ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 5, с. 701-703
УДК 537.611.3
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПОРЯДОК-БЕСПОРЯДОК В ДОМЕННЫХ СТРУКТУРАХ ФЕРРИТ-ГРАНАТОВЫХ ПЛЕНОК
© 2010 г. Ю. А. Мамалуй, Ю. А. Сирюк
Донецкий национальный университет, Украина E-mail: uam@mail.donbass.com, juliasiryuk@gmail.com
Изучены фазовые переходы порядок—порядок и порядок—беспорядок, происходящие в доменной структуре феррит-гранатовых пленок при изменении температуры или магнитного поля. Показано, что на вид фазовых переходов оказывает влияние структура доменных границ.
Большое многообразие доменных структур (ДС), наблюдаемых в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов, обусловлено наличием смешанной анизотропии. Наряду с природной кристаллографической кубической в пленке есть ростовая одноосная анизотропия. Соотношение констант анизотропии определяет особенности ДС и фазовые переходы (ФП) в них. Так, если в кубических ферромагнетиках происходят в основном ФП вида порядок—беспорядок, например структурные фазовые переходы, или ФП при упорядочении сплавов, то в доменных структурах феррит-гранатовых пленок наблюдаются как фазовые переходы порядок—порядок, так и ФП порядок—беспорядок. Рассмотрим оба вида фазовых переходов, происходящих в доменной структуре при изменении температуры или магнитного поля.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Нами были изучены фазовые переходы при изменении температуры (Т) или магнитного поля (Н) в разных доменных структурах, как в регулярных (решетка ЦМД, сотовая структура), так и в нерегулярных (кластерная, ячеистая, аморфная). Для получения достоверных результатов при изучении фазовых переходов в регулярных ДС был разработан способ получения термодинамически равновесной доменной структуры путем воздействия на ДС импульсным монополярным магнитным полем, перпендикулярным плоскости пленки. В качестве критерия равновесности при экспериментальных исследованиях были приняты следующие требования. При сохранении условий формирования: 1) ДС должна сохраняться сколько угодно долго; 2) ДС можно вновь создать с теми же параметрами. Доменную структуру наблюдали благодаря эффекту Фарадея на магнитооптической установке, в которой была предусмотрена возможность изменения температуры в интервале
100—500 К и действия магнитными полями, перпендикулярными плоскости пленки: импульсным (частота 400 Гц, амплитуда 60 Э) и полем смещения двух направлений. Исследования проводили на пленках разного состава с развитой поверхностью (111) и фактором качества Q > 5 при комнатной температуре.
1. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПОРЯДОК-ПОРЯДОК
С учетом требований равновесности изучены фазовые переходы в решетке ЦМД, вызванные изменением температуры [1]. Было обнаружено, что решетка, сформированная при 300 К, сохраняется после выключения импульсного поля в некотором температурном интервале (хотя является уже неравновесной), на обоих концах которого в решетке ЦМД происходят фазовые переходы 1-го рода, различающиеся своим характером. При удалении от точки магнитной компенсации (Тк) в решетке происходят ФП в двухфазную структуру с сохранением числа доменов, при приближении к Тк — ФП в новую решетку с уменьшением числа доменов.
В сотовой ДС при изменении температуры также наблюдали фазовые переходы 1-го рода: при удалении от Тк в новую сотовую ДС с уменьшением числа доменов, при приближении к Тк — в двухфазную ДС (состоящую из блоков сотовой ДС, разделенных страйпами) с уменьшением числа доменов [2]. Для объяснения экспериментальных результатов была использована концепция магнитостатического давления [3], что позволило определить механизм фазовых переходов как в решетке ЦМД, так и в сотовой структуре. Описанные выше спонтанные ФП в решетке ЦМД и сотовой ДС — это фазовые переходы вида порядок—порядок.
Рассмотрим индуцированные магнитным полем ФП в решетке ЦМД при Т = const. На ДС можно действовать полем смещения двух направ-
702
МАМАЛУЙ, СИРЮК
Виды доменных структур: а — решетка ЦМД, 300 К; б, в — ДС вблизи Тн и Тк соответственно; г — сотовая ДС; д, е — ДС после ФП в СДС и СДС2.
лений: Н> 0, если Н М, (М? — намагниченность
насыщения внутри ЦМД) и Н < 0 при Н Им,. Было обнаружено, что в положительном поле при Н = Нк (Нк — поле коллапса решетки ЦМД) в решетке происходит ФП 1-го рода, т.е. исчезает каждый центральный домен гексагональной упаковки. Тем не менее некоторый порядок сохраняется, т.е. такой ФП можно классифицировать тоже как ФП вида порядок—порядок. При Н < 0 в решетке происходит ФП 2-го рода в сотовую структуру. Это тоже ФП порядок—порядок.
2. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПОРЯДОК-
БЕСПОРЯДОК ПРИ ИЗМЕНЕНИИ Т
Этот вид фазовых переходов рассмотрим более подробно. Приведены исследования ДС пленки состава (ЮdTm)з(FeGa)5O12 с развитой поверхностью (111). Толщина пленки Н = 3.3 мкм, температура Нееля Тм = 443 К, точка магнитной компенсации Тк = 80 К, намагниченность насыщения при комнатной Т 4пМ? = 410 Гс. Изучены фазовые переходы вблизи критических точек — температуры Нееля и точки магнитной компенсации, т.е. там, где намагниченность насыщения пленки очень мала. При нагревании пленки, вблизи Тм (при Т = 0.98Тн) решетка ЦМД (рисунок, а) переходит в неупорядоченную структуру — разделенные страйпами одиночные ЦМД (рисунок, б) или в аморфную решетку ЦМД. Вблизи температуры компенсации наблюдается переход решетки ЦМД в аморфную решетку (рисунок, в). Все это — фазовые переходы порядок—беспорядок.
На спонтанные ФП порядок—беспорядок, которые происходят вблизи Тм и Тк, оказывает влияние изменение структуры доменных границ. Исследуемые нами решетки ЦМД создавали импульсным магнитным полем. При действии импульсного поля на доменную структуру в температурном интервале, где намагниченность насыщения пленки большая (т.е. вдали от Тм и Тк), в доменной стенке создаются вертикальные бло-ховские линии (ВБЛ). С ростом Т количество ВБЛ в замкнутой доменной стенке уменьшается [4]. При температуре Т = 0.98 Тм все ЦМД преобразуются в домены с простой блоховской стенкой, для которой S = 1 ^ — эффективное число оборотов по азимутальному углу в доменной границе замкнутого домена), т.е. в доменной границе происходит ФП. Это вызывает фазовый переход порядок—беспорядок в доменной структуре. При понижении температуры вблизи точки компенсации наблюдается резкое увеличение периода ДС, которое приводит к аннигиляции ВБЛ в доменной границе [5]. В результате в ДС происходит тоже ФП порядок—беспорядок.
3. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СОТОВОЙ СТРУКТУРЕ ПРИ Т = const
С увеличением поля |Н < 0| в сотовой доменной структуре (СДС) происходит ФП 1-го рода в ячеистую структуру. Свойства доменной структуры зависят от способа ее формирования [2]. Изучены два вида сотовой структуры. СДС1 создается путем наложения поля смещения Н < 0 на равновесную решетку ЦМД, сформированную импульсным полем; СДС2 формируется импульсным полем в присутствии Н < 0, а затем импульсное поле выключается. Обе структуры являются равновесными, выглядят одинаково (рисунок, г), но отличаются своими свойствами. При одинаковом поле смещения магнитостатическое давление СДС2 больше магнитостатического давления СДС1. Это приводит к тому, что фазовый переход в СДС2 происходит при меньшем поле смещения, чем в СДС1 [2]. Кроме того, СДС1 и СДС2 различаются структурой доменных границ. Поскольку СДС2 создается импульсным полем в присутствии Н < 0, количество ВБЛ в доменных границах этой структуры меньше, чем в СДС1. В результате в двух сотовых структурах происходят разные фазовые переходы.
При увеличении поля |Н < 0| в СДС1 происходит ФП в двухфазную структуру, состоящую из кластеров гексагональной СДС, разделенных ячеистой структурой (рисунок, д). Фазовый переход начинается на дефекте, где магнитостатиче-ское давление более изотропно. Центральный шестиугольный домен гексагональной упаковки превращается в пятиугольный домен, затем — в
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 74 № 5 2010
ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПОРЯДОК-БЕСПОРЯДОК В ДОМЕННЫХ СТРУКТУРАХ
703
ЦМД, который уменьшается в размере и исчезает (коллапсирует). При этом структура шестиугольных доменов преобразуется так, что некоторые домены увеличиваются, перемещаются и занимают место исчезнувших ЦМД, образуя пятилепест-ковые "цветы" с ЦМД внутри. Таким образом происходит ФП с уменьшением числа доменов в кластерную сотовую ДС, разделенную ячеистой ДС. Поскольку в кластерах наблюдается порядок, этот фазовый переход можно классифицировать как ФП порядок—порядок.
В другой сотовой структуре, в СДС2, при увеличении |Н < 0| происходит фазовый переход в ячеистую структуру (рисунок, е), состоящую из пятилепестковых "цветов". Внутри "цветка" находится пятиугольный домен, уменьшившийся в размерах, а лепестки — шестиугольные деформированные домены. Некоторые домены смещаются таким образом, что образуют "цветы" с двумя маленькими доменами в сердцевине. ЦМД, находящиеся в центре пятилепестковых "цветов", образуют устойчивую структуру, которая сохраняется при увеличении отрицательного поля. Фазовый переход из гексагональной СДС2 в ячеистую структуру происходит с уменьшением числа доменов. Его можно классифицировать как фазовый переход порядок—беспорядок.
ВЫВОДЫ
В доменной структуре феррит-гранатовых пленок фазовый переход порядок-порядок происходит при изменении температуры или магнитного поля тогда, когда доменные границы имеют сложную структуру, т.е. в "жесткой" решетке ЦМД или сотовой ДС. Фазовый переход порядок-беспорядок происходит при изменении температуры вблизи TN или Тк, или при изменении поля смещения (в СДС2), т.е. в тех случаях, когда в доменных границах малое количество ВБЛ.
Таким образом, структура доменных границ оказывает влияние на вид фазовых переходов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мамалуй Ю.А., Сирюк Ю.А., Безус А.В. // Физика тв. тела. 2003. № 9. С. 1645.
2. Мамалуй Ю.А., Сирюк Ю.А., Завадский Э.А.// Изв. РАН. Сер. физ. 2005. Т. 69. № 7. С. 1023.
3. Барьяхтар В.Г., Горобец Ю.И. Цилиндрические магнитные домены и их решетки. Киев: Наук. думка, 1988. С. 102.
4. Барьяхтар Ф.Г., Линник А.И., Прудников А.Н., Ходосов Е.Ф. // Физика тв. тела. 1985. Т. 27. № 8. С. 2503.
5. Логунов М.В., Юдина С.
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.