книги / Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6
.pdfторых преимущественных положениях. Таким образом, коэрци тивная сила значительно увеличится. Если стенка перпендику лярна полосам, то отсутствует особое благоприятное направле ние и коэрцитивная сила практически не изменится.
Подобным же образом [98], если нормальная пленка изотропна, то в ней будет наведена эффективная одноосная ани зотропия с осью легкого намагничивания, параллельной полос ковым доменам. В работе [98] было высказано предположение,
Фиг. 14. Структура из пленки с полосовыми доменами и одноосной пленкой [97].
Ось легкого намагничивания одноосной пленки параллельна полосам.
что в этом случае в пленке магнитостатическая энергия будет уменьшаться за счет образования пульсаций намагниченности; когда же намагниченность перпендикулярна полосовым доме нам, такая ситуация невозможна. В пользу данной гипотезы го ворит наблюдение Ло [99]: в структуре из пленки с полосовыми доменами и пермаллоевой пленки с осью легкого намагничива ния, параллельной направлению полос, угловая дисперсия на магниченности возрастала. Пороговое поле сползания домен ных стенок также увеличивалось, что, по-видимому, в настоя щее время еще не нашло объяснения.
4. м а г н и т о с т а т и ч е с к а я с в я з ь д о м е н н ы х с т е н о к
В добавление к различным типам магнитостатических взаи модействий между слоями, обсужденным в предыдущих разде лах, можно также наблюдать магнитостатические взаимодей ствия между границами доменов в рассматриваемых пленках.
Доменной стенке всегда отвечает связанная с ней плотность магнитных полюсов. Соответственно существует поле рассеяния, которое вызывает силу, действующую на другую стейку в той же пленке или в многослойной структуре в прилегающей пленке. В результате происходят изменения в структуре и энергии доменных стенок и возникает эффективное притяжение или оттал кивание между двумя стенками в прилегающих пленках. Изме нение энергии различных структур делает возможным наблю дение в многослойных системах доменных конфигураций, которые не могут существовать в независимых пленках. Далее, комбинация изменения энергии и эффективного притяжения или отталкивания может резко влиять на такие характеристики, как коэрцитивная сила и подвижность доменных стенок. Эти общие соображения впервые были высказаны Фуллером и сотр. [100, 101] в 1962 г. и весьма скоро подтверждены наблюдениями методом лоренцевской микроскопии [102— 104] (изображение) магнитной структуры в электронном микроскопе [105, 106]. С тех пор эта область исследований быстро развилась.
Мы начнем с рассмотрения структуры и энергии различных конфигураций стенок. В этой области возникает много удиви тельных эффектов. После обсуждения теоретических предполо жений о возможных структурах в многослойных пленочных си стемах будут рассмотрены результаты экспериментальных на блюдений структур стенок. Затем дается анализ состояния теоретического описания реальных структур и объясняется, по чему такие структуры образуются.
а. Структура и энергия стенок. Структура и энергия домен ных стенок в однослойных ферромагнитных пленках широко изучены и, по крайней мере в основном, удовлетворительно по няты [69, 107]1). Полная энергия стенки состоит из суммы об менной энергии, энергии анизотропии и магнитостатической энергии. Конфигурация спинов в стенке определяется миниму мом этой полной энергии. Было найдено, что в очень толстых пленках, как и в массивном веществе, благоприятной конфигу рацией является блоховская стенка, в которой ось вращения спинов нормальна к направлению намагниченности домена и к плоскости стенки. В очень тонких пленках должна реализовать ся стенка Нееля, у которой ось вращения спинов перпендику лярна направлениям намагниченности доменов, но лежит в пло скости стенки. Схематические изображения этих двух структур стенок показаны на фиг. 15.
Для промежуточной области толщин предпочтительной кон фигурацией является стенка с поперечными узлами, состоящая из сегментов неелевских стенок разного знака, разделенных
1) См. также ссылки [1—6] в статье Мидделхука [6].
\ |
/ |
Толщина
стенки
7 т
Стенка Нееля
Фиг. 15. Схематические изображения стенки Блоха и стенки Нееля в независимых пленках [107].
Фиг. 16 (данные [108]).
а —пара стенок Нееля, разделяющая параллельные домены; |
б —пара стенок, разделяю |
|
щая антнпараллельные домены; в — пара |
стенка - квазистенка, |
D —толщина ферромагнит |
ного слоя; Ь —толщина промежуточного |
слоя. |
|
блоховскими линиями. В многослойных пленках возможность замыкания потока от одного слоя к другому значительно видо изменяет эту ситуацию.
Анализ фиг. 15 показывает, что эффективная намагничен ность стенки Блоха перпендикулярна плоскости пленки, а у стенки Нееля лежит в плоскости пленки. Это означает, что две наложенные друг на друга стенки Нееля противоположной по лярности могут давать конфигурацию с почти замкнутым по током. В многослойной системе этот эффект понижает энергию пары стенок Нееля по сравнению с парой стенок Блоха и де лает их более выгодной структурой.
Размагниченная конфигурация из стенок Нееля может осу ществляться тремя различными способами, показанными на фиг. 16 [108]. На фиг. 16, а изображена пара стенок, разделяю щих домены в каждой пленке, причем домены в пленках парал лельны. Такую конфигурацию можно ожидать в пленочной структуре с положительной связью. На фиг. 16,6 представлены стенки, разделяющие антипараллельные домены; подобную си туацию можно ожидать в структуре с отрицательной связью. И наконец, фиг. 16,0 отражает случай, когда стенка в одной пленке, отделяющая два домена, привела к образованию ква зистенки во второй пленке. Хотя эта квазистенка разделяет две области с параллельными намагниченностями, данная конфи гурация тем не менее выгодна из-за уменьшения магнитоста тической энергии всей системы. По-видимому, все три конфигу рации удалось наблюдать экспериментально, при некоторых условиях [6, 92, 104, 109, ПО].
Если предположить, что стенка и квазистенка имеют одина ковые конфигурации спинов, и игнорировать эффекты связи во всей структуре, то все три стенки, представленные на фиг. 16, должны иметь одинаковую структуру и энергию. Первое из этих предположений весьма сомнительно. Неэквивалентность стенки и квазистенки демонстрируется тем фактом, что стенка дает 'порошковую картину, а квазистенка не дает [6, ПО]. Это об- ■стоятельство иллюстрируется фиг. 17, на которой видны сег менты стенки, а квазистенка не видна.
Если бы поток полностью замыкался между стенкой и квазистенкой, никакой порошковой картины не существовало бы. Если бы плотность полюсов на обеих стенках была одинаковой :и существовал бы поток, не замыкающийся между ними, то
.должны были образоваться одинаковые порошковые фигуры. То обстоятельство, что на фиг. 17 порошковая фигура над квази стенкой не видна, а над стенкой видна, означает, что на ней ллотность полюсов выше, чем на стенке, и что практически весь лоток от квазистенки замыкается стенкой.
ной формы [114, 115]. Существенный результат всех таких рас четов состоит в том, что для достаточно тонких ферромагнит ного и промежуточного слоев энергия комбинации неелевская стенка + квазистенка действительно ниже, чем энергия отдель ной стенки в одной из пленок. Область толщин, для которых это справедливо, показана на фиг. 18. Следует отметить, что подобная комбинация устойчива даже до толщин ферромагнит ных слоев, при которых в независимых пленках существовали бы стенка с поперечными узлами или стенки Блоха.
Качественно это предсказание подтверждается на опыте [ПО, 111], хотя количественное согласие оставляет желать луч шего (фиг. 19).
Слончевски [116] усовершенствовал расчеты, рассмотрев вместо одномерных двумерные стенки. Иначе говоря, в допол нение к компонентам в плоскости пленки, допускавшимся и ранее, он учел небольшую составляющую намагниченности, нормальную к плоскости пленки. Этот автор вычислил энергию и форму стенки (а не предположил эту форму a priori). При расчете был сделан ряд радикальных предположений, причем наиболее серьезные из них были подтверждены Ахарони [117], который применил несколько иной подход, но получил факти чески те же результаты. Слончевски [116] показал, что в той области, для которой предыдущие расчеты считались вполне хорошими, новые вычисления дают энергии, приблизительно в
У 2 раз меньшие, но в некоторых областях энергии в одно- и
двумерной моделях могут отличаться на порядок величины [117]. К сожалению, оказалось, что в этих случаях [117а] параметр
Фиг. 18. Диаграмма толщин пленок, для которых устойчивы различные конфигурации стенок [6].
£ —толщина ферромагнитного слоя, 6 —толщина промежуточного слоя.
самосогласованное™ расчета низкий [1176], так что истинный минимум энергии может лежать еще гораздо ниже. Все эти
расчеты дают одинаковую энергию для пары |
стенка — стенка |
или пары стенка — квазистенка, поскольку в |
них предпола |
гается, что квазистенка состоит из двух зеркальных изображе ний стенки. Из обсуждения порошковых фигур ясно следует, что это предположение является необоснованным. Далее, на
Фиг. 19. Зависимость толщины пленки, при которой изменяется конфигура ция доменных стенок, от расстояния между пленками [ПО].
d'—толщина пленки, при которой происходит переход от стенки Нееля к стенке Блоха.
По сравнению с фиг. 18 положения осей координат изменены.
кривой зависимости поворота намагниченности от расстояния имеется острый излом, что приводит к нефизическим ситуациям для вращающего момента и неразумным значениям обменной
энергии.
Хотя рассмотренные выше конфигурации часто наблюдались в многослойных пленках, ими отнюдь не исчерпываются обна руженные в этих системах структуры стенок. Если пленки с положительной связью, в которых домены должны стремиться накладываться друг на друга, размагничены полем, парал лельным осям легкого намагничивания обоих ферромагнитных слоев, то стенки в обоих слоях часто оказываются наложен ными друг на друга, откуда следует, что они антипараллельны, как и описывалось выше. Но в действительности это не всегда так. Иногда стенки сближаются, но не накладываются. Когда пленки размагничены полем в направлении трудного намагни чивания, результирующее направление спина в доменных
Естественно ожидать, что для минимизации магнитостатиче ской энергии стенки должны принять очень похожую конфигу рацию. Так и было первоначально предположено Фельдкелле-
ром и |
др. [92]. Согласно этим авторам, если обозначить через |
01 угол |
между направлением спинов в пленке 1 и осью легкого |
намагничивания, а через 02 соответствующую величину для пленки 2, то функция sin 0i + sin 02 плавно проходит через
нуль в середине конфигурации. Однако Бирагне и сотр. [118] показали, что sin 0j + sin 02 равняется нулю в весьма широкой области около 1 мкм в центре структуры. На фиг. 20 — это чет кая область между черными линиями. Было высказано предпо ложение [109], что каждая из параллельных стенок Нееля со провождается квазистенкой и что антипараллельные стенка и квазистенка в одной и той же пленке (фиг. 21,6) на малых расстояниях отталкиваются, так что возникает равновесное расстояние между ними около 1 мкм. Однако это не единствен ное расположение, совместимое с наблюдаемой функцией sin 01 + sin 02.
Фельдкеллер [7] предложил другую модель, показанную на фиг. 21, в: все величины в структуре меняются непрерывно, при чем в центральной области спины в стенках и квазистенках вращаются одинаково, но в противоположных направлениях,
а |
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
+ |
|
© -СО+ © |
© |
|
|
±___ - |
+-
© |
е -Ф8>+ Ф |
+—
|
|
Стенка |
Квазистенка |
|
1 о |
- |
-О—*►+-*>+© +<Ф- О" “ |
0 |
|
2 © + |
о- о - ©--о-—*-+■©» + 0 |
|||
|
Квазистенка |
Стенка |
|
|
Фиг. 21. Диаграмма |
теоретических |
конфигураций |
из двух стенок Нееля |
|
с параллельными намагниченностями [109, 7].
.а —стенки находятся в контакте и магнитостатическая энергия минимальна; б —стенки |
|
и индуцированные квазнстепки с равновесным расстоянием между ними; е — стенкн |
и |
кваэистенки с компенсированной центральной областью.
так что величина sin 0i + sin 02 равна нулю. Он сделал вывод, что это наиболее вероятная конфигурация, отвечающая мини муму обменной энергии и энергии размагничивания. Однако представляется несколько неожиданным, что такая конфигура ция приводит к почти идеальной компенсации по столь широ кой области, поэтому вопрос не кажется полностью решенным.
Возможный способ различить эти две модели состоит в ис следовании изменения размеров разных частей конфигурации в зависимости от толщины промежуточного слоя. Известно [113— 117], что при увеличении толщины промежуточного слоя стенка должна становиться шире. Тогда в модели Фельдкеллера [7] все размеры стенок, включая и центральную часть, должны изменяться более или менее одинаково. В модели же Бирагне и сотр. [109] внешние области будут расти со скоростью, отличной от внутренней разделяющей области, и, вероятно, быстрее. Ширина «разделения» в одном случае уже была изме рена [109], и не вызовет особых затруднений одновременно измерить ее и полную толщину системы и сравнить скорости их изменения. Однако до сих пор это не было сделано.
На фиг. 20 видно другое необъясненное свойство стенок, размагниченных по жесткому направлению: две стенки систе матически пересекаются. Поскольку знаки обеих стенок на обеих сторонах от пересечения одинаковы, то трудно понять, почему образуется пересечение.
Кроме только что рассмотренных модификаций нормальных доменных стенок, в многослойных пленках наблюдался еще ряд других доменных структур, которые необычны для независимых пленок. Простейшая из них — так называемая возмущенная стенка. В независимых пленках такие стенки наблюдались только в пленках тоньше примерно 300 А [119, 120]. В стенках намагниченность поворачивается на 360° и на обеих сторонах стенки имеет одинаковое направление, примерно параллельное оси трудного намагничивания пленки. Эти стенки соединены с одной стороны с обычной 180°-ной стенкой. Предполагается [120], что такие стенки возникают от блоховской линии, захва ченной дефектом. Мидделхук [121] нашел, что в многослойных структурах подобные стенки могут существовать в более тол стых пленках (толщиной около 400 А) благодаря образованию пары стенка—квазистенка и понижению стеночной энергии.
Другой тип структуры, очень близкой к только что рассмот ренной и наблюдавшейся в многослойных пленках [6, 111, 112], представлен порошковой фигурой на фиг. 17, а и схематически изображен на фиг. 17,6. В этой структуре конец домена начал распространяться в одной пленке, был остановлен в ней дефек том, продолжился во второй пленке и (в приведенном случае) вновь проявился в первой пленке. В результате в пленке обра