научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ДВУХМЕРНЫХ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ДВУХСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ ПЕРМАЛЛОЯ С НЕМАГНИТНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ДВУХМЕРНЫХ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ДВУХСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ ПЕРМАЛЛОЯ С НЕМАГНИТНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2010, том 110, № 5, с. 443-450

^ ТЕОРИЯ

МЕТАЛЛОВ

УДК 537.611.3:539.216.2

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ДВУХМЕРНЫХ ДОМЕННЫХ ГРАНИЦ В ДВУХСЛОЙНЫХ ПЛЕНКАХ ПЕРМАЛЛОЯ С НЕМАГНИТНОЙ

ПРОСЛОЙКОЙ

© 2010 г. М. Н. Дубовик, Л. Г. Корзунин, Б. Н. Филиппов

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

Поступила в редакцию 30.03.2010 г.

На основе точного учета основных взаимодействий, включая обменное, магнито-анизотропное и ди-поль-дипольное, путем численной минимизации функционала полной энергии доменной границы в рамках двухмерной модели распределения намагниченности исследованы структуры доменных стенок в двухслойных пленках пермаллоя, разделенных немагнитной прослойкой. Исследованы различия в строении стенок от случая одиночных пленок аналогичных толщин. Построены зависимости полной энергии (а также ее обменной и диполь-дипольной составляющих) в расчете на единицу площади поверхности доменных границ в двухслойных пленках от толщин пермаллоевых слоев и прослойки. Также построена зависимость толщины магнитных слоев, при которой происходит переход от стенок того же типа, что и в одиночных пленках соответствующей толщины, к стенкам иного типа, от толщины прослойки. Проведено сопоставление кривой указанной зависимости с экспериментальными данными.

Ключевые слова: асимметричные доменные границы, двухслойные пленки, немагнитная прослойка, магнитостатическое взаимодействие слоев.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование структуры и свойств доменных границ (ДГ) в пленках магнито-мягких материалов с плоскостной анизотропией имеет как большое практическое, так и научное значение. В частности, представляют интерес многослойные магнитные структуры, используемые, например, при разработке устройств считывания и хранения информации [1].

В данной работе рассматриваются пленки с параметрами, соответствующими пермаллоевым пленкам безмагнитострикционного состава. На сегодняшний день показано теоретически [2—4] и экспериментально [5, 6], что в большом диапазоне толщин в таких пленках существуют ДГ с двухмерным внутренним распределением намагниченности М. В частности, в случае плоскостной анизотропии было получено два вида таких доменных стенок — асимметричная блоховская, которая при толщинах приблизительно от 40 нм и вплоть до микрона существует, как стабильная, и асимметричная неелевская стенка, являющаяся в тех же условиях метастабильной. При толщинах, меньших 40 нм, энергетически выгодными становятся неелевские одномерные границы.

Однако ситуация существенно изменяется в случае, когда имеются две пленки, разделенные немагнитной прослойкой толщиной порядка толщины магнитных слоев или менее. Например, это могут быть пленки пермаллоя, разделенные слоем монок-сида кремния. Исследование таких систем с исполь-

зованием метода порошковых изображений Биттера показало [7], что при определенном соотношении толщин немагнитного и магнитных слоев в последних существуют ДГ иного типа, чем в одиночных пленках аналогичных толщин. Был сделан вывод, что в результате наличия магнитостатического взаимодействия между границами в верхней и нижней пленках происходит сдвиг области существования неелевских границ в сторону больших толщин. Т.е., согласно [7], неелевские стенки наблюдались, например в 80 нм пленках, разделенных 30 нм прослойкой. При этом анализ экспериментальных данных производился в предположении об одномерном характере поворота вектора намагниченности внутри стенок и были получены лишь оценки критической толщины перехода от одного типа стенок к другому в зависимости от толщины немагнитного слоя в предельных случаях бесконечно большой и бесконечно малой величины последнего [8]. Однако из анализа данных, полученных методом порошковых изображений, невозможно с достоверностью установить, одномерные или двухмерные неелевские границы на самом деле существуют в двухслойных пленках. Магнитные слои в [7] имели толщину вплоть до 100 нм, поэтому с учетом сказанного ранее, при теоретическом рассмотрении таких систем целесообразно применение двухмерной модели распределения намагниченности.

Двухмерная модель распределения М уже применялась к случаю двухслойных пленок, разделенных немагнитной прослойкой [9]. Было установлено су-

D

Рис. 1. Геометрия рассматриваемой задачи.

ществование трех типов доменных стенок: асимметричных блоховских, асимметричных неелевских и одномерных неелевских. Границы каждого из перечисленных видов могут быть стабильными при определенном соотношении толщин магнитных и немагнитного слоев, при этом одномерные неелевские стенки могут существовать в пленках с толщиной большей, чем 40 нм. Сдвиг области стабильности одномерных неелевских ДГ и существование стабильных двухмерных неелевских ДГ обусловлены наличием магнитостатического взаимодействия слоев.

В [9] приводилось сопоставление расчетных и экспериментальных данных [7] зависимости критической толщины магнитных пленок БС от толщины прослойки й. Кривая БС(й) отделяет на плоскости Б, й области стабильности стенок с разной конфигурацией М. Были выявлены значительные количественные расхождения расчетных и экспериментальных данных в области больших й. Было выдвинуто предположение, что эти расхождения могут быть результатом вычислительных ошибок, связанных с несовершенством используемой в [9] программы. К настоящему времени используемые программы были значительно улучшены. Стало возможным проведение расчетов на сетках с числом ячеек на порядок большим, чем в [9]. Ввиду этого появилась возможность проверить, были ли указанные выше расхождения результатом чисто расчетных ошибок или все же в данном случае значительную роль играют факторы, не учитываемые используемой двухмерной моделью ввиду неполных экспериментальных данных. Кроме того, в настоящей работе ставилась задача исследовать более детально некоторые ранее не обсуждавшиеся свойства и особенности строения ДГ в двухслойных пленках с немагнитной прослойкой. Так, например, ранее не производилось сопоставления зависимостей вкладов обменного и магнитостатического взаимодействия в полную энергию доменных границ от тол-

щины магнитных слоев в двухслойных и одиночных пленках.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассмотрим два одинаковых параллельных магнитных слоя, разделенных немагнитной прослойкой (рис. 1). Толщины слоев равны Б, толщина прослойки — й. Ось легкого намагничивания (ОЛН) для обеих пленок имеет одно и тоже направление, совпадающее с осью г (ось у правой координатной системы х, у, г ориентирована перпендикулярно к поверхности пленок).

Будем считать, что каждая пленка содержит 180-градусные стенки, разделяющие два домена, намагниченных до насыщения вдоль направлений +г и —г (см. рис. 1). Стенки заключены в так называемые расчетные области V и V которые в нашей модели имеют одинаковый размер а вдоль оси х и расположены точно друг над другом. Направления векторов намагниченности в доменах для верхней и нижней пленки совпадают. Предполагается, что размеры всей системы вдоль направлений х и г бесконечно велики по сравнению с размером Ь = й + 2Б вдоль оси у, что, если не рассматривать возможность образования блоховских линий, дает возможность ограничиться рассмотрением двухмерной модели распределения намагниченности в доменных границах, т.е. внутри V и V намагниченность М = М(х, у). В этом случае функционал энергии уБ системы из двух доменных границ в расчете на единицу их боковой поверхности (плоскость уг) может быть записан в виде:

ув = №х, у )йхйу + ^^(х, У) ^хйу,

D1

D2

f(x, y) = A

dm2 + fdm^2

dy)

д x-

2 1™т тО)

(1)

- K(mn)2 - -MH

ЗдесьДх, y) — объемная плотность энергии, области D1 и D2 — сечения плоскостью г = const областей V1 и V2 соответственно, m = M/MS, A — обменный параметр, К — константа одноосной анизотропии, n — единичный вектор, параллельный ОЛН.

H(m) — магнитостатическое поле, которое может быть рассчитано в соответствии с

H

(m) ( г) = -A Jdr'M, ( Г')

д

1

дx' |г - г'

(2)

в магнитных слоях и немагнитной прослойке.

Слагаемые 1—3 в fx, y) представляют собой плотности обменной, магнитно-анизотропной и магнитостатической энергии соответственно. Задаются параметры, характерные для пленок пермаллоя безмагнитострикционного состава: A = 10-11 Дж/м, К = 102 Дж/м3, MS = 800 Гс.

Задача определения равновесного распределения M(x, у) внутри расчетных областей решалась путем

d

b

численной минимизации функционала (1). Для численной минимизации уБ области Б1 и Б2 разбивались прямоугольной сеткой на малые ячейки. При этом У1 и У2 разбиваются на вытянутые вдоль оси г, т.е. вдоль ОЛН, параллелепипеды:. Их боковые стенки параллельны координатным плоскостям хг и уг. Предполагается, что ячейки имеют малые размеры, такие, что внутри каждого из параллелепипедов направление т можно считать постоянным. Ориентация М меняется параллелепипедов направление т можно считать постоянным. Ориентация М меняется при переходе от ячейки к ячейке. Максимальный размер ячейки выбирается не больше нескольких размеров абсолютной однодоменности (имеет поря-

полняется условие

т,

= 0, что означает

док I — I ). При минимизации учитывается условие

4 Щ

т2 = 1 (что соответствует |М| = М5), а также следующие граничные условия: на границах расчетных областей по оси х вектор т сонаправлен с намагниченностью в доменах, а на границах по оси у вы-

ду.

незакрепленность т на поверхностях пленок.

Далее функционал (1) дискретизируется в соответствии с сеткой, что и позволяет произвести его численную минимизацию. При разбиении на ячейки предусматривается специальная процедура, позволяющая избежать попадания центров ячеек (именно в них определяются локальные значения т) на границы раздела слоистой среды. Подробности относительно результатов дискретизации и процесса минимизации можно найти в [2].

Численная минимизация функционала (1) позволяет получить полную информацию о распределении намагниченности в доменных границах, а также соответствующее значение уБ. Соответствующие данные фиксируются нами в специальном файле в виде двухмерных массивов чисел для каждой компоненты намагниченности.

Следует остановить

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»