Контрольные вопросы

1. Ферромагнетизм. Ферромагнетики.

2. Температура Кюри.

3. Магнитная анизотропия.

4. Магнитострикция.

5. Ферримагнетики.

6. Гистерезис процесса перемагничивания ферромагнетиков.

7. Магнитомягкие, магнитотвердые материалы.

8. Потери при перемагничивании.

9. Применение магнитных материалов.

10. Осциллографический метод исследования петли гистерезиса.

4.4. Исследование доменной структуры магнитных пленок

Цель работы: исследование сквозной по толщине магнитной пленки доменной структуры магнитооптическим методом.

Приборы и принадлежности: поляризационный микроскоп, окуляр-микрометр, электромагниты, амперметр, генератор импульсов Г5-15, магнитные пленки.

Теоретическая часть

К настоящему времени в электронике сформировалось новое направление - функциональная магнитоэлектроника, в котором изучаются магнитоэлектронные эффекты и явления в магнитоупорядоченных средах, а также возможность создания приборов и устройств обработки и хранения информации с использованием динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы [11,15,17]. В качестве таких неоднородностей успешно применяются магнитные домены, представляющие собой изолированные однородно намагниченные области в ферро- или ферримагнетиках. Детальное исследование доменов проводится, как правило, в ферродиэлектриках, синтезированных в виде тонких пленок, в которых возможно существование сквозных по толщине пленок доменов.

Основы теории доменной структуры

Если ферромагнетик не намагничен до насыщения, он разбивается на домены для уменьшения магнитостатической энергии. Процесс разбиения заканчивается тогда, когда выигрыш в магнитостатической энергии за счет образования более мелких доменов станет меньше энергии, необходимой для образования новых доменных границ. В тонких пленках (пластинах) ферромагнетиков с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пленки, возможно существование сквозных по толщине магнитных доменов [11,17]. Минимуму энергии п ленки в нулевом внешнем поле соответствует лабиринтная доменная структура (рис. 4.4.1, а) или структура в виде решетки цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) (рис. 4.4.1, б).

Д

Рис. 4.4.1. Виды доменных структур

оменная теория основана на предположении, что намагниченность является однородной внутри домена, а ее направление изменяется только внутри стенки домена. Простейшая модель доменной структуры - изолированная граница между двумя однородно намагниченными доменами. В безграничность ферромагнетике энергия доменной границы минимальна, если граница параллельна оси легкого намагничивания и, следовательно, намагниченности в доменах, а внутри границы намагниченность параллельна ее поверхности. В этом случае магнитостатическая энергия равна нулю. При переходе от одного домена к другому направление намагниченности внутри границы изменяется вокруг оси, перпендикулярной плоскости границы. Доменные границы такого типа называют блоховскими. Очевидно, возможны два направления вращения намагниченности - две хиральности (рис. 4.4.2, а). Поворот намагниченности при переходе от одного домена к другому может происходить в плоскости, перпендикулярной плоск ости границы. Такая граница, называемая неелевской, связана с возникновением на ней магнитных полюсов. В неелевской границе также возможны две хиральности (рис. 4.4.2, б).

Если намагниченность внутри доменов направлена по норм

Рис. 4.4.2. Виды доменных границ

али к плоскости пленки, то размагничивающее поле имеет компонент, параллельный плоскости пленки, которая изменяется по ее толщине. Вблизи поверхности кристалла такая граница обладает неелевской структурой, а в центре пленки - блоховской. В доменной теории для плотности энергии _w и ширины _w, блоховской границы существуют следующие выражения:

_w = 4(АК_u)^1/2, (4.4.1)

_w =  (А / К_u)^1/2, (4.4.2)

а соответствующие значения для неелевской границы записываются как

_w^N = 4(А(К_u + 2M_s ²))^1/2, (4.4.3)

_w^N =  (А / (К_u + 2М_s ²))^1/2, (4.4.4)

где А - константа обмена, К_u - константа одноосной анизотропии, М_s - намагниченность насыщения материала.

При сильной анизотропии магнитостатическая энергия мала по сравнению с энергией обменного взаимодействия. Это означает, что энергия границ с блоховской и неелевской структурами слабо отличается и поэтому в них существует большое число разных типов границ. В одной и той же границе могут быть участки с различным направлением разворота намагниченности. Они отделяются друг от друга линиями Блоха [11,17]. Блоховские линии являются также одним из типов динамических неоднородностей, и на их основе созданы приборы для обработки и хранения информации [15]. Ширина границ в магнитооптических кристаллах _w ~ 10 - 100 нм, что существенно меньше оптического разрешения микроскопа, и для изучения тонкой структуры границ используют косвенные методы [11].

Р авновесные размеры любой доменной структуры можно определить, исходя из баланса эффективных полей или давлений, действующих на доменные границы. Результаты расчета с помощью теории полосовых доменов зависимостей l/h от Р₀/h приведены на рис. 4.4.3 (где l - характеристическая длина; Р₀ - равновесный период полосовых доменов; h - толщина кристалла).

И

Рис. 4.4.3. Зависимость характеристической длины l от периода Р₀

золированный цилиндрический магнитный домен (ЦМД) [17] в однородном поле стабилен в определенном интервале поля, направленном противоположно намагниченности внутри ЦМД. При Н_СМ < Н₂ (Н_СМ - поле смещения, Н₂ - поле эллиптической неустойчивости) ЦМД переходит в полосовой домен. С точность до нескольких процентов выполняется соотношение

Н₀ / 4М_s = 1 + 3 l / 4h – (3 l / h)^1/2, (4.4.5)

по которому можно рассчитать намагниченность материала. Здесь Н₀ - поле коллапса ЦМД.

Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитооптические методы, основанные на эффекте Фарадея: различные домены по-разному вращают плоскость поляризации линейно поляризованного света, проходящего через образец. Соответственно при наблюдении в поляризованном свете домены с разным направлением намагниченности будут выглядеть темными или светлыми. Именно этим методом получены фотографии, приведенные на рис. 4.4.1. Домены обычно имеют размеры 1 - 100 мкм, поэтому для измерений используют поляризационный микроскоп. Аналогично можно проводить наблюдения в отраженном свете, используя эффект Керра [11].

Для измерения размеров доменов в настоящей работе микроскоп снабжен окуляром-микрометром. На предметном столике микроскопа установлена система электромагнитов в виде соосных катушек (рис. 4.4.4) с исследуемым образцом 4 в центре. Электромагнит 1 с источником постоянного тока создает постоянное поле смещения Н_СМ, электромагнит 2 с генератором Г3 - 18 - переменное низкочастотное поле Н_НЧ, Электромагнит 3 с генератором Г5 - 15 - импульсное поле Н_И. Все магнитные поля направлены вдоль светового луча 5 - 5 перпендикулярно плоскости образца 4. Переменное поле Н_НЧ служит для размагничивания кристалла и выстраивания полосовых доменов, импульсное поле - для разрыва полосовых доменов и образования решетки ЦМД. Для изучения структуры доменной границы используется наклонное освещение 6 - 6.

С

Рис. 4.4.4. Блок-схема лабораторного стенда

труктуру доменных границ изучают с помощью косвенных методов. Наиболее информативным и наглядным является их наблюдение с помощью поляризационного микроскопа в режиме темнопольной подвески. При этом луч подсветки падает на кристалл под верхним углом (луч 6 - 6 на рис. 4.4.4) и затем проходит мимо объектива, в котором видна дифракционная картина от неоднородностей кристалла. Такими неоднородностями с точки зрения магнитооптических эффектов являются доменные границы. При темнопольной подсветке кристалла получается изображение доменных границ с различной интенсивностью на разных участках границы.

Например, при наличии линий Блоха в границах происходит локальное уменьшение (увеличение) интенсивности изображения доменной границы.