ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 1, с. 21-26
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.611.3
СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ С ВИХРЕПОДОБНОЙ СТРУКТУРОЙ В МНОГОСЛОЙНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ
© 2013 г. М. Н. Дубовик, Б. Н. Филиппов
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: dubovik@imp.uran.ru Поступила в редакцию 24.05.2012 г.; в окончательном варианте — 17.07.2012 г.
В рамках двухмерной модели распределения намагниченности исследовано влияние слоистой структуры ферромагнитной пленки со слоями, отличающимися значениями намагниченности насыщения MS, на скорость движения доменных стенок с вихреподобным распределением намагниченности. Рассматривались пленки с одноосной плоскостной магнитной анизотропией. Установлено, что в трехслойных пленках с MS приповерхностных слоев, большей, чем у внутреннего слоя, в широком диапазоне значений внешнего поля скорость движения доменной стенки выше, чем в случае однородной пленки с той же средней намагниченностью насыщения.
Ключевые слова: многослойные магнитные пленки, структура доменных стенок, скорость доменных стенок.
Б01: 10.7868/80015323013010051
ВВЕДЕНИЕ
Изучение свойств доменных границ (ДГ) представляет значительный практический интерес, например, в связи с разработкой устройств магнитной записи информации и устройств спинтроники. Квазистатическое и динамическое поведение ДГ лежит в основе процессов намагничивания и перемагничивания, определяющих характеристики магнитных материалов. Существование большого отклика доменных границ на сравнительно небольшие внешние воздействия обуславливает существенный интерес к их исследованию с точки зрения физики нелинейных явлений. Микромагнитная структура ДГ, исследованию которой посвящено большое количество работ, является фундаментальным свойством доменных стенок, определяющим нелинейный характер их динамического поведения.
Важным шагом в развитии представлений о структуре ДГ было предсказание в тонких магнитных пленках доменных стенок с двухмерным распределением намагниченности [1]. Существование таких ДГ подтверждено экспериментально (см., напр., [2]). Согласно данным, имеющимся для магнитомягких пленок с плоскостной одноосной анизотропией, рассматриваемых в настоящей работе, выше некоторой толщины (порядка 40 нм для пленок пермаллоя) стабильны двухмерные вихреподобные блоховские ДГ, а ниже — одномерные неелевские (см., напр., [3]). Статическая структура и динамические свойства вихре-
подобных блоховских стенок были достаточно подробно исследованы (см., напр., [4, 5]) в предположении о том, что пленка является однородной по толщине. Динамика таких ДГ в пленках с несколькими разными по магнитным параметрам слоями рассмотрена в [6, 7]. Было установлено, что наличие слоев с разной намагниченностью насыщения М8 может приводить к существенному изменению сценариев динамической перестройки структуры ДГ, происходящей при движении стенки в полях, больших некоторого критического значения (подробнее см. ниже, а так же в [6, 7]). Это позволило заключить, что многослойность пленки может служить фактором, регулирующим скорость движения ДГ. Сама по себе эта идея не нова, и ее развивали разные авторы (см., напр., [8, 9]) для случая магнитно одноосных пленок с перпендикулярной анизотропией. Следует заметить, что увеличение скорости движения ДГ является актуальной задачей, поскольку может служить способом повышения быстродействия возможных устройств, в которых используются процессы пе-ремагничивания магнитных пленок. Однако расчет средней по времени скорости ^ движения вихреподобных ДГ (именно такая скорость, как правило, измеряется экспериментально) в [6, 7] не производился. Вместе с тем, такой расчет, проведенный для неелевских ДГ, движущихся в пленках со слоями [10], показал, что слоистая структура пленки оказывает существенное влияние на vav. Исходя из сказанного, задачей данной работы
(а)
(б)
// М(х, у) /
М81
*/ М82 О
'/ / Г-а -
- -- ~ V ч
---------------\
' ' -----\ *
' I ' * - \ 1 I ) .....I } > >
ч ^ V - — у // / /
- - —/ '
м = -у[м х Н^-^- [м х м]; Hef = --§£■;
М
5М
/ = —
1 м2
(дм)2 + (дм*
ду
\дх!
2\
(1)
К (М • с) - М • Н -1 м • н
(т)
Здесь у — гиромагнитное соотношение; А — обменный параметр; М8 — намагниченность насыщения; К — константа одноосной анизотропии, с — единичный вектор, сонаправленный с осью легкого намагничивания; Н — напряженность внешнего магнитного поля; Н(т) — напряженность магнито-статического поля, определяемая согласно
Н(т)(г) = -Егаёф(г), ф(г) = и-ВДг^р!
дг г - г
(2)
Рис. 1. Геометрия рассматриваемой задачи и используемые обозначения (а), а так же статическая структура ДГ в двухслойной пленке с М§1 = 600 Гс, ¿1 = 60 нм, М§2 = 1200 Гс, ¿2 = 40 нм в виде проекций намагниченности М на плоскость ху (б). Штриховая линия обозначает линию уровня Мг = 0. Вихреподобное распределение намагниченности смещено в сторону слоя с большим значением намагниченности насыщения, в то время как в однородной пленке оно локализуется симметрично относительно поверхностей. Число ячеек в сетке уменьшено для удобства восприятия.
является установление того, как наличие у пленки слоев с разными значениями М8 влияет на среднюю по времени скорость движения двухмерных вихре-подобных ДГ во внешнем магнитном поле.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим ферромагнитную пленку в виде параллелепипеда, неограниченного в плоскости xz системы координат и имеющего некоторую конечную толщину вдоль оси у (рис. 1а). Ось легкого намагничивания сонаправлена с осью г, и существуют два домена с ориентацией намагниченности вдоль и —г. Разделяющая их 180 ДГ сосредоточена в некоторой расчетной области, имеющей вид параллелепипеда с прямоугольным сечением в плоскости ху. Размеры этого сечения вдоль осей х и у обозначим соответственно а и Ь (толщина пленки). Движение доменной границы исследуется путем численного интегрирования уравнения Ландау—Лифшица с затуханием в форме Гильберта:
М
В соответствии с результатами [6, 7], рассматривались пленки с двумя или тремя слоями с разной намагниченностью насыщения, таким образом, в (1), (2) величина |М| = М8 зависит от координаты у. Направление же вектора -м будем считать функцией М 8
координат х и у (двухмерная модель распределения намагниченности). Внешнее поле Н включалось вдоль положительного направления оси г (т.е. вдоль оси легкого намагничивания).
Для решения (1) с учетом (2) применялся сеточный метод, аналогичный используемому в [1,4—7, 10]: расчетная область разбивалась на ячейки в виде параллелепипедов, протяженных вдоль оси г и имеющих квадратное поперечное сечение в плоскости ху, которое считается макроскопическим, но настолько малым, что каждая ячейка намагничена однородно. Таким образом, направление намагниченности в расчетной области меняется от ячейки к ячейке. В данной работе использовались сетки с числом ячеек 100 х 20 вдоль осей х и у соответственно при толщине пленки 100 нм. При этом размер ячейки не превосходит размера абсолютной однодоменности
10 ~ (А/яМз) ~ 5-10 нм для используемых в настоящей работе значений соответствующих параметров (см. ниже). Другим критерием выбора размера сетки является устойчивость полученных динамических решений. Уравнение (1) решалось с применением метода предиктора-корректора (см. [5]). Исходные распределения намагниченности получались из чис-
Г:/2 Ъ/ 2
I / dxdy
а/2 ¿-Ъ/2
полной энергии стенки в расчете на единицу ее длины по оси г при Н = 0. Подробности можно найти в [6, 7].
Для характеристик слоев пленок будем использовать следующие обозначения. Для двухслойной пленки намагниченность насыщения и толщина верхнего слоя соответственно М81 и Ь1, нижнего — М82 и Ь2 (см. рис. 1а). Для трехслойной пленки намагниченность насыщения и толщина верхнего, среднего и нижнего слоя соответственно М82 и Ь2, М82 и Ь2, М83 и Ь3. Для всех слоев одинаковы параметры А = 10-11 Дж/м, К = 102 Дж/м3. Такая ситуация вполне реальна для пленок со слоями из пермаллоя разного состава [11]. Устанавлива-
ленной
Ь
у
Ь
лось значение параметра диссипации а = 0.1. Согласно экспериментальным данным [12], для перм-аллоевых пленок а = 0.1—0.01, таким образом, было взято одно значение из экспериментально наблюдаемого интервала.
Зависимость мгновенной скорости движения ДГ от величины приложенного внешнего поля является нелинейной и немонотонной — при величине поля, меньшей критического значения Нс, стенка движется с постоянной скоростью, а при Н > Нс ее скорость начинает осциллировать во времени. Неотъемлемым атрибутом движения ДГ является перестройка ее исходного внутреннего распределения намагниченности (подробности см., напр., в [4, 5]).
В случае двухмерной блоховской стенки динамическая перестройка структуры ДГ начинается со смещения вихреподобного распределения намагниченности из равновесного положения в сторону одной из поверхностей пленки. Направление смещения определяется расположением вихреподобного распределения М слева (левосторонняя ДГ) или справа (правосторонняя ДГ) от центральной линии стенки (линии, при переходе через которую меняет знак ^-компонента намагниченности) и направлением внешнего магнитного поля. В частности, при "левосторонней" вихреподобной структуре и ориентации внешнего поля вдоль положительного направления оси г, смещение происходит в направлении к нижней поверхности. Далее при периодической динамической перестройке структуры двухмерной ДГ вихреподобные распределения намагниченности или могут достигать поверхности пленки и аннигилировать, или туннелировать через центральную линию стенки, приводя к преобразованию левосторонней стенки в правостороннюю. Конкретный вид сценария динамической перестройки ДГ зависит от толщины и магнитных параметров пленки, величины внешнего поля [5]. В [6, 7] было установлено, что в пленках со слоистой структурой сценарии динамической перестройки ДГ могут быть иными по сравнению с однородными пленками. Дело в том, что в многослойных пленках вихреподобные распределения намагниченности имеют тенденцию к локали
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.