2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................................4
ГЛАВА I. МАГНИТНЫЕ ПЛЕНКИ И КОНЦЕПЦИЯ ФРАКТАЛА В МАГНЕТИЗМЕ....................................................... 14
1.1. Модели перемагничивания.................................14
1.2. Основные характеристики магнитоодноосных пленок.........26
1.3. Свойства фрактальных агрегатов и применение концепции фрактала к описанию явлений в магнитных средах..........34
ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.........................................................42
2.1. Технология выращивания пленок с фрактальной доменной структурой..............................................42
2.2. Исследование кристаллографической структуры пленок......47
2.3. Установки для изучения гистерезиса и доменной структуры 49
2.4. Экспериментальное исследование доменной структуры и процесса перемагничивания...............................52
2.5. Измерение фрактальной размерности.......................57
ГЛАВА III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА. ПОСТРОЕНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ.....................61
3.1. Геометрия доменной структуры и ее фрактальные характеристики..........................................61
3.2. Динамика доменной структуры и структура доменной границы ........................................................64
3.3. Построение феноменологической модели доменной структуры и процесса перемагничивания...................71
ГЛАВА IV. КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И ПРОЦЕССА ЕЕ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ.......................................76
3
4.1. Компьютерная модель доменной структуры.........76
4.2. Моделирование динамики развития доменной структуры в магнитном поле.........................................78
4.3. Сравнение результатов компьютерного моделирования с экспериментом..........................................80
ГЛАВА V. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ ПЛЕНОК 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................91
ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................99
4
ВВЕДЕНИЕ
Проблема реальной, т.е. дефектной структуры твердых тел и способов ее регулирования, является одной из центральных и актуальных в современной физике твердого тела и материаловедения. Не составляет исключения и область магнитных материалов. Магнитные и структурные свойства ферромагнитных материалов в виде пленок и тонких слоев в настоящее время достаточно хорошо изучены [1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Они находят широкое применение в качестве управляющих элементов СВЧ - устройств (ответвители, вентили, волноводы и др.), в качестве активных элементов в цепях волоконной оптики [12], в качестве информационной среды для магнитных элементов памяти большой емкости [13, 14] и т.д. Усилия специалистов сосредоточены на разработке и поиске материалов, способных обеспечить получение оптимальных технических характеристик, таких как быстродействие, энергоемкость, соответствие необходимому частотному спектру и т.д. [15, 16]. Особое место среди этих материалов занимают эпитаксиальные пленки, поскольку современные технологии позволяют выращивать эпитаксиальные пленки с регулируемой плотностью дефек-
'У
тов, в частности с очень низкими ее значениями [17, 18], меньше чем 10 см' . Тем не менее, даже такая низкая плотность дефектов может заметно влиять на динамические характеристики пленок из-за взаимодействия доменных 1раниц (ДГ) с дефектами. Механизм этого взаимодействия сегодня не вполне ясен, чем и объясняется обилие существующих моделей взаимодействия ДГ с дефектами. Известно, что увеличение плотности дефектов ферромагнитных пленок (ФМП) до величин порядка (108 ч- Ю10) см*2 изменяет не только динамические, но и ста тические характеристики пленок [19, 20, 21], например, приводит к увеличению коэрцитивной силы Нс ферромагнитного образца. Увеличение коэрцитивности способствует повышению надежности сохранения информации в магнитной информационной среде, увеличению срока службы постоянных магнитов, используемых в миниатюрных электродвигателях, акустических системах и т.д. Таким образом, исследование механизма взаимодействия ДГ с дефектами в на-
5
стоящее время имеет принципиальное значение и является актуальной проблемой.
Для изучения механизма взаимодействия ДГ с дефектами решаются частные задачи: исследуется геометрия, структура и поведение ДГ во внешнем магнитном поле Й. Оптимальным материалом для таких исследований являются, по-видимому, прозрачные феррогранатовые (ФГ) эпитаксиальные пленки. Во-первых, потому, что технология синтеза ФГ пленок позволяет реализовать в них широкий диапазон плотностей дефектов (от 10 см'2 до Ю!0см'2). Во-вторых введение в решетку ФГ ионов церия или висмута приводит к гигантскому магнитооптическому эффекту Фарадея. При этом магнитооптическая добротность достигает значений 50 град/дБ и выше. Это позволяет использовать для изучения доменной структуры (ДС) эффект Фарадея, который на два порядка выше эффекта Керра, применяемого для непрозрачных ФМП, и является безинерци-онным, в отличие от метода порошковых фигур.
Последние исследования ФГ пленок с высокой плотностью дефектов, обусловленных плоскостными механическими напряжениями, показали, что в них реализуется неупорядоченная ДС, в отличие от пленок с низкой плотно стью дефектов. Подобные ДС наблюдались ранее, например, в пленках гексо-ферритов, феррошпинелей, интерметаллических пленках и д.р. Исследования в этой области требуют, с одной стороны, получения новых экспериментальных данных по закономерностям формирования ДС и, с другой стороны, поиска новых подходов к ее теоретическому описанию. Сейчас, в результате развития компьютерных технологий, появилась реальная возможность решать статистические задачи методами фрактальной топологии. Этот подход оказался весьма плодотворным при рассмотрении неупорядоченных структур, возникающих ь результате различных процессов, таких как диффузия, агрегация, конденсация и т.п. Есть все основания ожидать, что окажется полезным и при исследовании магнитных материалов, в которых состояние намагниченности соответствует степени упорядоченности ДС, а процессы перемагничивания всегда связаны с ее перестройкой.
6
Цель работы
Разработка фрактальной модели перемагничивания эпитаксиальной пленки ФГ как процесса эволюции се фрактальной доменной структуры. Для достижения поставленной цели были сформулированы промежуточные более частные задачи:
1. Магнитооптическими методами и методами фрактальной геометрии исследовать доменную структуру (ДС) и се поведение в магнитном поле для феррогранатовых пленок, выращенных в плоскости (111) методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на галлий-гадолиниевых подложках, в условиях неустойчивости фронта кристаллизации.
2. Построить феноменологическую модель перемагничивания реального ферромагнетика (то есть с учетом взаимодействия доменной границы с дефектами), включающую в себя механизм образования фрактальных доменных структур.
3. Провести апробацию модели с помощью компьютерного моделирования. Па основе полученных данных установить зависимость фрактальных характеристик доменных структур от параметров пленки и внешних условий.
4. Определить влияние функции распределения магнитных дефектов в плоскости пленки на геометрию ДС.
5. Рассмотреть возможность практического применения исследуемых пленок и разработанной модели.
Научная новизна
Выбранный подход, в рамках концепции фрактала, к анализу процесса перемагничивания феррогранатовой пленки является оригинальным, что позволило получить ряд новых результатов:
1. Впервые детально исследованы эпитаксиальные феррогранатовые пленки, выращенные в условиях концентрационной неустойчивости фронта кристаллизации: кристаллическая структура, геометрия доменной структуры и ес поведение в магнитном поле. Впервые установлено,
7
что основной причиной образования фрактальных доменных кластеров в пленках феррогранатов являются стенки дислокаций, ограничивающие блоки кристаллической структуры.
2. Рассмотрена фрактальная природа процесса перемагничивания. В рамках концепции фрактала предложена модель перемагничивания исследуемых пленок, позволяющая предсказать основные параметры и форму петли гистерезиса.
3. Впервые проведено компьютерное моделирование процесса перемагничивания этих пленок.
4. Найдена связь между функцией распределения магнитных полей дефектов в плоскости пленки и геометрией доменной структуры.
5. Рассмотрена возможность использования модели доменной структуры и процесса перемагничивания в исследуемых пленках для анализа процессов перемагничивания иол и кристаллического ферромагнетика.
Научно-практическое значение работы
]. Результаты исследования ДС напряженных пленок феррограната и ее поведение в магнитном поле позволяют распространить представления и методы фрактальной топологии на описание доменных структур и процессов их перемагничивания.
2. Проведенные исследования показывают также, что модель доменной структуры и процесса перемагничивания, разработанная для напряженных пленок феррограната, может быть использована для описания аналогичных процессов в тонких слоях поликристаллического ферромагнетика, которые применяются в качестве запоминающей среды для магнитных дисков. Понимание физических процессов, протекающих в процессе записи, позволяет влиять на характеристики носителей информации путем изменения технологии их производства.
3. Спицифика доменной структуры в исследуемых пленках и ее перестройки в магнитном поле позволяют использовать их в учебном процессе - имен-
8
но для наблюдения и демонстрации скачков Баркгаузена, и изучения процессов перемагничивания.
На защиту выносятся следующие положения:
> результаты экспериментальных исследований геометрии ДС и ее перестройки в магнитном поле при наличии критических напряжений, определяющих вид ДС в плоскости пленки;
> феноменологическая модель фрактальной доменной структуры и процесса перемагничивания;
> методика компьютерного моделирования процесса развития плоских фрактальных доменных кластеров в магнитном поле.
Публикации
Но теме диссертации опубликованы 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертационной работы сто две страницы, включая тридцать три рисунка и библиографию содержащую восемьдесят семь наименований.
Основное содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются задачи исследования и основные результаты, выносимые на защиту, а также дается краткая аннотация диссертационной работы.
Первая глава “Магнитные пленки и концепция фрактала в магнетизме” является литературным обзором, который условно можно разделить на две части:
- Київ+380960830922