Исследование 90°-го импульсного намагничивания плёнок ферритов - гранатов с анизотропией типа лёгкая плоскость

Оглавление
Введение.................................................................3
Глава I. Основная информация о процессах 90°-го импульсного намагничивания и перемагничивания магнитных материалов (по литературным данным)......................................................8
§1.1. Введение..........................................................8
§ 1.2. Уравнения движения намагниченности. Особенности их применения к
исследованию переходных процессов в пермаллоевых плёнках................8
§1.3. Свободные колебания намагниченности в пермаллоевых плёнках 17
§1.4. Основные результаты исследования режимов 90°-го импульсного
намагничивания и перемагничивания в пермаллоевых плёнках...............25
§1.5. Результаты исследования процессов 90°-го импульсного
намагничивания и перемагничивания монокристаллов бората железа 32
§ 1.6. Определение эффективных полей анизотропий на установках, предназначенных для исследования переходных процессов в магнитных
плёнках...............................................................37
§1.7. Информация об импульсных свойствах плёнок ферритов-гранатов с
анизотропией типа "лёгкая плоскость"...................................41
§ 1.8. Постановка задачи исследования..................................44
Глава II. Методика исследования импульсных свойств плёнок ферритов-
гранатов с анизотропией типа ’’лёгкая плоскость”.........................45
§2.1. Введение.........................................................45
§2.2. Импульсная индукционная установка................................46
§2.3. Некоторые вопросы формирования намагничивающих импульсов 50
§2.4. Обеспечение требуемой геометрии опыта и отбор исследуемых
плёнок................................................................62
Глава III. Исследование свободных колебаний намагниченности..............67
(ХУ
1
§3.1. Особенности применения уравнений Ландау-Лифшица-Гильбсрта к анализу переходных процессов в плёнках ферритов-гранатов с анизотропией
типа “лёгкая плоскость”...............................................67
§3.2. Анализ свободных колебаний намагниченности в плёнках ферритов-
гранатов..............................................................71
§3.3. Применение свободных колебаний намагниченности для исследования
анизотропии в плёнках ферритов-гранатов...............................73
§3.4. Исследование процесса затухания свободных колебаний.............81
Глава IV. Исследование 90°-го импульсного намагничивания................87
§4.1. Исследование интегральных импульсных характеристик процесса 90°-го
импульсного намагничивания............................................87
§4.2. Исследование угла (рт начального вращения намагниченности.......95
§4.3. Исследование поля излома кривой импульсного намагничивания 102
§4.4. Анализ нелинейных колебаний намагниченности, сопровождающих процесс 90°-го импульсного намагничивания плёнок ферритов-гранатов.... 104 §4.5. Сводка основных особенностей поведения намагниченности в плёнках ферритов-гранатов с анизотропией типа “лёгкая плоскость” при их
импульсном 90°-ом намагничивании.....................................111
§4.6. Численный анализ сигналов импульсного намагничивания...........112
§4.7. Применение режима 90°-го импульсного намагничивания для
определения эффективного поля двухосной анизотропии..................117
Основные результаты и выводы...........................................121
Список литературы......................................................124
2
Введение
Переходные процессы в магнитных материалах широко используются в современной технике для формирования импульсов [1-3], получения мощных релятивистских пучков электронов [4,5], модуляции различного вида излучений [6-12], обработки и хранения информации [13,14]. Открываются новые возможности применения магнетиков в связи с развитием спинтроники [15] и применения нанотехнологий [16,17]. Однако изучение переходных процессов имеет не только прикладное значение, но и представляет самостоятельный научный интерес. Действительно, их протекание связано с фундаментальными процессами взаимодействия спинов между собой и с кристаллической решёткой. Особенности этих взаимодействий проявляются в разнообразии механизмов импульсного намагничивания и перемапшчиваиия, влияют на характер потерь энергии в магнитной подсистеме и, естественно, сказываются на поведении суммарной намагниченности магнетика.
Несмотря на очевидную актуальность обсуждаемой тематики, исследование переходных процессов проводились всего лишь в 9-10 типах магнитных материалов. Из них только в пермаллоевых пленках, плёнках ферритов-гранатов с вертикальной анизотропией, магнитомягких аморфных плёнках и монокристаллах бората железа исследования доведены до понимания основных закономерностей поведения намагниченности. Результаты исследования этих четырех материалов способствовали становлению современной импульсной магнитодинамики. Однако полученная информация в основном относится к процессам 180°-го перемагничивания.
Очевидно, что для дальнейшего развития магнитодинамики желательно расширение как объектов исследования, так и исследуемых переходных процессов. В настоящей диссертации в качестве такого объекта выбраны плёнки ферритов-гранатов с анизотропией типа "лёгкая плоскость". Рассматриваемые плёнки отличаются от перечисленных материалов как типом и количественными характеристиками анизотропии, так и значением намагниченности насыщения, что неизбежно должно сказываться на их импульсных свойствах. Они являются перспективными материалами для устройств интегральной оптики: скоростных модуляторов инфракрасного излучения, управляемых волноводов, рециркуляторов и т.д. [9-11]. В связи с этим необходимо исследование процессов 90°-го импульсного
3
намагничивания, вызываемых перепадами магнитного ноля, ориентированного в плоскости плёнок.
Какая-либо информация о 90°-ом импульсном намагничивании плёнок ферритов-гранатов с анизотропией типа "легкая плоскость" в литературе отсутствует. Практически отсутствует информация и о других переходных процессах, а также об основных характеристиках плёнок, могущих оказывать влияние на их импульсные свойства. Так, было известно, что в этих плёнках наряду с анизотропией типа "лёгкая плоскость", в их плоскости проявляется двухосная анизотропия. Однако в литературе нет никакой информации о величине эффсктивпого поля двухосной анизотропии.
В свете сказанного, основное внимание в диссертации улелепо исследованию закономерностей процесса 90°-го импульсного намагничивания плёнок ферритов-гранатов и их зависимости от плоскостной и двухосной анизотропий. Для получения количественной информации, характеризующей оба типа анизотропии, мы. наряду с изучением нелинейного режима _90°-го импульсного намагничивания, исследовали свободные, колебания намагниченности.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Как уже отмечалось, систематическое изучение импульсных свойств плёнок ферритов-гранатов с плоскостной анизотропией ранее не проводилось. Поэтому, при исследовании 90°-го импульсного намагничивания мы опирались на опыт исследования этого переходного процесса в других магнетиках. Обобщению этого опыта посвящена первая глава диссертации. Анализируется также опыт решения других вопросов, имеющих отношение к теме диссертации. Дастся постановка задачи исследования.
Вторая глава диссертации посвящена методике исследования. Использовалась стандартная индукционная установка, ранее разработанная в нашей лаборатории, которая подверглась модернизации. Так, для повышения точности измерений временных характеристик пленок разработан оригинальный низковольтный искровой обостритель, позволяющий формировать импульсы тока с временем нарастания я 0.3 не. Для возбуждения свободных колебаний намагниченности создан полупроводниковый источник импульсов с длительностью фронта я 0.25 не и общей длительностью, существенно меньшей времени затухания свободных
4
колебаний. Решены вопросы, связанные с нахождением осей лёгкого намагничивания и ориентацией плёнки относительно направления поля.
В третьей главе рассматриваются результаты исследования квазилинейных свободных колебаний намагниченности, возбуждаемых под действием слабых импульсов магнитного поля, ориентированного в плоскости плёнки. Анализируется влияние анизотропии типа "лёгкая плоскость" на величину коэффициента затухания колебаний. Показана возможность использования свободных колебаний намагниченности для определения значений эффективных нолей двухосной анизотропии /7К2 и
анизотропии типа "легкая плоскость" /7Кр. Обсуждается возможность
использования материалов с высоким значением эффективного ноля плоскостной анизотропии Нк? для демпфирования колебаний и повышения
быстродействия технических устройств на магнетиках.
В четвёртой главе обсуждаются результаты исследования процесса 90°-го импульсного намагничивания. Анализируются форма продольных сигналов намагничивания и зависимость скорости намагничивания гт-1 от амплитуды
намагничивающего поля Нт. Исследуется природа излома, обнаруженного на
кривой импульсного намагничивания, характеризующей эту зависимость. Обсуждается природа нелинейных колебаний на частоте ~ 0.5 ГГц сопровождающих процесс намагничивания плёнок в полях Нт > /7т*.
Анализируются годографы вектора намагниченности. Объясняется причина слабой зависимости интенсивности нелинейных колебаний от длительности фронта намагничивающего импульса. Проведён численный анализ сигналов импульсного намагничивания. Предложен способ определения эффективного поля двухосной анизотропии 77^, основанный на анализе сигнала 90°-го
импульсного намагничивания.
В заключении подведены основные итоги диссертационной работы. В частности, на защиту выносятся следующие положения и результаты:
I. Результаты исследования свободных колебаний намагниченности, показавшие, что коэффициент затухания колебаний пропорционален эффективному нолю анизотропии типа "лёгкая плоскость", а также подтвердившие возможность использования свободных колебаний намагниченности для определения эффективных полей двухосной анизотропии и анизотропии типа "лёгкая плоскость";
5
II. Результаты исследования процесса 90°-го импульсного намагничивания плёнок ферритов-гранатов с анизотропией типа "лёгкая плоскость", показавшие, что этот переходной процесс характеризуется следующими особенностями:
1. малым интервалом значений азимутального угла (р (< 5°-6°), в пределах которого происходит обратимое вращение намагниченности;
2. широким диапазоном длительностей процесса (~10*6-1()'9 с);
3. возможностью изменения направления намагниченности на угол, близкий к 90°, при значении амплитуды магнитного поля Нт » 5-6 Э, значительно
меньшего эффективного поля двухосной анизотропии (~ 30-70 Э);
4. наличием излома на кривой импульсного намагничивания, наблюдаемом в поле Нт* ~ 15-20 Э и обусловленном переходом к механизму однородного
вращения намагниченности;
5. наличием глубокого минимума на продольных сигналах намагничивания, наблюдаемого в нолях Нт < Нт\ Это свидетельствует о том, что начальное вращение намагниченности тормозится силами анизотропии, а затем сменяется более медленным механизмом намагничивания;
6. слабой зависимостью интенсивности нелинейных колебаний намагниченности, сопровождающих процесс 90°-го импульсного намагничивания в полях Нт > //т*, от длительности фронта намагничивающего импульса гг
III. Результаты расчётов полей излома кривых импульсного намагничивания #т* и углов начального вращения намагниченности в полях Ят < #т* и их сопоставления с экспериментальными данными, показавшие, что для описания поведения реальных плёнок применима модель однородного вращения намагниченности, а плотность энергии двухосной анизотропии хорошо описывается выражением Ж, = • СО$4(р\
IV. Результаты расчётов сигналов импульсного намагничивания и их сопоставления с экспериментальными сигналами, показавшие, что нелинейные колебания, сопровождающие процесс 90°-го импульсного намагничивания, имеют магнитостатическую природу;
V. Предложен метод определения эффективного поля двухосной анизотропии, основанный на измерении поля излома //П1* кривой импульсного намагничивания. Для оперативного определения поля излома можно использовать зависимость амплитуды начального пика
на продольном сигнале 90°-го импульсного намагничивания от амплитуды намагничивающего поля #1П.
Результаты диссертации были представлены на международных конференциях: XVIII международная школа-семинар "Новые магнитные
материалы микроэлектроники" (Москва, 24-28 июня 2002 г.), XIX
международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 28 июня-2 июля 2004 г.), Fourth International Workshop “Materials for Electrical Engineering”, Mmde-2004, (Romain, May 25-27, 2004), Moscow International Symposium on Magnetism-2005 (MISM-2005) (Moscow, June 25-30, 2005), XX международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 12-16 июня 2006 г.), Moscow International Symposium on Magnetism-2008 (MISM-2008) (Moscow, June 20-25, 2008), и опубликованы в работах f 108], [109], [115], [117], [119], [121], [123], [124], [127], [128], [131].
7
Глава I. Основная информация о процессах 90°-го импульсного намагничивания и псремагпичивания магнитных материалов (по литературным данным).
§1.1. Введение.
К сожалению, мы не обнаружили работ, посвящённых исследованию 90°-го импульсного намагничивания плёнок ферритов-гранатов с плоскостной анизотропией. В этих условиях при проведении намеченных исследований мы были вынуждены опираться на опыт изучения 90°-го импульсного намагничивания в других магнетиках. К настоящему времени этот переходной процесс исследован лишь в двух материалах: пермаллоевых плёнках и монокристаллах бората железа. Что касается первого материала, то основное внимание исследователей уделялось свободным колебаниям намагниченности. Как известно, свободные колебания намагниченности представляют собой частный случай 90°-го импульсного намагничивания, реализуемый в случае, когда амплитуда намагничивающего импульса мала, а длительность его фронта существенно меньше периода колебаний [18]. Что касается непосредственно 90°-го импульсного намагничивания, то наиболее полно этот процесс исследован в боратах железа. В этой же главе обобщается опыт решения других вопросов, имеющих отношение к теме диссертации и, в первую очередь, опыт применения уравнений движения намагниченности к анализу переходных процессов в пермаллоевых плёнках. В ней также обобщается опыт определения значений эффективных полей анизотропий на установках, предназначенных для изучения импульсных свойств магнитных плёнок. В обзоре отмечается отсутствие информации не только об импульсных свойствах интересующих нас плёнок ферритов-гранатов, но и об их основных свойствах и параметрах, могущих оказывать определяющее влияние на импульсное поведение плёнок. В заключение дана развёрнутая постановка задачи исследования.
§1.2. Уравнения движения намагниченности. Особенности их применения к исследованию переходных процессов в пермаллоевых плёнках.
В основе анализа переходных процессов в магнитных материалах лежит применение уравнений движения намагниченности. В настоящее время наиболее часто используют уравнение Ландау-Лифшица [19-22] и Гильберта
8
[20-23]. Без учета диссипации энергии уравнение Ландау-Лифшица имеет вид:
СІМ
= Г'
м,н
ж
Оно описывает однородную прецессию вектора М вокруг эффективного
поля Ис, учитывающего влияние сил, действующих на намагниченность.
Коэффициент у, называемый гиромагнитным отношением, равен %-е/2-т-с, где е - заряд электрона, т - его масса, с - скорость света, значение коэффициента g - называемого фактором Ланде, заключено обычно между 1 и 2 (в зависимости от того, чем в основном обусловлен суммарный момент атома или иона - орбитальным или спиновым моментом). Гиромагнитное отношение у - величина отрицательная. Для большинства магнетиков, в том числе и обсуждаемых в данной работе, £ равно 2, а | у{ = 1.76-107 Э'^с"1.
В известных уравнениях движения намагниченности учёт диссипативных сил производится феноменологически. Так, Ландау и Лифшиц ввели в правую часть уравнения (1.1) дополнительный момент сил, который параллелен
вектору (Нс- М) и уменьшается до нуля, когда вектор намагниченности
—V —>
М становится параллельным эффективному полю Нс. В первоначальном варианте уравнение Ландау-Лифшица имело вид [19]:
СІМ
М,нс
-£•{//,-(М,Я> М/М.;}, (1.2)
/ Ж
где е - положительная постоянная. В настоящее время уравнение Ландау-Лифшица принято записывать в виде:
^=у {м, //„] - я-[м [мД]]/м.?, (1.3)
в котором оно впервые появилось в статье Голта [24]. Тождественность уравнений (1.2) и (1.3) легко доказать, применив к уравнению (1.3) выражение для двойного векторного произведения и положив константу затухания Я равной | у\ -с.
Гильберт [23] предложил иную форму записи уравнения движения намагниченности:
9
с!М г,-, и а
+
=г{м,не]
с/! ^ Мх
м ам
м,—
ж
.(1.4)
В этом уравнении безразмерный коэффициент а называют параметром затухания Гильберта. Уравнение Гильберта описывает поведение момента количества движения (связанного с намагниченностью М ) в вязкой среде. В литературе это уравнение часто называют уравнением Ландау-Лифшица-Г ильберта.
Легко показать [25], что для магнитных материалов с а <0.1 уравнения (1.3) и (1.4) эквивалентны друг другу, если положить:
Х = а-\у\-Мх.{\.5)
В рассматриваемых уравнениях эффективное поле IIс выражается через
функциональную производную плотности свободной энергии ТУ но намагниченности:
Я.—*£.<.. 6)
8М
В сферических координатах уравнение Ландау-Лифшица-Гильбсрта сводится к двум уравнениям [20,22]:
у 8 ТУ
0 =------------------а-(р-$\х\0, (1.4а)
М $ • эт 9 8(р Л 8ТУ
(р-ъ\\\0 =----------+ сс'в, (1.46)
Мх 80
где в и (р соответственно полярный и азимутальный углы, точки означают дифференцирование но времени, а 8\У/80 и 8ТУ/8(р - функциональные производные.
В принципе, все написанные до сих пор уравнения и равенства применимы к широкому кругу магнетиков. Однако при анализе поведения конкретного магнетика могут иметь место особенности, учёт которых может упростить, а иногда и затруднить анализ переходных процессов. Поэтому, прежде чем перейти к анализу свободных колебаний намагниченности в пермаллоевых плёнках, рассмотрим их основные свойства.
Как известно [26-28], пермаллоевые плёнки характеризуются большим значением намагниченности насыщения М8 (~800 Гс). Они имеют поликри-
сталлическую структуру. Размеры кристаллитов в зависимости от толщины плёнок и условий их изготовления могут принимать значения от 50 до 500 А
10