В ПЛЕНКАХ
ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ СО СЛОЕНЫМ ПРОФИЛЕМ КОМПЕНСАЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ..............................115
4.1. Процессы перемагничивания пленок с компенсационной поверхностью с одним минимумом............117
4.2. Взаимодействие несквозных и внутриобъемных доменов различного типа в пленках, обладающих компенсационной поверхностью с двумя минимумами..................................................... 155
4.3. Влияние толщины пленок на интервал устойчивости несквозных и внутриобъемных доменов 190
4.4. Перемагничивание многослойных пленок, полученных методом многократной эпитаксии.................... 202
4.5. Выводы........................................... 207
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................210
ЛИТЕРАТУРА.................................................. 212
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Повышенный интерес к изучению ферритов-гранатов в значительной степени обусловлен тем, что материалы этого семейства нашли широкое применение в технике СВЧ, магнитооптике, вычислительной технике и акустике. В связи с этим интенсивно исследуются магнитные, оптические и резонансные свойства ферритов-гранатов, разрабатываются методы контроля их параметров. Диапазон сферы применения массивных монокристаллов и эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов непрерывно расширяется.
Одним из наиболее впечатляющих примеров является использование эпитаксиальных пленок смешанных редкоземельных ферритов--гранатов в качестве рабочей среды для запоминающих устройств (ЗУ) вычислительной техники на цилиндрических магнитных доменах (ИНД). С целью повышения плотности записи в таких ЗУ в настоящее время осуществляется переход к 1Щ малого диаметра (менее микрона), которые существуют в пленках субмикронной толщины. Это, в свою очередь, предъявляет особые требования к степени однородности пленок вдоль нормали к развитой поверхности. Однако, если отказаться от использования сквозных (по толщине) доменов, то неоднородность пленок можно использовать для создания градиента магнитных параметров, обеспечивающего устойчивое существование несквозных (приповерхностных или внутриобъемных) доменов, обладающих рядом цреимуществ перед сквозными ЦМД. В частности, неоднородные пленки, в которых несквозные домены локализуются на различной глубине, могут служить основой для создания многоуровневых ЗУ с повышенной плотностью записи информации.
Для физических исследований удобным объектом являются эпитаксиальные пленки висмутсодержащих ферритов-гранатов, обладающие огромным фарадеевским вращением (10^градвсм’”^ и более), по-
- 5 -
зволягощш эффективно использовать возможности магнитооптических методов.
Несмотря на то, что ежегодное количество публикаций, связанных с эпитаксиальными пленками ферритов-гранатов, исчисляется сотнями, многие важные вопросы, касающиеся их свойств, остаются невыясненными. Отсутствуют экспериментальные данные о перемагни-чивании неоднородных пленок и о влиянии характера неоднородности на устойчивость несквозных доменов различного типа. Практически не изучены свойства внутриобъемных доменов. Крайне скудны и малочисленны сведения о связи магнитных параметров пленок с условиями их синтеза. Не изучено влияние высокотемпературного отжига на структуру пленок. Не разработана теория цроцессов перемагничива-ния одноосных пленок с плоскими наклонными компенсационными поверхностями.
В настоящей работе выполнено теоретическое и экспериментальное (методами магнитооптики) исследование в широком интервале изменения напряженности магнитного поля (0-20 кЭ) и температуры (80 К - 500 К) свойств эпитаксиальных пленок висмутсодержащих ферритов-гранатов с целью:
а) исследования влияния высокотемпературного отжига на параметры и слоистую структуру пленок;
б) изучения возможности создания в пленках заданного распределения магнитных параметров;
в) исследования влияния характера неоднородности на свойства несквозных доменов;
г) установления теоретических закономерностей, управляющих процессами перемагничивания одноосных пленок с плоской наклонной компенсационной поверхностью.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе представлен обзор теоретических и экспери-
ментальных работ, посвященных исследованию массивных монокристаллов и эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов. Наиболее подробно рассмотрены вопросы, дальнейшее развитие которых составляет основу оригинальных глав данной работы, а именно: влияние высокотемпературного отжига на параметры и структуру пленок, намагничивание пленок с наклонной компенсационной поверхностью, неоднородность свойств пленок по толщине, влияние характера неоднородности на свойства несквозных доменов, и т.д.
Во второй главе изложены результаты исследования влияния высокотемпературного отжига на параметры и слоистую структуру пленок ферритов-гранатов состава(У6с1У& В 1)3 [1,2]. Для
тонких пленок с различной кристаллографической ориентацией, выращенных при разных температурах роста Тр , представлены результаты измерений температуры магнитной компенсации, температуры Кюри, намагниченности насыщения, констант одноосной, кубической, ромбической анизотропии и угла отклонения оси легкого намагничивания (ОЛН) от нормали. Исследование зависимости температуры компенсации от температуры роста позволило разработать методику создания в пленках заданного сложного профиля компенсационной поверхности в выбранной области температур компенсации, обеспечивающего устойчивость несквозных (в том числе внутриобъ-емных) доменов различного типа Цз,4].
В третьей главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов намагничивания одноосных ферримагнитннх пленок с наклонной компенсационной поверхностью [5-9]. Вариационным методом получено строгое решение задачи о форме межфазной границы в пленках с наклонной компенсационной поверхностью, определены пределы применимости приближенных моделей. В широкой области температур и магнитных полей проведено экспериментальное исследование процессов перемагничивания в
- 7 -
пленках феррита-граната состава(Ибг{НВг)3 (РеАО50,2 с наклонными компенсационными поверхностями и с большой шириной области магнитной компенсации й Тк . Предсказываемые теорией закономерности перестройки компромиссной границы хорошо подтверждаются на практике, хотя проведение количественных оценок осложняется тем фактом, что в пленках с широкой областью Ь Тк существуют несквозные домены различного типа.
Четвертая глава содержит результаты исследования процессов перемагничивания пленок с заданным сложным профилем компенсационной поверхности [3,4]. Исследовано влияние профиля компенсационной поверхности на устойчивость несквозных (внутриобъемных) доменов. Определены границы областей существования различных доменных структур на плоскости Н-Т , а также условия перехода их друг в друга. Для пленок, в которых распределение намагниченности по толщине допускает одновременное существование несквозных (приповерхностных и внутриобъемных) доменов с различной локализацией по толщине, изучено взаимодействие несквозных доменов различного типа. Выполнено сравнение пленок с одинаковым градиентом намагниченности, но с различным распределением энергии доменных границ по толщине. Исследованы структура и процессы перемагничивания в многослойных пленках, полученных методом многократной эпитаксии, и проведено сравнение их с пленками со сложным профилем компенсационной поверхности, синтезированными в едином эпитаксиальном цикле в неизотермических условиях.
В Заключении сформулированы результаты выполненной работы. Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1-9], а также докладывалось на УН и УШ Всесоюзных школах--семинарах "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Ашхабад, 1980*, Донецк, 1982) и Всесоюзной конференции по физи-хсе магнитных явлений (Пермь, 1981).
На защиту выносятся результаты: экспериментального исследования влияния высокотемпературного отжига на параметры и слоистую структуру висмутсодержащих пленок ферритов-гранатов*,
разработки методики создания в пленках заданного профиля компенсационной поверхности, обеспечивающего устойчивость несквозных доменов различного типа;
теоретического и экспериментального исследования процессов намагничивания пленок с наклонной компенсационной поверхностью; экспериментального исследования внутриобъемных доменов в пленках со специально выбранным профилем компенсационной поверхности и влияния характера распределения энергий доменных границ на область их устойчивости;
экспериментального исследования взаимодействия несквозных доменов различного типа.
- 9 -
Глава I. ОБЩИЕ СВВДЕНИЯ ОБ ОБЪШНЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ И ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ
1.1. Объемные монокристаллы ферритов-гранатов
Редкоземельные ферриты-гранаты получили свое название от
2+ 3+
минералов-гранатов-ортосиликатов с общей формулой В 2 •
Магнетики, кристаллизущиеся в структуре граната, характеризуются общей формулой &3^0 12 , где I? * - ион иттрия или ред-
коземельный ион, А3* и В3'1' - ионы Ре ,А1 , 9 а (ГСТ). Гранаты имеют кубическую структуру и принадлежат к точечной группе симметрии
ЗУ-
9> . В элементарной ячейке, содержащей восемь молекул, ионы Я располагаются в додекаэдрических междоузлиях кислородной матрицы
лЗ+
с координационным числом 8, ионы л - в октаэдрических междоуз-
пз+
лиях с координационным числом 6 и ионы В - в тетраэдрических междоузлиях с координационным числом 4, Эти положения принято обозначать, соответственно, фигурными, квадратными и круглыми скобками или буквами С ,сс,о1. В соответствии с этим, например, формулу феррита-граната иттрия У3 Рег 012 часто записывают в виде
граната имеются три кристаллографически неэквивалентных подрешет-ки магнитных ионов а ,С ,с1. Поэтому свойства гранатов обычно описывают в рамках трехподрешеточной модели [ЬЬГ) .
Различные магнитные ионы связаны между собой косвенным обменным взаимодействием антиферромагнитного типа через ионы кислорода. Самым сильным является а - с1 - взаимодействие; магнитные моменты ионов в подрешетках[оГ]ж(с1) устанавливаются антипараллельно друг другу, при этом возникает нескомпенсированный магнитный момент. Вектор намагниченности редкоземельной подрешетки антипараллелен результирующему вектору намагниченности подрешеток^л] и (сС).
Внутриподрешеточные взаимодействия также носят антиферромаг-нитный характер, но они гораздо слабее а - о1 - взаимодействия.
Таким образом, в общем случае в структуре
- 10 -
В-£с ^-подрешетке взаимодействие настолько мало, что редкоземельную подрешетку обычно моделируют газом парамагнитных ионов, упорядочение которых происходит лишь благодаря взаимодействию с магнитными ионами в [я]] и (е1) -подрешетках [12].
Для редкоземельных ферритов-гранатов 012 характерно наличие температурной точки компенсации, в которой из-за различной температурной зависимости намагниченности редкоземельной подре-шетки с и результирующей намагниченности подрешеток а и с1 ионов железа суммарный момент кристалла обращается в нуль [хз]•
Температура Кюри 7^, , определяемая взаимодействиями в подрешетках ионов железа, цримерно одинакова у всех неразбавленных редкоземельных гранатов и составляет ~ 560 К Стз] .
Замещение ионов/-/* в [а] и ^-координациях немагнитными ионами, нацример, и (та приводит к смещению температур компенсации Г. и Кюри Т. , а также изменению намагниченностиМп Г14—151•
ЗФ *<+ кФ 5+
В случаях замещения ионов Ре ионами $1 , 6е и V необходимо
также вводить двухвалентные ионы (например, Са*, и другие)
для сохранения электронейтральности. В замещенных ферритах-гранатах температура компенсации (если она существует) увеличивается, а температура Кюри - уменьшается вследствие уменьшения величины косвенного обменного взаимодействия в подрешетках железа
[15].
Додекаэдрические позиции в ферритах-гранатах могут быть заполнены любыми комбинациями редкоземельных ионов, а также другими ионами (нацример, Въ’*) с соответствующим ионным радиусом
[16].
С точки зрения магнитной анизотропии ферриты-гранаты являются многоосными кристаллами с направлениями легкого намагничивания вдоль осей тила<Ш>, т.е. плотность энергии анизотропии имеет
- II -
ввд [17]:
* (1Л)
где Кс и Кс^ - первая и вторая константы анизотропии, оС/ - направляющие косинусы намагниченности относительно ребер элементарной ячейки. Константа КС1 у всех неразбавленных ферритов-гранатов отрицательна и составляет ~ (-Ю^эрг'см-3); Кс может быть любого знака; как правило,^ | << |/СС)| [18,19].
Для ферритов-гранатов характерны высокая магнитооптическая активность и хорошая прозрачность. Удельное фарадеевское враще-ние °Рр в видимом диапазоне по порядку величины составляет ~103град*см-1[20]; оно падает цри увеличении длины волны и в Ж-области не зависит от частоты, составляя ^ 50 град* см--1-[21].
В видимом диапазоне длин волн эффект Фарадея связан с расщеплением энергетических уровней ионов железа и редких земель (пироэлектрический механизм), а в Ж-области - с гиромагнитным механизмом (ферромагнитный и обменный резонансы).
Введение ионов В13* в додекаэдрическую подрешетку заметно (до Ю^град'см-*) увеличивает удельное фарадеевское вращение 9^°ферритов-гранатов в видимом диапазоне длин волн [22,23]; цри этом коэффициент оптического поглощения оС0 возрастает незначительно. Высокую магнитооптическую активность висмутсодержащих гранатов обычно связывают с усилением низкоэнергетических переходов в тетраэдрических ионах железа под влиянием висмута [24]• Ферриты-гранаты обладают окном црозрачности в Ж-диапазоне, где «^£0,1 см' [25,26]. Тонкие пластинки ферритов-гранатов (до 100 мкм) достаточно црозрачны и в видимом диапазоне [25,26].
Все эти свойства позволяют исследовать поведение ферритов-гранатов магнитооптическими методами.
12 ~
1.2. Эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов
Интенсивное исследование ВДЦ-материалов, т.е. материалов, в пластинах или тонких пленках которых могут существовать устойчивые цилиндрические магнитные домены (ЦМД), началось после того, как в 1967 году Э.Бобек [27] указал на возможность применения ЩЦ в элементах памяти и других устройствах. Впервые ЩЦ наблюдали в ортоферритах еще в 1959 году [28].
ЦМД представляют собой изолированные однородно намагниченные области в форме круговых цилиндров, направление вектора намагниченности М в которых противоположно направлению М в остальной части магнетика. Необходимым условием устойчивого существования ЩЦ является наличие в пленке (пластине) сильной одноосной анизотропии (. где Ни - эффективное поле анизотро-
пии) [27,29]. Было обнаружено, что пластины некоторых гранатов, вырезанных непосредственно под гранями роста, являются одноосными; аналогичным свойством обладают и пленки магнитных гранатов, полученные методом жидкофазной эпитаксии [30] или химического осаждения из газовой фазы(31] на подложках из немагнитных гранатов (например, 012 ).
Теория статической устойчивости ЦВД была развита в [29-34]. Динамические характеристики ЦМД изучались в работах [35-41]. ЦМД-материалы характеризуются толщиной к , спонтанной намагниченностью М0 , константой обменного взаимодействия А и константой одноосной анизотропии К ; ось легкого намагничивания (ОЛН) в них перпендикулярна плоскости пленки [41]. Кроме того, ЩЦ--материалы описываются рядом динамических величин, таких, как параметр вязкого затухания <=с , гиромагнитное отношение у и коэрцитивная сила для движения доменной стенки .
Можно сформулировать следующие три требования, более определенно характеризующие ЦМД-материалы [41] :
13 +*
I. Толщина пластины (пленки) должна удовлетворять соотношению:
А »4^* (1.2)
Здесь - характеристическая длина материала, выражаемая соот-
ношением:
б,
” У ’ (1.3)
/ = w w к я м.
где бк/ - плотность энергии доменной границы, равная 4/Л/Г ’ .
Данное требование, по существу, означает, что толщина образца сравнима с размерами домена. Поскольку для увеличения плотности записи информации требуются материалы со все меньшим размером ЦМД (в настоящее время это ЦМД диаметром 3 мкм и менее), то в качестве сред с ЦМД малого размера должны использоваться только те материалы, которые можно получить в виде тонкой пленки с помощью, например, эпитаксиального выращивания или распыления на немагнитную подложку.
2. Константа одноосной анизотропии К., должна быть велика
и»
по сравнению с энергией полей размагничивания, т.е.
(1-4>
где - фактор качества. Смысл этого требования состоит в том, что намагниченность в пленке должна быть направлена вдоль ОДН, т.е. перпендикулярно развитой плоскости.
3. Коэрцитивная сила материала должна быть цренебрежимо мала, а именно:
Нс 0,1!}. (1.5)
кя М0
Низкое значение коэрцитивной силы обеспечивает хорошие динамические характеристики ІЩД.
Динамические и статические свойства ЦМД в значительной степени определяются структурой доменной границы [33,34]. Разли-
- 14 -
чают нормальные и жесткие 1ЩД, которые отличаются по диаметру и полям коллапса [33,34]. Граница нормальных ЦМД является блохов-ской; жесткие ЦМД имеют стенку с большим числом вертикальных блоховских линий, т.е. неелевских участков, разделяющих блохов-ские сегменты стенки с право- и левовинтовым направлением разворота вектораМ [33,34|.
При наличии градиента поля подмагничивания в плоскости пленки ЦМД двигаются в направлении уменьшения поля, причем угол между направлением движения ЦМД и градиентом поля подмагничивания определяется внутренней структурой стенки ЦМД [35,3б]. Это свойство используется для кодирования информации [42].
Одной из основных динамических характеристик ЦМД-материалов является подвижность ^ - коэффициент пропорциональности между скоростью движения доменной границы V ъдН (йН - перепад магнитного поля на диаметре домена). Подвижность^ зависит от параметров материала и структуры стенки [35]. При больших д\\ происходит преобразование структуры стенки и скорость г перестает зависеть от J // [з7-3э].
Большой интерес в последние годы вызывают висмутсодержащие пленки ферритов-гранатов, которые, как и объемные монокристаллы с висмутом, обладают большим фарадеевским вращением и хорошей оптической црозрачностыо в вццимом диапазоне длин волн [43,44]. Исследование пленок состава 012 показа-®5» что ёч вли-
яет не только на оптические свойства пленок. Так, увеличение содержания 8г приводит к уменьшению температуры компенсации 7"к (за счет разбавления гадолиниевой подрешетки) и увеличению температуры Кюри Тс [45,46]; последнее, как полагают, связано с тем, что усиливает косвенное обменное взаимодействие между октаэдрической и тетраэдрической подрешетками железа [45-47].
- 15 -
1.3. Свойства пленок ферритов-гранатов в окрестности точки магнитной компенсации
Явления вблизи точки компенсации в ферритах-гранатах уже много лет привлекают внимание физиков. К настоящему времени в окрестности точки компенсации обнаружены аномалии многих физических величин. Магнитооптические исследования ферритов-гранатов в точке компенсации начались после того, как была обнаружена смена знака угла поворота плоскости поляризации света в гольмиевом феррите-гранате при прохождении через Тк [21].
В идеально однородной по составу пленке температура компенсации одинакова во всех точках пленки и не зависит от координат. Однако реальные пленки, как правило, имеют градиент состава как по толщине, так и в развитой плоскости, т.е. в определенной области температур в пленке может присутствовать так называемая компенсационная поверхность, на которой обращается в нуль результирующая намагниченность [48]. Компенсационную поверхность, в отличие от компенсационной границы, нельзя наблюдать в поляризованном свете. Компенсационной границей называют межфазную поверхность, разделяющую области с антипараллельной ориентацией векторов намагниченности однотипных подрешеток, т.е. низкотемпературную и высокотемпературную коллинеарные фазы. Межфазную границу, не совпадающую с компенсационной поверхностью, называют "компромиссной" границей; в противном случае (совпадение межфазной границы с компенсационной поверхностью) говорят об истинной компенсационной границе [49,50]. На компромиссных и истинных компенсационных границах происходит разворот векторов намагниченности однотипных подрешеток на 180°, сопровождающийся сменой знака угла поворота плоскости поляризации света, поэтому их можно наблюдать в поляризованном свете [48].
Впервые компенсационные стенки наблюдали в пластинах галлий-
- 16 -
- замещенного ЖИГ в 1967 году [51]; подробно их исследовали авторы работ [48,52], которые наблюдали перемещение компенсационной границы цри изменении температуры и сделали вывод, что такие границы существуют только в ферримагнетиках с градиентом состава. В отсутствие магнитного поля в пленке реализуется вертикальная сквозная межфазная граница, которая из-за меньшей поверхностной энергии более выгодна, чем истинная компенсационная граница (49,50]. При увеличении поля происходит процесс перестройки компромиссной границы, положение и форма которой определяются поверхностной энергией границы и энергией взаимодействия магнетика с внешним полем [49,50].
В сильных магнитных полях компромиссная стенка стремится к поверхности М = 0 , образуя истинную компенсационную границу; затраты энергии на образование компенсационной границы окупаются уменьшением энергии взаимодействия магнетика с внешним полем (49,50].
При магнитооптическом исследовании пленок с компенсационными поверхностями различного ввда в окрестности температур компенсации может наблюдаться большое число областей с разным фарад еевским контрастом; это явление по разному объясняли ряд авторов [48-60]. Авторы (48,52] ошибочно считали положение компенсационной границы не зависящим от магнитного поля; наблюдаемые ими (в геометрии эффекта Фарадея) области с различным значением угла поворота плоскости поляризации света, которое было следствием перестройки во внешнем поле компромиссной границы к истинной компенсационной, они приняли за уширение компенсационной границы. Расчет зависимости ширины А и энергии б компенсационной границы от поля Н показал [48,53], что А слабо убывает с ростом И , а б увеличивается, что противоречит результатам экспериментов [48,52].
- 17 -
Авторы работ [49,50,54,55]] цришли к выводу, что в исследуемых ими пленках существуют наклонные компенсационные границы, однако в этом случае могло наблюдаться лишь три области с различными значениями угла поворота плоскости поляризации света, тогда как в [54] сообщалось о четырех, а в [49]] - о шести таких областях. Аналогичные явления наблюдали авторы работы [56] , которые выдвинули ошибочную гипотезу о дискретной зависимости магнитного момента редкоземельной подрешетки от поля. Авторы работы [57] , исследовавшие вблизи Тк пленки состава^6^о^езд&а^012, предложили ступенчатую межфазную границу, но никаких предположений о причинах возникновения такой границы не сделали.
Поведение висмутсодержащих пленок ферритов-гранатов вблизи Тк по эффекту Фарадея изучалось авторами работ [58-60] . Результаты их экспериментов свидетельствуют, что эпитаксиальные пленки ферритов-гранатов, которые раньше считались монолитными (за исключением двух приповерхностных слоев), на самом деле состоят из множества слоев, отличающихся по параметрам, в частности, по температуре компенсации Тк . Кажущееся "уширение" меж-фазной границы в магнитном поле и появление областей с различным значением угла поворота плоскости поляризации света, как показали авторы [58-60] , связано с перестройкой вертикальной сквозной компромиссной межфазной границы к истинной компенсационной, которая имеет ступенчатый вид. Пошаговое стравливание пленки приводило к последовательному исчезновению слоев и соответствующих ступенек на петлях гистерезиса, что подтверждало выдвинутую гипотезу о слоистости пленки. Авторы(58-6(3 показали, что по виду диаграмм послойного перемагничивания на плоскости И -Т и по значениям угла поворота плоскости поляризации света в различных областях диаграммы можно определить структуру пленок (число, толщину и взаимное расположение слоев), а также
- 18 -
распределение температуры компенсации по толщине. Результаты магнитооптического выявления слоев в пленках были сопоставлены с рентгенографическими данными [60] ; выяснилось, что магнитооптическая методика позволяет обнаруживать слои с разницей па-
6°
раметров решетки ~ 10 А, в то время как рентгеновские методы
-го-4?
дают разрешение ~ 10 А.
В этих же работах [58—60] выполнен теоретический расчет процесса намагничивания многослойных обменносвязанных одноосных ферримагнитных пленок в области магнитной компенсации для случаев монотонного и немонотонного изменения температуры компенсации по толщине. Расчет сделал с помощью модели, базирующейся на образовании изломов в компромиссной границе на поверхности раздела между слоями*, даны оценки критических полей изломов.
Гипотеза о слоистой структуре пленок позволила объяснить многие явления, наблюдаемые вблизи Тк разными авторами. Однако авторы работ [58-60], сделав упор на дискретный характер изменения параметров пленки, практически не рассматривали случай непрерывного изменения параметров по толщине, т.е. наклонные и горизонтальные компенсационные поверхности (КП), считая, что наклонные КП могут присутствовать лишь в основном у границ раздела пленка-подложка и пленка-свободное пространство.
Вопрос о форме межфазной границы в магнитном поле в ферримагнитных пленках с наклонными компенсационными поверхностями решался качественно на основе двух приближенных моделей в работах [49,50,61-63] . В [49,50] предположили, что существующая в нулевом поле вертикальная сквозная компромиссная граница цри увеличении поля постепенно наклоняется, стремясь к компенсационной поверхности. Позже в [61] было дано другое объяснение процесса перестройки межфазной границы, основанное на изломе компромиссной границы. Однако отсутствие теоретических расчетов
-тане позволяет обосновать возможность использования и пределы применимости этих моделей. Перемагничивание пленок с горизонтальной компенсационной поверхностью теоретически рассмотрено в [64]. Сравнивая магнитостатическую энергию пленки в магнитном поле в отсутствие компенсационной стенки и при наличии ее, авторы [64] получили критические поля перехода НКр между этими состояниями, зависящие от температуры, градиента состава вдоль нормали к поверхности пленки и других параметров. Вид межфаз-ной границы в промежуточных полях 0 < Н<НКр в работе [64] не рассматривался.
Таким образом, воцрос о форме межфазной границы в магнитном поле в пленках с наклонными (и горизонтальными) компенсационными поверхностями до сих пор решен не был.
1.4. Анизотропия эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов
Наряду с кубической анизотропией в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов существует индуцированная в процессе роста сильная одноосная анизотропия, эффективное поле которой Нц значительно превышает поле кубической анизотропии Нс [§5-6711.
В настоящее время предложено несколько механизмов возникновения наведенной анизотропии: некубическое упорядочение пар ионов К3 -Ре за счет анизотропного обмена или диполь-дипольного взаимодействия [68-70]» избирательное заполнение додекаэдрических позиций редкоземельными ионами [71-75]] или возникновение и упорядочение кислородных вакансий в цроцессе роста [74,75]. Плотность энергии наведенной анизотропии обычно записывают в виде [76]:
+ 3(^2/1/2 +*2сСзА]}3 ) »
- 20 -
где/1 и ß - феноменологические константы, А' - направляющие
косинусы нормали к поверхности пленки относительно ребер элементарной ячейки, - направляющие косинусы вектора намагниченности /И .
В энергию одноосной анизотропии могут давать вклад и магни-тострикционные напряжения, вызванные различием параметров решетки пленки и подложки [773. Плотность энергии одноосной анизотропии , обусловленной рассогласованием параметров, в при-ближении кубического кристалла имеет ввд [173 :
для пленок, выращенных соответственно на подложках ориентации (III) и (ПО). Здесь Хщ и - магнитострикционные константы, $ - угол между вектором М и нормалью к поверхности ( ось <Ш> или <110 >), (о - напряжение, вызванное рассогласованием параметров и описываемое соотношением:
где Е - модуль Юнга, \) - коэффициент Пуассона, ja = а$ - а
- разность параметров решетки подложки as и пленки йу .
Однако в ряде случаев формулы (1.7) не согласуются с экспериментальными данными [75,78], что может быть связано с двумя причинами. Во-первых, формулы (1.7) получены в приближении кубического кристалла и не учитывают нарушения симметрии, вызванные рассогласованием параметров решетки пленки и подложки. В работах [79,80] было показано, что эпитаксиальные пленки с рассогласованием параметров обладают ромбоэдрической структурой; отклонение от кубической структуры тем больше, чем большеja [79]. Во-вторых, избирательное заполнение додекаэдрических позиций
(1.7а)
(1.76)
(1.8)
- Київ+380960830922