научная статья по теме НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ДОМЕННЫХ СТЕНОК В ТРЕХСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СЛОЯМИ Физика

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ДОМЕННЫХ СТЕНОК В ТРЕХСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СЛОЯМИ»

^ ТЕОРИЯ

МЕТАЛЛОВ

УДК 539.216.2:537.611.3

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ДОМЕННЫХ СТЕНОК В ТРЕХСЛОЙНЫХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ СЛОЯМИ

© 2011 г. М. Н. Дубовик, Б. Н. Филиппов

Институт физики металлов УРО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 18 Поступила в редакцию 03.05.2011 г.

Путем численного решения нелинейного уравнения Ландау и Лифшица при точном учете всех основных взаимодействий: обменного, магнитно-анизотропного и диполь-дипольного (в континуальном приближении) исследована нестационарная динамика доменных границ в тонких многослойных магнитных пленках с наноразмерными слоями. Установлены сценарии нелинейного динамического преобразования внутренней структуры стенки в трехслойной пленке со слоями, отличающимися намагниченностью насыщения. Показано, что любые скорости нестационарного движения стенок (средние по периоду, максимальные на периоде, заданные при фиксированных полях) в слоистых пленках с намагниченностями среднего слоя, меньшими намагниченности внешних слоев, оказываются всегда больше скоростей однослойных пленок той же толщины и с той же средней намагниченностью насыщения, что и в многослойных пленках.

Ключевые слова: доменная стенка, динамика, магнитные пленки.

случая безграничного кристалла, но в которой впервые было показано, что существует критическое значение Нс внешнего магнитного поля Н (обычно направляемого вдоль оси легкого намагничивания), при превышении которого движение доменной стенки перестает быть стационарным и возникают временные осцилляции скорости движения. При этом со временем изменяется не только скорость доменной стенки, но и ее структура, причем настолько существенно, что фактически в процессе движения происходит переход от одного типа доменной стенки к другому (например, от блоховской стенки к не-елевской) и обратно. Такое поведение в конечном итоге связано с нарушением при Н = Нс баланса вращающего момента, действующего на намагниченность М, что ведет к прецессии М вокруг направления оси легкого намагничивания. Эти важнейшие результаты, впервые объяснившие физическую природу явления движения доменной стенки, удалось получить только при учете магнитостатических взаимодействий, играющих, даже в случае их малой относительной величины, определяющую роль.

В магнитных пленках, где необходимо учитывать связанные с конечностью их размеров дополнительные магнитостатические полюса, уже в исходном статическом состоянии структуры стенок оказываются иными по сравнению со структурами, рассмотренными в [20]. Это приводит к тому, что и сценарии динамической перестройки структуры стенок в пленках будут совсем иными, чем в безграничных

ВВЕДЕНИЕ

Динамические свойства доменных стенок (ДС) имеют большое значение в исследовании параметров магнитных материалов. В настоящее время эти свойства достаточно широко изучены в магнитных пленках с перпендикулярной (см., например, [1—5]) и плоскостной (см., напр., [6—16]) анизотропией, а также в магнитно-многоосных пленках [17—19]. В данном сообщении мы остановимся на случае пленок с плоскостной анизотропией, обладающих малым фактором качества О = К/4пМ в, где К — константа одноосной магнитной анизотропии, а Ы3 — намагниченность насыщения. Эти пленки можно условно разделить на толстые и тонкие, в зависимости от того является ли их толщина Ь > Ьм или Ь < Ь№ где Ьм представляет собой толщину пленки, ниже которой существуют только неелевские стенки, а выше — асимметричные вихреподобные блоховские стенки. Для пермаллоевых пленок безмагнито-стрикционного состава Ьм ~ 40 нм. Динамические свойства пленок с Ь > Ьм исследованы достаточно хорошо на основе численного решения уравнений Ландау и Лифшица [6—16] при точном (безмодельном) учете всех основных взаимодействий, включая диполь-дипольное в континуальном пределе. При этом рассмотрены двухмерные устойчивые конфигурации намагниченности. Фактически эти исследования явились обобщением известной работы Шраера и Уокера [20], которая была выполнена для

595

3*

кристаллах. Так в [9] было показано, что при движении стенки происходит превращение асимметричной блоховской вихреподобной стенки в асимметричную неелевскую (двухвихревую) стенку и обратно. В [11, 12] были установлены два новых сценария перестройки структуры стенки: 1) смещение вихре-подобного образования от одной поверхности пленки к другой с последующей его аннигиляцией на этой поверхности и зарождением нового вихрепо-добного распределения М с противоположной ки-ральностью на первой поверхности; 2) туннелирова-ние вихря через центр стенки. На основе данных [11, 12] впервые удалось установить немонотонную зависимость критического поля от толщины пленки и намагниченности насыщения и выявить причины того, что значения критических полей Нс, полученные согласно [20], существенно меньше полей, следующих из экспериментов. Аналогичные результаты, но с дополнительными особенностями поведения средней по времени скорости стенки, были получены совсем недавно в магнитных страйпах [21—23]. Отметим наиболее важный результат, фактически содержащийся во всех работах, посвященным различным объектам: магнитным пленкам, страйпам, нанопроволокам, магнитным нанотруб-кам. Оказалось, что, как и в безграничных кристаллах [20], основные физические причины движения доменных стенок являются качественно одинаковыми. Во всех случаях существует критическое поле, осцилляционное поведение стенок и немонотонная зависимость средней по времени скорости движения от напряженности внешнего магнитного поля.

Недавно были получены данные по динамике стенок в пленках Ь < Ьм [24]. Оказалось, что, несмотря на совершенно иную исходную структуру соответствующих этим толщинам неелевских стенок, а также иные сценарии их динамического преобразования, в данном случае также существуют критические поля и другие особенности поведения стенок, предсказанные в [9, 11]. Кроме того, было установлено, что в области толщин Ь < Ьм с утонением пленки происходит увеличение критического поля Нс и увеличение средних и максимальных за время движения скоростей стенки, соответствующих любому фиксированному полю Н.

Из-за различных трудностей в осуществлении численных экспериментов, связанных с решением уравнения Ландау и Лифшица, значительно меньше внимания пока уделено исследованию нелинейного движения стенок в многослойных пленках. Ограничиваясь пленками с плоскостной анизотропией, заметим, что для них данные по динамике стенок были получены только для толстых (Ь > Ьм) пленок [25, 26]. При этом оказалось, что сценарии нелинейного динамического преобразования структуры стенок в них могут существенно отличаться от соответствующих сценариев для однослойных пленок, в частности, выполняться с участием трех и четырех

вихреподобных образований. Кроме того, было показано, что критическое поле может быть значительно увеличено при наличии тонких слоев, отличающихся намагниченностью насыщения. Возникает вопрос: не может ли многослойность тонкой пленки с Ь < Ьм привести к еще большему увеличению скоростей движения стенки? Кроме физических закономерностей, лежащих в основе такого возможного эффекта, он интересен также тем, что позволял бы иметь дело с более толстыми пленками в области Ь < Ь№ что в ряде случаев могло бы оказаться более удобным. Пока нелинейная динамика стенок в слоистых пленках малой толщины Ь < Ьм не исследована. Частично ликвидировать этот пробел и призвана предлагаемая работа.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В данном сообщении рассматриваются трехслойные магнитные пленки со слоями, обладающими одноосной анизотропией. Оси легкого намагничивая (ОЛН) всех слоев ориентированы вдоль одного и того же направления, лежащего в плоскости пленки. Свяжем с этим направлением ось г координатной системы хуг, а так же единичный вектор с, а ось у направим вдоль нормали к слоям пленки. Размеры пленки вдоль х и у предполагаются бесконечно большими по сравнению с ее толщиной Ь. Единственной равновесной структурой доменной стенки в рассматриваемых достаточно тонких пленках Ь < Ьм является неелевская стенка с одномерным распределением намагниченности. Однако согласно [24] в процессе движения структура стенки может сильно изменяться и распределение намагниченности в ней может оказаться двухмерным. В такой ситуации, исключая из рассмотрения возможное образование блоховских линий и следуя [25, 26], можно ограничиться двухмерной моделью распределения намагниченности М в некоей расчетной области V, полагая, что М = М(л, у). Расчетная область имеет вид параллелепипеда, протяженного вдоль направления г, с прямоугольным поперечным сечением в плоскости лу. Из-за слоистости пленки все возможные параметры, характеризующие материал будут зависеть от координаты у. Однако согласно данным работ [25, 26] наиболее интересные результаты получаются для случая, когда слои отличаются только намагниченностью насыщения. Именно этот случай и будет рассмотрен далее.

Исследование нелинейной динамики стенок с двухмерной внутренней структурой производится на основе численного решения уравнения Ландау и Лифшица, которое запишем в следующем безразмерном виде, введя параметр затухания: а

(1 + а2))) ддт = - [т к ег ]-а [т, [ть ег ]], (1)

где т = т(л, у) = М(х, у)/М5(у) , т = ?—реальное время, у — гиромагнитное отношение, ИеГ — безраз-

мерное эффективное поле, в котором движется намагниченность, равное

И = 2

Л

д т

+ 2

2

д т

дп2.

+

+ 2клс (ст) + (И(т) + И))), И (у) = И, (у)/Мкл = К„/М(

h = н/Мо- И(т) = Н(т)/Мо,.

(2)

£ = -, П = / !

'о ч

у

1о =

Ло

VМsо у

(3)

Н — внешнее магнитное поле. Величина Н(т) представляет собой магнитостатическое поле, которое вычисляется из уравнений магнитостатики с соответствующими граничными условиями на поверхностях пленки, представляющими собой условия непрерывности нормальной составляющей индукции и тангенциальной составляющей напряженности магнитостатического поля.

Далее в качестве базовых пленок мы рассматриваем пермаллоевые пленки безмагнитострикцион-ного состава, имеющие следующие параметры: А0 = = 10-6 эрг/см, К = 103 эрг/см3, М0 = 800 Гс.

На границах расчетной области используются следующие услов

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