научная статья по теме ЛОКАЛЬНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В МАГНИТНОЙ ПЛЕНКЕ, ВЫЗВАННАЯ ВНЕШНИМ ИНДЕНТОРОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ЛОКАЛЬНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В МАГНИТНОЙ ПЛЕНКЕ, ВЫЗВАННАЯ ВНЕШНИМ ИНДЕНТОРОМ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 3, с. 242-247

ТЕОРИЯ МЕТАЛЛОВ

УДК 539.216.2:537.624.21.001

ЛОКАЛЬНАЯ АНИЗОТРОПИЯ В МАГНИТНОМ ПЛЕНКЕ, ВЫЗВАННАЯ ВНЕШНИМ ИНДЕНТОРОМ

© 2014 г. А. Б. Борисов, Е. С. Демина

Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

e-mail: bor1947@gmail.com Поступила в редакцию 21.05.2013 г.; в окончательном варианте — 28.07.2013 г.

Исследовались магнитные характеристики пленки под действием внешнего индентора. Показано, что магнитоупругое взаимодействие приводит к дополнительной магнитной анизотропии, которая в зависимости от значений магнитоупругих постоянных может быть любого знака. Исследованы влияния геометрических параметров задачи на магнитоупругую энергию.

Ключевые слова: задача Герца, метод Терадзавы, магнитоупругое взаимодействие.

DOI: 10.7868/S0015323014030024

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия вызывают повышенный интерес солитоны, вихри и другие нелинейные возбуждения в низкоразмерных магнетиках [1—8]. Экспериментально установлено, что в тонких ферромагнитных пленках с сильной перпендикулярной анизотропией типа "легкая ось" под действием гармонического или монополярного импульсного магнитного поля при определенных условиях происходит самоорганизация распределений намагниченности. Из лабиринтной доменной структуры формируются новые структуры — ведущие центры типа мишеней — концентрические магнитные домены, спиральные домены и доменные структуры с высокой степенью трасля-ционной и ориентационной упорядоченности [9—13], наблюдаемые с помощью магнитооптического эффекта Керра. Отличительными особенностями таких структур являются статическая устойчивость и существенная нелинейность. Магнитные структуры не исчезают, как в активных средах, после выключения поля накачки — времена жизни мишеней и спиральных доменов на несколько порядков превышают период магнитного поля. Поэтому сложные стационарные структуры в магнетиках одновременно можно считать дефектами основного состояния среды. Теоретическое описание простейшего типа магнитных дефектов — магнитных мишеней в ферромагнетике затруднено выбором подходящей модели. С помощью теоремы Деррика нетрудно показать,что в двумерном одноосном ферромагнетике с плотностью энергии

E = [

((

d V

I

w 2 м

да _ K dr¡' dr¡ J 2

2

а 3

_ M0H3a 3

(1)

не существует локализованных магнитных структур. Здесь A — константа обменного взаимодействия; K — константа магнитной анизотропии; H3 — внешнее постоянное магнитное поле вдоль оси анизотропии; M0 — спонтанная намагниченность, а компоненты единичного вектора намагниченности параметризуются в виде:

а,! = sin0(x,^)ео8ф(х,y); а2 = sin0(x,у^тф(х,y); а3 = cos0(x, y).

Известно [14], что в модели Гейзенберга существует решение типа вихревой мишени

а3 = sn

Q ln Г, k

k Го _

; Ф = 0(ф-фо),

(2)

где (г, ф) — полярные координаты; Q — топологический заряд вихря; 8п[х, к] — эллиптическая функция Якоби с модулем к. Видно, что поле а3 нелокализовано при г ^ да и имеет сингулярный характер при г ^ 0. Отметим также, что учет магнитной анизотропии (как следует из численных вычислений в работе [15]) приводит к локализации мишени при г ^ да, но оставляет сингулярности в начале координат, что противоречит экспериментальным данным.

Таким образом, для корректного описания структуры мишеней необходим учет дополнительных взаимодействий. Наиболее подходящим для этой цели является магнитоупругое взаимодействие, поскольку в эксперименте структура типа мишени образовывалась вокруг дефекта в пленке, созданного действием индентора. Поэтому необходимо учитывать влияние упругих напряжений,

создаваемых индентором, на магнитные характеристики пленок.

Цель настоящей работы — исследовать магнитные характеристики пленок под действием внешнего индентора. Статья спланирована следующим образом. В первом параграфе мы находим распределение упругих полей смещений при вдавливании сферического индентора в пленку из феррит-граната определенной толщины. Показано, что решение этой задачи сводится к решению задачи контактной теории упругости с определенными граничными условиями. Для нахождения напряженного состояния мы применяем метод Терадза-вы. Полученные выражения для осесимметричных полей смещений зависят от упругих постоянных пленки, ее толщины и характеристик индентора. Во втором параграфе проведен анализ магнито-упругой энергии, зависящей от полей намагниченности, и полученных нами упругих деформаций. Это позволяет найти эффективную энергию магнитной пленки. Показано, что магнитоупру-гое взаимодействие приводит к дополнительной одноосной магнитной анизотропии С(г), которая в зависимости от значений магнитоупругих постоянных может быть любого знака. Численные расчеты показывают, что функция С(г) доминирует над постоянной одноосной анизотропией на расстояниях порядка сотен магнитных длин и ее учет необходим при определении структуры магнитных мишеней.

1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МАГНИТНОЙ ПЛЕНКЕ, СОЗДАВАЕМЫХ ВНЕШНИМ ИНДЕНТОРОМ

Полная плотность энергии пленки под действием упругих напряжений индентора имеет вид

ж = + ж + ж + ж + ж + ж =

' ' ' ' ППЛ/1 1 ' ' ЯН 1 ' ' \Л \Г 1 ' ' \7ТТГ1 1 ' ' МРТ 1 ' ' Т*НРТТТ

( А ^ (да да 2 , \дг,' дг

I=1 у ' ' 1

К 2 ,

--а * +

2 *

(3)

+ жм.у + жуПр - 2 яаи0

- М0Н3а3,

где жм у и ^щр — магнитоупругая и упругая энергии пленки соответственно, -1 Ла М0 — магнито-

2 0

статическая энергия, обусловленная диполь-ди-польным взаимодействием элементарных атомных магнитных моментов.

Рассмотрим отдельно каждое из этих слагаемых. Отметим вначале, что в экспериментах наблюдают усредненное по толщине пленки распределение намагниченности. Поэтому при малой толщине пленки без потери общности можно рассматривать только двумерное распределение,

однородное по толщине пленки. Кроме того, в первом приближении наблюдаемые магнитные мише-

7 2 2 X + у ),

и далее мы рассмотрим только этот случай.

Как показано в работе [14], для вихревых конфигураций типа

0 = 0(г), ф = Ф + Фо, (4)

где г и ф — полярные координаты, при выборе постоянной ф0, равной я/2, магнитостатическое поле Я равно нулю и не будет учитываться далее.

В кубических кристаллах в первом приближении (достаточном для решения нашей задачи) магнитоупругая энергия у

у, *)а а к

к=1 г=1 3

(5)

(В1 - В2)^иц(х, У, *)а ¡а I

1=1

зависит от компонент тензора упругих деформаций иав

и -1

и ав = 2

ди а +д_и1

дхв дх„

Магнитоупругие постоянные В1 и В2 изменяются в широких пределах [16] от —9 х 106 до 3 х 107 Дж/м3. Наконец, упругая энергия № определяется полиномом второго порядка

жупр = ^ити к + и

(6)

с коэффициентами Ляме ц и X.

Найдем далее распределение полей смещений при вдавливании сферического индентора радиуса р в пленку из феррит-граната толщиной й. Геометрия задачи приведена на рис. 1, где ¥ — сила нагружения; а — радиус контактной площадки. Такие задачи являются типичными в контактной теории упругости. К настоящему времени известно [17, 18] решение задачи об упругом контакте недеформированного индентора с полупространством, на которое нанесено покрытие, когерентно связанное с подложкой. При вдавливании сферического индентора в магнитную пленку можно пренебречь деформацией подложки и решение задачи определяется граничными условиями, которые имеют вид:

на границе г = 0: ст^ = 0 для всех значений г и ст^ = 0 при г > а;

2

** = - 3 л/1 - (г~) пРи г < а

(7)

- ¥

где р = —- — среднее контактное давление. па

Рис. 1. Геометрия задачи.

гласно которому поля Ur и Uz выражаются через функцию Лява Ф(г, z),

Ur = -

д 2Ф(г, z) дг dz

; uz = (1 - 2v)

d 2Ф(г, z)

dz2

+

(д2Ф(г, z) , 1 дФ(г, z)

v = -

(10)

+ 2(1 -V) 2 г

V дг г дг у 2(к + ц)

При этом функция Лява является решением би-гармонического уравнения

ААФ(г, г) = 0. (11)

В нашей задаче смещения и напряжения при г ^ да будут стремиться к нулю, и к бигармониче-скому уравнению можно применить прямое преобразование Ханкеля

на границе z = — d:

Uz = 0; arz = 0.

^¡к,к = 0, где aik = U + XUikU,

H —^ + I+ (^ + M) x

Ф (a, z) = | Ф(г, z)rJ0(a г )dr.

(12)

(8)

Здесь aaß — компоненты тензора напряжения; Uz — компонента смещения вдоль оси z. Решение подобной задачи, но с граничными условиями для смещения Uz при z = 0, приведено в монографии [18]. В нашем случае задана внешняя нагрузка и граничные условия (7) при z = 0 мы задаем как в задаче Герца [19].

Как неоднократно отмечалось (см. [20] и цитированную там литературу) в статических уравнениях равновесия для полей смещений Ц (i = 1, 2, 3), следующих из (3), можно пренебречь влиянием полей намагниченности. В случае осесимметричного нагружения, которое нас интересует в дальнейшем, поля Ц не зависят от угла ф в цилиндрической системе координат (r, z, ф) и U = (U, 0, Uz). Тогда уравнения для полей смещений

Тогда (11) сводится к обыкновенному уравнению для Ф (а, г)

^ -а21 Ф (а, г) = 0, 4г )

решением которого будет функция

Ф(а, г) = (А + а гВ)е ~аг + (С + а гБ)е аг. (13)

Постоянные А, В, С, Б определяются граничными условиями (7), (8). Их удобно записать с помощью функции

¥(а) = -

3p(aacos(aa) - sin(aa)) 4aa3(-1 + e4da + 4e 2dada)|i

в следующем виде

a =2(v- e2da(da+v)) в = ^(a);

3

a

a

ii

принимают стандартный вид линейной теории упругости:

д % х ,д %г

Ц-2- + (X + Ц)-1 +

дг дгдг

х О чГ и г 1 диг д %) „

V г г дг дг

1 диг д2и,

--г +-; '

г дг дг

Г1 диг д%) л _ .ди;

х I -—г- +-г- I + (X + 2ц)—г = 0.

Vг дг дгдг) дг

Для определения полей смещений Лг и иг мы используем, как и в [17], метод Терадзавы [22], со-

r\ 2da / 1 / 1 2da\ \

C = 2e (da + (-1 + e )v) ^a).

(14)

a

2da

(9)

Б = Ве2

После обратного преобразования Ханкеля

ад

Ф(г, г) = |Ф (а, г)а/0(а г)^ а (15)

0

выражения для смещений (10) примут следующий вид:

Ur = je —ax¥(a)Vr (a, zj^a^a;

0

ад

Uz = je -ax¥(a)Vz (a, z)/0(ra)da.

(16)

z

0

ад

0

Здесь величины Уг(а, г), У.(а, г) зависят от параметров задачи:

Vг(а, г) = (-2 - га + е2Са(2 + 2Са + га - 2v) + + 2v + е2(2сС+г)а(-2 + га + 2у) -

- е2{Л+г)а(-2 + 2Са + га + 2у),

V,.(а,г) = 1 - га + е2Са(-1 + 2dа + га + 2v) -

- 2v + е2(2d+г)а(1 + га-2у) + +

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.

Показать целиком