Моделирование и фрактальный анализ процесса перемагничивания напряженных феррогранатовых пленок

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 дефектов, 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 границ (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 чЮ10) см" 2 изменяет не только динамические, но и статические 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 настоящее 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 1010см" 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 в 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.

Цель работы.

Разработка фрактальной модели перемагничивания эпитаксиальной пленки ФГ как процесса эволюции ее 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 ее поведение в магнитном поле для феррогранатовых пленок, выращенных в плоскости (111) методом жидко-фазной 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. На 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 ее поведение в магнитном поле. Впервые установлено, 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 поликристаллического ферромагнетика.

Научно-практическое значение работы.

1. 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 — именно 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 пленкифеноменологическая модель фрактальной доменной структуры и процесса перемагничиванияметодика компьютерного моделирования процесса развития плоских фрактальных доменных кластеров в магнитном поле.

Публикации.

По 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.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем.

1. Впервые экспериментально исследованы геометрия доменной структуры и процесс перемагничивания феррогранатовых пленок, выращенных в условиях неустойчивого фронта кристаллизации. Обнаружено, что конфигурация доменной структуры в этих пленках при всех значениях внешнего магнитного поля вплоть до поля насыщения представляет собой плоские фрактальные агрегаты. Причем минимальный размер домена совпадает с размером кристаллического блока. Детально изучен процесс перемагничивания таких образцов и установлено, что этот процесс происходит как развитие фрактальных доменных кластеров.

2. Экспериментально установлено и подтверждено теоретическими расчетами, что доменная стенка является комбинированной: участки стенки ограничивающие свободные концы нитевидных доменов, представляют собой простую стенку Ландау-Лифшицабоковые стенки нитевидных доменов являются жесткими, содержащими большое число вертикальных блоховских линий;

3. Впервые в рамках концепции фрактала получено выражение для плотности энергии пленки с фрактальной доменной структурой. Минимизация энергии по размеру кластера позволила вычислить отношение подвижности простой стенки к подвижности жесткой стенки, а также плотность вертикальных блоховских линий (-450). Полученные результаты качественно согласуются с экспериментом.

4. Исходя из результатов экспериментальных исследований, предложена феноменологическая модель, в которой доменная структура представляется совокупностью жестких плотноупакованных.

90 однодоменных блоков, связанных диполь-дипольным магнитоста-тнческим взаимодействием. На основе предложенной модели сконструирована компьютерная программа, имитирующая процесс перемагничивания. Результаты компьютерного моделирования — кривая перемагничивания и спектр фрактальной размерности доменных агрегатов — совпадают с результатами эксперимента с точностью, ограниченной погрешностью эксперимента. Компьютерная апробация показывает, что предложенная модель позволяет описать петлю гистерезиса в исследуемых пленках и предсказать геометрию доменной структуры в зависимости от характеристик пленки и функции распределения магнитных полей дефектов в ее плоскости.

5. Разработанный метод исследования может быть использован для анализа процессов перемагничивания поликристаллических ферромагнетиков, теоретического описания которых пока нет.

6. Специфика доменной структуры в исследуемых пленках и ее перестройки в магнитном поле позволили использовать материалы диссертации в учебном процессе — в частности для наблюдения и демонстрации скачков Баркгаузена и изучения процессов перемагничивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.