ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 11, с. 1596-1598
УДК 537.611.3
ЭВОЛЮЦИИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК В ПРОЦЕССЕ ИДЕАЛЬНОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ
© 2007 г. |Л. И. Антонов, Е.В. Лукашева, М. В. Попкова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова E-mail: katya@genphys.phys.msu.ru
Рассмотрены тонкие ферромагнитные пленки с одноосной анизотропией, ось легкого намагничивания которых направлена перпендикулярно плоскости пленки. При помощи методов компьютерного моделирования исследован процесс идеального намагничивания пленок со скрученной однопо-лярной периодической доменной структурой. Показано, что в процессе намагничивания пленки скрученность доменных стенок уменьшается, а магнитная структура становится "бездоменной".
ВВЕДЕНИЕ
Основная техническая характеристика ферромагнитного образца - кривая намагничивания, представляющая зависимость проекции средней намагниченности на направление внешнего поля от величины этого поля. Существуют различные способы намагничивания ферромагнетика, связанные с характером воздействующих на него магнитных полей и с его предысторией. Наиболее распространены три способа намагничивания, которые называют нормальным, начальным и идеальным намагничиванием и описываются соответствующими кривыми. Для физических исследований представляет интерес прежде всего процесс идеального намагничивания, который рассматривается как плотная последовательность равновесных состояний намагниченности при воздействии возрастающего магнитного поля. Идеальная кривая намагничивания - это фундаментальная характеристика образца, не зависящая от характера дефектов.
Существует ряд теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию идеальной кривой намагничивания. В [1] выполнены расчеты для ферромагнитной пластинки с полосовой доменной структурой во внешнем магнитном поле, параллельном поверхности пластины и выведена формула, описывающая форму идеальной кривой намагничивания вблизи насыщения. В [2] методом "сшивки" эмпирических формул Релея и Фрелиха получено выражение для кривой намагничивания ферромагнетиков в полях, меньших поля наиболее крутой части кривой намагничивания.
В [3] приведены результаты экспериментальных исследований идеальных кривых намагничивания мягких поликристаллических ферромагнетиков. Было обнаружено, что идеальные кривые реальных ферромагнетиков идут между теоретическими кривыми, полученными Кондорским, для многоосных и одноосных ферромагнетиков, при-
ближаясь к тому или другому пределу в зависимости от внутренней структуры ферромагнетика.
Существующие модельные описания доменной структуры носят качественный характер и, как правило, используются в случаях предельно большой или предельно малой анизотропии. Однако ни одна модель не удовлетворяет полной системе микромагнитных уравнений и, строго говоря, не является равновесной. Надежные расчеты можно выполнить в приближении микромагнетизма.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей работе рассматриваются тонкие магнитные пленки с одноосной анизотропией, ось легкого намагничивания которых направлена перпендикулярно плоскости пленки. При помощи методов компьютерного моделирования решается двумерная однопериодическая задача и исследован процесс идеального намагничивания пленок со скрученной однополярной доменной структурой.
Для описания идеального намагничивания тонких магнитных пленок в данной работе используется численный метод динамического установления, основанный на временной эволюции распределения вектора намагниченности в соответствии с уравнением Ландау-Лифшица-Гильберта. Если итерационный процесс осуществлять по этому уравнению, то при стационарном значении внешнего магнитного поля происходит убывание полной свободной энергии, а распределение вектора намагниченности стремится к равновесному [4].
Намагничивание осуществляется в плоскости пленки магнитным полем, параллельным плоскости доменных стенок. Для каждого значения магнитного поля численно решается задача об установлении равновесного распределения периодической структуры намагниченности и осуществляется поиск равновесного периода этой структуры [5, 6].
1596
ЭВОЛЮЦИИ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК
1597
1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
0
8 10 12
К
■■ Ну/и5
Не 12
10
10 12
Рис. 1. Идеальные кривые намагничивания тонких одноосных ферромагнитных пленок. Фактор качества
пленок 2 = 0.5, / = А Ш, - характеристическая длина, где А - постоянная неоднородного обменного взаимодействия.
Учитывали следующие виды взаимодействий: обменное, анизотропное, зееманово и магнитостати-ческое.
При расчете нелокального самосогласованного размагничивающего поля для периодических структур решалась тем, что распределение вектора намагниченности описывали рядами Фурье, а размагничивающее поле для такого распределения известно. Единственное ограничение - конечное число членов ряда. В нашем случае использовались 11 членов ряда, что с избытком обеспечивает необходимую точность вычислений. Ошибка составляет не более пяти процентов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Численным интегрированием получены идеальные кривые намагничивания для пленок с различны-
2
ми факторами качества 2 = К/2пМ, при фиксированной толщине пленки Т = 10/, где / = VАК /пМ, -характеристическая длина, К и А - постоянные анизотропии и неоднородного обменного взаимодействия, М\ - намагниченность насыщения (рис. 1). Из представленных зависимостей видно, что чем больше фактор качества пленки, тем большее внешнее поле требуется приложить для получения состояния однородной намагниченности в плоскости пленки. Это можно объяснить тем, что исследовали пленки с одноосной анизотропией типа "легкая ось", перпендикулярной плоскости пленки, а внешнее поле прикладывали в плоскости трудного намагничивания.
Сравнение процессов идеального намагничивания пленок с различными толщинами при фиксированном факторе качества 2 = 0.5 показывает, что поле фазового перехода растет с увеличением толщины пленки (рис. 2). Этот факт можно объяс-
14
Т/1
Рис. 2. Зависимость поля Кюри от толщины пленки. Фактор качества пленки 2 = 0.5.
4.6
8 Н
Рис. 3. Зависимость ширины доменной стенки от внешнего поля для тонкой одноосной пленки с 2 = 0.5.
нить тем, что с увеличением толщины пленки растет компонента намагниченности, перпендикулярная доменной стенке. При этом компонента намагниченности вдоль стенки (вдоль внешнего поля) уменьшается. Это приводит к "завихренности структуры" ДС. Об этом также свидетельствует зависимость остаточной намагниченности от толщины пленки, из которой видно, что с увеличением толщины пленки остаточная намагниченность уменьшается (рис. 3).
Был реализован процесс установления равновесного периода структуры X. Этот процесс осуществляли с помощью корректировки периода структуры на каждом итерационном шаге. Для пленок с большой анизотропией результаты численного счета качественно согласуются с результатами предшествующих работ.
Для анализа эволюций распределения вектора намагниченности при изменении внешнего поля и параметров пленки были построены объемные распределения различных компонент намагниченности по сечению пленки, перпендикулярному до-
8
6
6
8
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 11 2007
1598
АНТОНОВ и др.
1.0 0.5 0
-0.5 -1.0
1.0 0.5 0
-0.5 -1.0
a60.810 1.0
2 Д
Ч* 8 10 12
Рис. 4. Объемные распределения 2-компонент намагниченности по сечению пленки, перпендикулярному доменным стенкам, в отсутствие (а) и при наличии (•) внешнего поля. (И/И8 = 6, Q = 0.5, Т = 51).
менным стенкам, в отсутствие и при наличии внешнего поля (рис. 4). При намагничивании пленки, начиная с некоторого значения внешнего магнитного поля, можно говорить о "бездоменной" структуре. В этом случае реализуется структура, у которой отсутствуют области однородной намагниченности (рис. 46). Кроме того, наблюдается увеличение ширины доменной стенки с увеличением напряженности внешнего магнитного поля. Метод определения ширины доменной стенки такой же, как и в [6].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасенко В.В., Ченский Е.В., Дикштейн И.Е. // ЖЭТФ. 1976. Т. 70. Вып. 6. С. 2178.
2. Ершов Р.Е. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетиков в слабых полях: препринт 1 Кб РАН, Красноярск, 1995.
3. Черникова Л.А. // ЖЭТФ. 1951. Т. 21. Вып. 4. С. 514.
4. Антонов ЛИ, Осипов С.Г., Хапаев М.М. // ФММ. 1983. Т. 55. Вып. 5. С. 917.
5. Антонов Л.И., Лукашева Е.В., Миронова Г.А., Скачков Д.Г. // ФММ. 2000. Т. 90. < 3. С. 5.
6. Антонов Л.И., Миронова Г.А., Лукашева Е.В. и др. Численное моделирование микромагнитных структур в ферромагнитных пленках: препринт < 2/1999 физ. ф-та МГУ, 1999.
а
5
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 11
2007
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.