ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 2, с. 38-54
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 537.622.6:(537.611.3+537.624)
СВОЙСТВА И ЭВОЛЮЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СПИРАЛЬНЫХ ДОМЕНОВ В АНГЕРНОМ СОСТОЯНИИ ВЫСОКОАНИЗОТРОПНОЙ
ПЛЕНКИ ФЕРРИТА-ГРАНАТА
© 2004 г. Г. С. Кандаурова, В. X. Осадченко
Уральский государственный университет, НИИ ФПМ 620083 Екатеринбург, пр. Ленина, 51 Поступила в редакцию 23.06.2003 г.
Впервые изучены процессы возникновения, формирования, дальнейшей эволюции и разрушения многовитковых динамических спиральных доменов (СД) в ангерном состоянии высокоанизотропной пленки феррита-граната в низкочастотном переменном магнитном поле (0.3-6.0 кГц). Определены геометрические и динамические параметры спиралей на разных стадиях их существования, а также зависимости параметров СД от частоты и амплитуды поля. Показано поведение нескольких СД на различных этапах их взаимодействия друг с другом, включая моменты исчезновения некоторых из них.
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1-3], что в пленках ферритов-гранатов (ФГ) с перпендикулярной анизотропией, находящихся в низкочастотном (102-104 Гц) переменном, пространственно однородном магнитном поле в определенном интервале частот / и амплитуд Н0 поля реализуется особое возбужденное, так называемое ангерное состояние (АС). В этом состоянии в динамической неупорядоченной системе доменов происходит самоорганизация, в результате которой формируются упорядоченные, устойчивые динамические доменные структуры (ДДС) различного вида (кольца, спирали и др.). Наряду с этим имеет место самогенерация периодических (квазипериодических) процессов, например, динамический спиральный домен возникает, "живет" какое-то время Гё и разрушается, а через некоторое время (время ожидания) на этом участке образца появляется новый СД (или несколько СД) и все повторяется снова и снова. Собственная частота этих процессов / на несколько порядков меньше частоты / непрерывно действующего переменного поля (поля накачки).
Спиральные домены исследовались с помощью магнитооптической методики визуализации ДДС и последующего фотографирования. Основное внимание уделялось описанию СД различных видов [3, 4], определению амплитудно-частотной области существования СД [2-6], изучению влияния температуры [5], постоянных полей смещения [4, 7, 8], и других факторов на эту область. Устанавливались зависимости некоторых геометрических параметров СД (максимальный диаметр СД, размер ядра, период структуры в витках СД и др.), а также таких динамических параметров АС,
как Тъ и от частоты и амплитуды переменного поля [4, 6]. Накопленные к настоящему времени экспериментальные и теоретические результаты исследований спиральных доменов суммированы и обсуждены в обзоре [9]. Однако из-за ограниченности экспериментальной методики в стороне остались вопросы, связанные с процессами возникновения, формирования и разрушения индивидуальных спиральных доменов, с характером их поступательного движения, изменением формы, размеров и скоростей перемещения СД в течение всего времени их "жизни".
Впервые в краткой заметке [10] было сообщено о применении микровидеосъемки для анализа ДДС в пленке феррита-граната. Указывалось на несомненные преимущества использования этого метода. Так, например, появилась возможность получить последовательно более 100 снимков (кадров), отражающих всю "жизнь" СД, и проследить эволюцию индивидуального СД за время Гг В настоящей работе, которая является продолжением [10], исследованы полные "жизненные" циклы отдельных многовитковых динамических СД: возникновение, формирование, дальнейшее существование, "старение" и окончательное разрушение спирального домена. Рассмотрено взаимодействие близко расположенных СД между собой. С использованием компьютерной техники обработан большой массив экспериментальных результатов. Получены количественные данные об изменении геометрических и динамических характеристик СД со временем, а также зависимости их от параметров переменного поля.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Изучалась эпитаксиальная пленка (111) феррита-граната с наведенной перпендикулярной анизотропией, составом (YLuBi^CFeGa^O^, толщиной L = 9.5 мкм, размером в плоскости ~4 х 4 мм2, при температуре 25°С. Контролируемая в центре образца площадь составляла S = 10.3 мм2. Образец в исходном размагниченном состоянии, которое создавалось путем "магнитной тряски" в переменном поле с убывающей амплитудой от 60 Э до нуля при частоте 50 Гц, имел лабиринтную, обычную для тонких пленок (рис. 1а), неупорядоченную доменную структуру с периодом полосовых доменов P0 = 33 мкм. Такой характер доменной структуры сохраняется при намагничивании в постоянных полях (рис. 16, в). Статическое поле насыщения Hs ~ 50 Э определялось по коллапсу цилиндрических магнитных доменов в поле, параллельном оси легкого намагничивания (ОЛН) образца. По основным магнитным характеристикам пленка полностью аттестована в [11]. Здесь укажем лишь некоторые параметры, взятые из [11]: намагниченность насыщения Js = 11 Гс; константа одноосной анизотропии K = 72 х 103 эрг/см3; поле анизотропии HA = 2K/Js = 13 кЭ; плотность граничной энергии у= = 0.3 эрг/см2; характеристическая длина l* = 2.2 мкм. Выбранная пленка является высокоанизотропной с очень большим фактором качества материала Q = K/2n J 2 = 95.
Непрерывно действующее магнитное поле Н~ = = H0sin2n/t, ориентированное по нормали к образцу, создавалось катушкой, содержащей 80 витков с внутренним диаметром 6.5 мм, внешним диаметром 17 мм и высотой 4 мм. Амплитуда поля H0 менялась в пределах 0-100 Э, частота f от 0.1 до 10 кГц.
Динамические доменные структуры наблюдались в микроскоп при использовании магнитооптического эффекта Фарадея. Отмечались все особенности в конфигурации и динамическом поведении доменов, включая кооперативные эффекты. В результате в [12] на плоскости (H0 - f) построена полная динамическая доменная фазовая диаграмма. Фрагмент ее приведен на рис. 1е. Выделена область АС. Видно, что ангерное состояние в исследуемом образце при комнатной температуре реализуется в интервалах управляющих параметров f ~ 0.1-7 кГц и H0 = 34-55 Э. Именно здесь в системе хаотически движущихся доменов происходит самоорганизация и возникают контрастные, устойчивые СД (рис. 1г,д). Вне области ангерного состояния ДДС неупорядочены.
Микровидеосъемка ДДС производилась стробоскопическим методом со временем экспозиции 10-4 с. Время между двумя последовательными кадрами 4 х 10-2 с. Геометрические параметры СД определялись на экране телевизора при помо-
щи масштабной сеткн с погрешностью ±10 мкм. Динамические параметры, такие как время жизни время ожидания и другие, вычислялись по количеству кадров. По изменению координаты центра СД и времени между кадрами определялась скорость перемещения СД.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Общий вид спиральных динамических доменов в области ангерного состояния пленки. Область ангерного состояния можно разбить приблизительно на три зоны меньшего размера по интервалам частот: 0.1-0.5; 0.5-1.0; 1-7 кГц. Внешний вид и свойства спиральных доменов в разных зонах области АС весьма различны. Эти зоны на рис. 1е обозначены как I, II, III. В области I наблюдаются крупные (диаметром 0.3-1.1 мм), маловитковые (2-3 витка), короткоживущие СД со временем "жизни" Тё 0.5 с и с большим размером ядра ё ~ ~ 0.2-0.8 мм. В II СД мелкие (0.1-0.3 мм), маловитковые (2-4 витка), короткоживущие (Т < 0.1 с) с малым ядром ё ~ 0.06-0.15 мм. На рис. 1е штриховой линией в области III отмечен участок, частотам и амплитудам поля которого соответствует формирование наиболее крупных (до 2.5 мм в диаметре), многовитковых, долгоживущих (Т до 7 с) спиральных доменов, подобных приведенным на рис. 1г, д. Именно такие СД служили объектами исследования в данной работе.
В крупном СД на рис. 1г около 25 "черных" и "белых" витков из полосовых доменов с противоположной ориентацией векторов 18. Направление закручивания витков (знак топологического заряда q) в различных СД может быть как по, так и против часовой стрелки (+ q и -д). Обращает на себя внимание изломанность полосовых доменов в витках СД и образование секторов с параллельной ориентацией участков полосовых доменов. Ранее предполагалось [7], что этот эффект связан с наложением слабой естественной многоосной магнитокристаллической анизотропии на сильную наведенную одноосную (перпендикулярную) анизотропию. Однако в этом случае должна была бы наблюдаться симметрия 6-го порядка в секто-риальной картине СД (например, на рис. 1г), чего нет на опыте. Заметим, что изломанность витков существенно изменяется при тесном взаимодействии спиральных доменов (рис. 1д и см. ниже п. 9). Окружены СД, как видно на рис. 1г, д, неупорядоченной ДДС.
2. Возникновение и формирование многовитковых спиральных доменов. При указанных выше режимах микровидеосъемки хотя и редко, но удается зафиксировать различные стадии всей "жизни" спирального домена - от его возникновения до исчезновения, и при этом по соседству не появляются другие СД (а это процесс случайный),
300 мкм
I_I
Н~О0
Ни, Э
Рис. 1. Доменная структура на одном и том же месте пленочного образца ФГ. В статике (а,б,в): размагниченное исходное состояние (а); в постоянном магнитном поле Н = ± 45 Э (б,в) (намагниченность в доменах направлена "к нам" и "от нас"). В переменном поле: амплитудой Н0 = 45 Э и частотой / = 2.5 кГц (г,д). Амплитудно-частотная область ангерного состояния (АС) и спиральных динамических доменов разного вида (е).
не включается механизм взаимодействия между спиралями (см. ниже п. 9), который может сильно изменить и поведение, и параметры наблюдаемого СД. Вот такая удачная серия видеокадров приведена на рис. 2. Вся серия снята при частоте переменного поля/ = 2.56 кГц и амплитуде Н0 = 45.7 Э. (Эти же
параметры поля соответствуют далее рис. 3-6.) Рассмотрим картины ДДС подробнее.
На рис. 2а показан типичный вид неупорядоченной ДДС. Эта структура состоит из сложно изогнутых полосовых доменов различной длины. Из сопоставления многих кадров можно увидеть,
Я~©0 , 500 мкм ,
Рис. 2. Хаотическая ДД
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.