Моделирование безактивационного смещения доменной границы и исследование центров закрепления в тонких пермаллоевых пленках

- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ СТр>
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. Краткий исторический обзор 7
1.1. Взаимодействие дефектов с доменной границей 7
1.2. Численные эксперименты по смещению упругой нити через хаотические сетки точечных препятствий 18
1.3. Экспериментальное исследование поля
дефектов в тонких пермаллоевых пленках 23
ГЛАВА II. Моделирование на ЭВМ смещения гибкой доменной
границы в тонкой пермаллоевой пленке 27
2.1. Описание модели 27
2.2. Описание движения доменной границы по результатам машинного эксперимента 29
2.3. Функции распределения углов излома устойчивых конфигураций при безактиваци-онном смещении доменной границы через хаотические сетки препятствий 35
2.4. Распределение длин сегментов,зависимость средней длины сегмента устойчивой конфигурации доменной границы от внешнего поля 48
2.5. Влияние размагничивающего поля на
процесс смещения доменной границы 55
2.6. Выводы 63
- з -
ГЛАВА III. Аналоговое моделирование процесса 65
смещения гибкой доменной границы
в тонкой ферромагнитной пленке
3.1. Аналоговая модель. Экспериментальная установка. Цель и методика проведения эксперимента 65
3.2. Решение обратной задачи 74
3.3. Выводы 85 ГЛАВА ІУ. Статистические характеристики центров
закрепления доменной границы в тонких перыаллоевых пленках 87
4.1. Объекты исследования 87
4.2. Методика наблюдения и обработки устойчивых конфигураций ДГ 88
4.3. Магнитооптические наблюдения движения доменных границ в исследуемых пермаллоевых пленках 91
4.4. Результаты решения обратной задачи 94
4.5. Движение доменной границы в режиме сползания 99
4.6. Обсуждение результатов 100
4.7. Выводы 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
ПРИЛОЖЕНИЕ III
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 119
- 4 -
ВВЕДЕНИЕ.
В большинстве случае перемагничивание магнитных материалов осуществляется путем смещения доменных границ.. При этом доменная граница взаимодействует с дефектами материала:/- являющимися центрами закрепления, хаотически расположенными в образце и создающими для границы энергетические барьеры [[].
Исследование физических свойств центров закрепления является актуальнейшей проблемой в связи с необходимостью улучшения технологических и эксплуатационных свойств магнитных материалов и повышения их качества. Так, например, использование тонких ферромагнитных пленок в качестве различных устройств в радиоэлектронике [2, ^ требует знания характеристик поля дефектов,
определяющих движение доменных границ.
Во многих случаях взаимодействие доменных границ с дефектами приводит к изменению ее формы, при контакте с препятствием граница изгибается. Это изменение наиболее сильно в том случае, когда дефекты можно считать локализованными, то есть когда среднее расстояние между дефектами много больше радиуса их взаимодействия с границей. Величина изгибов зависит от свойств границы ( ее поверхностной энергии ) и характеристик поля дефектов, которыми являются распределение критических сил взаимодействия дефектов с доменной границей по величине и поверхностная концентрация дефектов. Под силой взаимодействия понимается производная от энергии связи доменной границы с дефектом по координате. Критическая сила - максимальная сила, с которой дефект может удерживать доменную границу. Связь между характеристиками формы доменной границы (случайными изгибами) и характеристиками поля дефектов является основанием для исполь-
- 5 -
.зования доменной границы как зонда для исследования поля дефектов в реальных материалах. В том случае, когда дефектов в образце мало, как, например, в ферритах-гранатах, то с помощью доменной границы можно определить топографию отдельных дефектов и их характеристики. В тех случаях, когда дефектов много, эта связь неочевидна, так как граница останавливается не на всех дефектах, а только на тех, которые обеспечивают ей условие устойчивости.
Эти связи могут быть установлены только статистически.
В разработанной в настоящее время статистической теории необратимых смещений доменной границы установлены соотношения между характеристиками формы границы и характеристиками поля дефектов. Показано, что в определенных случаях возможно однозначное определение статистических характеристик поля центров закрепления доменной границы из экспериментально найденных характеристик ее формы. Однако экспериментальной проверки такой возможности до сих пор не было проведено.
Целью работы являлось: I) методом численного эксперимента установить связи между статистическими характеристиками поля дефектов и характеристиками формы доменной границы и сравнить их с полученными аналитическим путем, 2) разработать методику нахождения характеристик поля дефектов из экспериментально найденных характеристик формы границы ( ее изгибов ), 3) создать аналоговую модель, позволяющую осуществить контроль найденных с использованием разработанной методики характеристик поля дефектов независимыми измерениями и 4) исследовать характеристики центров закрепления доменной границы в тонких пермаллоевых пленках.
В проведенной работе методом численного эксперимента исследовано смещение ДГ в нарастающем поле через сетки точечных препятствий, имеющих статистический разброс по критическим силам.
- 6 -
Предложена аналоговая жидкостная модель смещения доменной границы через локализованные препятствия в тонких ферромагнитных пленках. Проведено исследование центров закрепления в тонких пермал-лоевых пленках. Установлены пределы применимости использования доменной границы, движущейся в режиме сползания, для исследования центров закрепления.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке магнитных материалов для различных устройств, использующих движение доменных границ, так как позволяют из магнитных измерений получить информацию о поле дефектов.
Автор выносит на защиту;
1. Установленные методом численного эксперимента связи между характеристиками поля дефектов и характеристиками формы доменной границы.
2. Разработанную методику нахождения характеристик поля дефектов из экспериментально найденных характеристик случайных изгибов доменной границы.
3. Предложенную аналоговую жидкостную модель смещения доменной границы в тонких пленках, позволяющую контролировать найденные с помощью разработанной методики характеристики независимыми прямыми измерениями.
4. Результаты экспериментального исследования статистического распределения силовых характеристик центров закрепления доменной границы и их концентрации в тонких пермаллоевых пленках.
- 7 -
ГЛАВА I КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
В данной главе проведен обзор работ, посвященных исследованию взаимодействия доменной границы (ДГ) с дефектами. Эта проблема рассматривалась методом численного эксперимента, теоретически и в экспериментах на реальных магнитных материалах. Исследование взаимодействия ДГ с дефектами обычно проводится:
I) изучением взаимодействия отдельных дефектов с ДГ и 2) путем статистического рассмотрения задержки ДГ дефектами. Рассмотрены работы, в которых выбран статистический аспект этой проблемы.
§ 1.1. Взаимодействие дефектов с доменной границей.
Несовершенства кристаллической структуры (дефекты) ферромагнитных материалов существенно влияют на магнитные свойства последних. Дефекты создают энергетические барьеры для ДГ и вызывают задержку ее смещения. Поэтому при изменении внешнего магнитного поля изменение намагниченности происходит необратимо. Это является одним из проявлений магнитного гистерезиса смещения.
Между дефектами и ДГ могут существовать различные типы взаимодействия [4]. Во-первых, дефекты кристаллической решетки являются, как правило,источниками поля внутренних напряжений, что приводит к магнитоупругому взаимодействию намагниченности с дефектами [б] . Во-вторых, за счет изменения обменного взаимодействия между атомами решетки дефект может создавать неоднородности намагниченности [б, 7]. В третьих, вследствие локального изменения энергии спин-орбитального взаимодействия и связанной с ней энергией анизотропии возникает прямая связь
- 8 -
между дефектами решетки и полем намагниченности [ 8 ].
При подходе ДГ к дефекту связанная с ним магнитная энергия в результате его взаимодействия с ДГ изменяется. Производная энергии дефекта по координате ДГ может трактоваться как сила взаимодействия, являющаяся функцией положения ДГ. Поэтому при увеличении магнитного поля и смещения ДГ, контактирующей с дефектом, сила взаимодействия возрастает. При некотором её значении наступит срыв ДГ с дефекта. Максимальную силу, с которой дефект может удерживать ДГ, назовем критической. Она является характеристикой взаимодействия дефекта с ДГ. Критические силы дефектов в образце различаются по величине. Их можно охарактеризовать вероятностным распределением по величинам. Другой характеристикой поля дефектов является средняя концентрация. Поле дефектов с некоррелированными координатами полностью описывается заданием вышеуказанных характеристик.
При взаимодействии с дефектом форма ДГ изменяется. В случае, если ДГ взаимодействует с локализованными дефектами, изменение формы наиболее существенно (рис. 1.1). В месте контакта ДГ с дефектом возникает излом с углом <х (рис.1.2.).
При увеличении поля угол излома возрастает и при некотором критическом угле ос, наступает срыв ДГ с дефекта. Критический угол срыва для данного дефекта является постоянной величиной, однозначно связанной с критической силой, и также является характеристикой дефекта. Описание поля дефектов можно проводить либо в терминах "критические силы", либо "критические углы".
Если сила взаимодействия дефекта с ДГ определена каким-либо способом, то ДГ в малоугловом приближении можно считать упругой нитью, взаимодействующей с сосредоточенными силами. Эта модель для дислокаций была введена Гранато и Люкке в [9]. Обоснование применимости модели струны для ДГ на основе уравнений Ландау-
Рис.1.1. Фотография участка доменной границу в пленке 78М
о
22 Ре (с1 = 55оА ), выявленной порошковым методом. Фотография получена методом темного поля. Светлые точки не являются дефектами пленки.
I •
X
Рис.1.2. Схематическое изображение элемента устойчивой конфигурации ДГ. Точки-ллокализованные препятствия.
- 10 -
Лившица было проведено Боровиком, Кулешовым и Стрежемечным [10]. Задачей описания смещения ДГ через поле локализованных дефектов является отыскание связи между формой ДГ и полем дефектов. В дальнейшем будем использовать модель упругой нити. Модель струны активно использовалась и используется в настоящее время в дислокационной теории. Поэтому далее в обзоре будут также рассмотрены некоторые результаты дислокационной теории.
Упругая нить при взаимодействии с точечными препятствиями изменяет свою форму (рисЛ.2.). Препятствия разбивают конфигурацию нити на ряд сегментов. Взаимодействующую с препятствиями конфигурацию нити можно описать набором углов излома {<*.] и длин сегментов {(;} . При описании смещения нити через сетки точечных препятствий важную роль играют геометрические свойства конфигураций: распределения углов излома и длин сегментов I по величинам, на что впервые было указано в работах Фриделя [II] и [12] Лабушем [13] были получены вероятностные распределения геометрических элементов-углов излома и длин сегментов - для упругой нити, движующей-ся через хаотический массив препятствий, обладающих одинаковой критической силой. Было выяснено, как отражается хаотичность расположения препятствий на свойствах конфигураций. Однако, математический аппарат, использованный в [[З] оказался неприменимым для нахождения характеристик конфигураций, закрепленных на препятствиях со статистическим разбросом критических сил. Ивановым и др. в работах [14, 15] был применен другой математический аппарату который позволил найти вероятностные распределения углов излома <* и длин сегментов I конфигураций в случае препятствий, имеющих статистический разброс по силам.