Оглавление
ВВЕДЕНИЕ...................................................................5
Глава 1. Литературный обзор...............................................10
1.1. Основные положения теории микромагнетизма............................10
1.2. Доменные структуры, стенки, их внутренняя структура. Вертикальные и горизонтальные линии Блоха................................................12
1.3. Динамические свойства доменных границ и линий Блоха..................16
1.4. Магнитооптическое детектирование магнитных структур..................21
1.4.1. Магнитооптические эффекты и магнитооптическая микроскопия в проходящем и отраженном свете......................................22
1.4.2. Способы улучшения пространственного разрешения и детектирующей способности магнитооптической микроскопии..........................29
1.4.3. Метод анизотропного темного поля. Дифракция света на магнитных структурах....................................................... 35
1.4.4. Сканирующая зондовая микроскопия магнитных микроструктур 42
Глава 2. Экспериментальная установка и методика эксперимента.^
2.1. Установка высокоскоростной фотографии и анизотропного темноиолыюго наблюдения...........................................................48
2.2. Компьютерная система регистрации и обработки изображений........53
Глава 3. Исследование формирования изображения магнитных микроструктур при рассеянии света и его пространственной фильтраци.................................................................55
3.1. Наблюдение ВБЛ и ДГ в различных геометриях метода анизотропной темнопольной подсветки....................................................55
3.1.1. Наблюдение линий Блоха при помощи метода PADO - polarized anisotropic dark field observation.................................55
3.1.2. Наблюдение ВБЛ и ДГ в модифицированной геометрии анизотропного темного поля..................................................... 61
2
3.1.3. Физический механизм формирования изображения линий Блоха в модифицированной геометрии анизотропной темнопольной подсветки.......65
3.2. Наблюдение магнитных микро- и наноструктур с применением магнитооптической микроскопии темного поля.................................67
3.2.1. Наблюдение коллапса цилиндрических магнитных доменов..........67
3.2.2. Возможности применения метода темного поля при изучении динамики перс.мш ничивания монодоменных наночастиц............................70
3.3. Визуализация ВБЛ методами компьютерной обработки оптических изображений................................................................73
3.4. Отличительные особенности магнитооптической микроскопии темного поля; возможности и ограничения методики при наблюдении магнитных микро- и наноструктур...............................................................76
Глава 4. Исследование динамических преобразований внутренней структуры доменных границ с применением метода темного поля.......................................................................80
4.1. Исследование динамики доменных границ и зарождения линий Блоха в импульсных полях смещения..................................................80
4.2. Исследование продвижения ВБЛ при воздействии импульсными полями в плоскости..................................................................88
Глава 5. Модификация структуры доменной границы локальным
лазерным воздействием.......................................................101
5.1. Методика эксперимента..................................................101
5.2. Перемещение вергикальных линий Блоха в результате локального лазерного воздействия..................................................................104
5.3. Зарождение линий Блоха. Влияние параметров оптического воздействия на характер модификации доменной границы........................................105
5.3.1. Зарождение линий Блоха путем локального лазерного воздействия 105
5.3.2. Влияние степени фокусировки оптического излучения на вероятность зарождения ВБЛ при его локализации в центре полосового домена.106
3
5.3.3. Влияние положения светового пучка относительно ДГ на зарождение ВБЛ.................................................................107
5.3.4. Влияние мощности лазерного пучка на зарождение ВБЛ...........110
5.4. Динамические процессы в доменной структуре и ДГ после воздействия импульса лазера....................................................................111
5.5. Обсуждение результатов...............................................114
5.6. Новые возможности оптической записи-считывания информации в магнитных
средах...................................................................118
ВЫВОДЫ ..................................................................121
ЛИТЕРАТУРА................................................................124
4
ВВЕДЕНИЕ
Исследование рассеяния электромагнитного излучения в локально-неоднородных средах является классической радиофизической задачей, решаемой во многих областях науки и техники (радиолокации, медицине, атмосферных исследованиях, при изучении аэрозолей, взвесей и т.д.). Облучение вещества и наблюдение пространстве иного спектра рассеяния применяется в широком диапазоне длин волн излучения и позволяет изучать неоднородности самого различного пространственного масштаба и физической природы. В данной работе методами рассеяния света с пространственной фильтрацией решаются задачи детектирования и исследования субмикронных магнитных структур.
Проблема детального изучения равновесных и возникающих в ходе перемагничивания (динамических) распределений намагниченности на субмикронных пространственных масштабах является одной из ключевых в современном прикладном и фундаментальном микромагнетизме. Среди соответствующих высокоразрешающих экспериментальных методик значительные надежды возлагаются на магнитную силовую микроскопию. Хотя при исследовании магнитных микроструктур данная методика обеспечивает пространственное разрешение порядка десятков нанометров, ее применение сопровождается трудностями в интерпретации получаемых изображений, неконтролируемом воздействии микрозонда на распределение намагниченности в образце и наоборот, малой скоростью процесса сканирования, делающей невозможным наблюдение быстропротекающих процессов в реальном времени.
В то же время значительным нереализованным потенциалом при детектировании и изучении таких магнитных образований, как доменная граница (ДГ) и ее субструктура (вертикальные и горизонтальные блоховские линии — ВБЛ и ГБЛ, блоховские точки), имеющих сложное распределение намагниченности и характерный размер в десятые и сотые доли микрона, обладают основанные на регистрации рассеянного излучения и его пространственной фильтрации методы оптической микроскопии темного поля. Относительная простота экспериментальной реализации, потенциальная возможность детектирования структур, размеры которых находятся за пределом оптического разрешения традиционной микроскопии, и возможность проведения динамических исследований в реальном времени делают методы темного поля привлекательными для изучения субмикронных магнитных структур.
Наибольший успех в применении метода темного поля для регистрации и изучения субструктуры доменных границ был достигнут А.Тиавиллем и Ж.Милтой, которые разработали метод анизотропной темнопольной подсветки (PADO - polarized anisotropic
5
dark-field observation) и впервые визуально зарегистрировали линии Блоха в ферритах-гранатах с перпендикулярной анизотропией.
Несмотря на достаточную изученность явления дифракции света на регулярных доменных структурах и даже реальное применение этого эффекта, многие вопросы, относящиеся к механизмам формирования темнопольного изображения магнитной структуры, особенностям применения методов рассеяния света и его пространственной фильтрации в магнитных исследованиях, их возможностям и ограничениям, остаются невыясненными.
С другой стороны, поиск новых физических механизмов и материалов, допускающих изменение параметров вещества на субмикронном пространственном масштабе в результате оптического воздействия, представляет значительный интерес в связи с возможностью их применения в новых поколениях устройств оптической и термомагнитной записи информации.
В рамках обозначенных выше проблем цель работы — разработка новых подходов к детектированию и исследованию мезоскопических магнитных структур с применением оптических методов, а также изучение влияния локализованного оптического излучения на эти структуры и возможности их зарождения путем оптического воздействия. На примере магнитных пленок ферритов-гранатов (ФГ) с перпендикулярной анизотропией в работе решались следующие задачи:
1. Разработка надежных и информативных подходов к детектированию и исследованию микро- и наноразмерных магнитных структур методами рассеяния света и его пространственной фильтрации.
2. Изучение статических и динамических свойств мезоскопических структур в пленках ферритов-гранатов с перпендикулярной анизотропией, исследование влияния этих структур на макроскопические процессы перемагничивания.
3. Исследование механизмов модификации внутренней структуры доменных границ и зарождения мезоскопических магнитных структур путем локализованного лазерного воздействия; рассмотрение возможности применения данных механизмов для создания устройств хранения и обработки информации.
6
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана методика исследования статических и динамических свойств магнитных микро- и наноструктур путем совместного применения методов магнитооптического рассеяния света, его пространственной фильтрации и высокоскоростной фотографии.
2. Исследована (на примере пленок ФГ с одноосной анизотропией) геометрия односторонней темнопольной микроскопии при произвольном угле падения света относительно плоскости доменных границ. Найдены условия падения света и пространственной фильтрации рассеянного излучения, при которых предложенная методика имеет максимальную обнаружительную способность, обеспечивающую визуализацию вертикальных линий Блоха за счет магнитооптической дифракции света непосредственно на распределении намагниченности в линии.
3. Путем совместного применения методов темного поля и высокоскоростной фотографии исследована динамика доменных границ, вертикальных и горизонтальных линий Блоха в пленках ферритов-гранатов. Изучен характер преобразования внутренней структуры ДГ на различных этапах ее движения при воздействии импульсными полями смещения. Установлены особенности влияния топологии ВБЛ на ее динамические свойства в планарных продвигающих магнитных полях.
4. Обнаружены эффекты зарождения и продвижения вертикальных линий Блоха в доменных границах под действием сфокусированного лазерного излучения.
Практическая ценность. Диссертационная работа относится к исследованию физических основ микро- и нанотехнологий магнитных материалов. Полученные результаты могут быть использованы при разработке оптических методов детектирования и изучения магнитных нано- и микроструктур; исследовании и разработке новых типов устройств хранения и обработки информации с полностью оптической адресацией. Результаты проведенных исследований, в частности, обнаружение и исследование эффектов зарождения и продвижения ВБЛ в доменной границе пленки ФГ под действием сфокусированного лазерного излучения позволили предложить новый способ записи-считывания магнитного бита информации размером меньше или порядка 0,1 мкм путем локального оптического воздействия.
7
Научные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Экспериментальная и теоретическая разработка методов визуализации ВБЛ и других мезоскопических магнитных структур в пленках ФГ на основе эффектов магнитооптического рассеяния света. Создание уникальной исследовательской установки, объединяющей методы темного поля, пространственной фильтрации рассеянного излучения и высокоскоростной фотографии, позволяющей получать статические и динамические изображения одного и того же участка магнитной структуры в различных геометриях темнопольной микроскопии и микроскопии проходящего света.
2. Экспериментальное определение зависимости динамических свойств ВБЛ от топологии линии и направления ее движения (эффект невзаимности) при продвижении линии Блоха магнитным полем, направленным в плоскости магнитной пленки вдоль доменной границы. Создание и обоснование физической модели эффекта на основе предположения об изменении процесса генерации петель горизонтальных линий Блоха на фронте движущейся ВБЛ (как основного механизма ограничения скорости ВБЛ) в зависимости от топологии ВБЛ и геометрического профиля ДГ в месте локализации линии.
3. Обнаружение новых эффектов зарождения и продвижения вертикальных линий Блоха в доменных границах пленки феррита-граната под действием сфокусированного лазерного излучения. Выявление общих закономерностей эффектов и определение оптимальных параметров оптического воздействия, обеспечивающих контролируемое зарождение линий Блоха.
4. Экспериментальное обоснование модели, связывающей природу эффектов зарождения и перемещения ВБЛ с движением доменных границ, вызванным локальным изменением распределения полей размагничивания в результате температурного уменьшения намагниченности в месте фокусировки лазерного луча.
5. Обоснование нового подхода к разработке способов зарождения и считывания субмикронных магнитных мезоскопических структур с использованием оптических методов.
Апробация результатов. Основные результаты, изложенные в диссертации,
докладывались на: V и VI Международных конференциях МММ - ИНТЕРМАГ
(Питсбург, 1991; Альбукерк, 1994); X Всесоюзном объединенном семинаре по проблеме
ЦМД-ВБЛ (Москва, 1991); ХШ и XIV Всесоюзных, XV Всероссийской, XVI, XVII и XVIII
Международных Школах-Семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Астрахань, 1992; Москва, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002); VI Международной конференции по ферритам (Токио, 1992); Конференции ИНТЕРМАГ (Стокгольм, 1993); I Всероссийской и П Международной конференции "Проблемы фундаментальной физики" (Саратов, 1996, 2000); Всероссийской научной конференции "Физика конденсированного состояния" (Стсрлитамак, 1997); научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, 1999); X Международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине" (Сочи, 1999); II Международной конференции молодых ученых и специалистов “Оптика - 200 Г’ (Санкт-Пегербург, 2001); XIX научно-технической конференции “Высокоскоростная фотография и фотоника” (Москва. 2001).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 22 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 137 страниц, включает 65 рисунков, 1 таблицу и 164 библиографические ссылки.
Глава 1. Литературный обзор.
1.1. Основные положения теории микромагнетизма.
Современные теоретические исследования свойств ферромагнетиков базируются на микромагнитном подходе. Основные положения микромагнитной теории таковы [I]:
- состояние магнетика описывается вектором намагниченности М в каждой точке образца;
- вектор намагниченности представляет собой усредненный по физически бесконечно малому объему атомный магнитный момент;
- вектор намагниченности постоянен по модулю в любой точке образца и может отличаться только направлением (что справедливо при не очень больших внешних полях и вдали отточки Кюри).
Магнитные ионы, входящие в состав магнетика, взаимодействуют друг с другом, с кристаллической решеткой, а также с внешним магнитным полем (если последнее присутствует), поэтому полная энергия магнетика содержит ряд слагаемых различной природы, а именно: энергию неоднородного обменного взаимодействия \У,*;М
(однородное обменное взаимодействие в слабых магнитных полях и в области температур, далеких от точки Нееля и точки компенсации, можно не учитывать), магнитостатическую энергию энергию анизотропии и энергию взаимодействия с внешним магнитным полем [1,2,3]. Также в ряде случаев необходимо учитывать и магнитоупругую энергию [2,3].
Плотность энергии неоднородного обменного взаимодействия, обращающаяся в ноль только в случае однородно намагниченного кристалла, описывается формулой [ 1 ]
. дт дт
которая для кубических магнетиков сводится к виду [ 1,3]
ии, = Д(Ут)2. (2)
где Аг* — константы тензора обменных постоянных, А — константа обменного взаимодействия, т = Й/М.
Магнитостатическая энергия, возникающая вследствие дииоль-дипольного взаимодействия магнитных моментов, обладает объемной плотностью [3]
^=^я.«2 = -^(яим). (3)
10
Вне магнетика поле Нм называют полем рассеяния, а внутри — размагничивающим полем. В однородно намагниченной безграничной пленке плотность магнитостатической энергии составляет [3)
= 2л{Мп), (4)
где п — орт вдоль нормали к поверхности.
Энергия магнитной анизотропии характеризует зависимость полной энергии магнетика от направления вектора намагниченности, не связанную с присутствием внешнего магнитного поля. Плотность энергии магнитокристаллической анизотропии определяется симметрией кристалла и описывает неэквивалентность различных ориентаций вектора М относительно ребер элементарной ячейки.
В эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов наряду с магнитокристаллической анизотропией существует так называемая наведенная анизотропия, являющаяся, по-существу, разновидностью поверхностной анизотропии, усиленной, например, за счет некубического упорядочения различных редкоземельных ионов в додекаэдрических позициях в процессе выращивания пленок. Если пленки выращивают на подложках, нормаль к которым совпадает с кристаллографическими осями типа <111> или <100>, то наведенная анизотропия является строго одноосной, и плотность ес энергии описывает выражение [1J
«U Sin26>. (5)
где — константа наведенной одноосной анизотропии, угол 0 отсчитывается от
нормали к поверхности пленки. В любом другом случае наведенная анизотропия является ромбической [I] (т.е. с тремя взаимно перпендикулярными неэкаивалентиыми осями анизотропии).
Во внешнем магнитном поле И вектор М взаимодействует с ним, в результате чего возникает дополнительная энергия, плотность которой равна [1]
wH = -(МЙ). (6)
Возможные типы устойчивых распределений намагниченности в образце соответствуют абсолютному или относительному минимуму полной энергии магнетика. Задача определения равновесного распределения намагниченности формулируется в виде вариационного принципа минимума полной энергии образца
**Wfc+wi,+w.+w#r) = o где Зм - вариация энергии по компонентам намагниченности при условии М 2= Const.
п
- Киев+380960830922