Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

Институт общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия

e-mail: randoshkin_v@mail.ru

Развитие визуальных методов исследования динамических свойств эпитаксиальных пленок феррит-гранатов с одноосной магнитной анизотропией

Монокристаллические пленки феррит-гранатов (МПФГ) для разных приложений выращивают методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из переохлажденного раствора-расплава [1,2]. На практике часто используют МПФГ с ориентациями (111), (110) и (210), обладающие одноосной магнитной анизотропией с осью легкого намагничивания (ОЛН), перпендикулярной плоскости пленки. Динамические свойства таких МПФГ предпочтительно исследовать, визуально наблюдая изменение доменной структуры в пленках под действием магнитного поля с помощью магнитооптического эффекта Фарадея [1-5]. Заметим, что наличие той или иной доменной структуры в исходном состоянии зависит от предыстории образца.

В исходном состоянии к МПФГ может быть приложено:

- постоянное внешнее магнитное поле смещения Н_см, стабилизирующее цилиндрический магнитный домен (ЦМД);

- внешнее магнитное поле смещения Н_см, намагничивающее МПФГ до насыщения;

- внешнее магнитное поле смещения Н_см = 0;

- градиентное магнитное поле, стабилизирующее изолированную прямолинейную доменную стенку (ДС).

Движение ДС или ЦМД вызывают, прикладывая к МПФГ вдоль ОЛН импульсное магнитное поле Н_имп, переменное магнитное поле Н_пер или градиентное магнитное поле ΔН. Заметим, что под действием полей Н_имп, Н_пер и ΔН структура ДС может изменяться.

Изменение намагниченности МПФГ обязательно включает один из механизмов: движение ДС или вращение намагниченности. Часто эти два механизма являются последовательными стадиями одного и того же динамического процесса. Более того, они могут протекать одновременно в различных локальных областях пленки.

С точки зрения исследователя желательно, чтобы динамический процесс включал только один механизм из двух указанных, который бы протекал одновременно во всех точках исследуемой области материала, не сменяясь и не сопровождаясь другим. В частности, при измерении скорости ДС желательно, чтобы действующее магнитное поле не изменялось со временем. В этом случае теоретическое описание процесса наиболее упрощено.

Однако с практической точки зрения важно, чтобы при измерении динамических параметров материала процесс изменения намагниченности был близок к тому, что имеет место в реальных устройствах. В частности, для МПФГ, использующихся в запоминающих устройствах на ЦМД, желательно исследовать трансляционное движение ЦМД, для МПФГ, применяемых в устройствах типа магнитооптической щели, - движение уединенной ДС, а для МПФГ, использующихся в магнитооптических управляемых транспарантах с магнитоизолированными ячейками, - движение вновь зарождаемой ДС.

Наиболее простым для экспериментальной реализации является метод динамического коллапса ЦМД [6]. Одна из трудностей в применении этого метода состоит в неопределенности диаметра ЦМД при динамическом коллапсе, который не совпадает с его значением при статическом коллапсе. Кроме того, в эксперименте следует принимать специальные меры, чтобы исключить зарождение жестких ЦМД, в структуре ДС которых содержится большое число вертикальных блоховских линий (ВБЛ).

С методом динамического коллапса ЦМД принципиально сходен метод его импульсного расширения ЦМД [7], но при этом импульсное магнитное поле противоположно полю смещения.

При динамическом расширении ЦМД во время нарастания и убывания импульса действующее магнитное поле проходит все значения от нуля до амплитудного значения. При этом весьма вероятно динамическое преобразование структуры ДС.

В методе перемагничивания [8,9] в отличие от других известных методов исходным является монодоменное (насыщенное) состояние МПФГ, а домен, движение ДС которого будет изучаться, зарождается в процессе действия импульса магнитного поля, приложенного противоположно полю смещения. Центрами зарождения доменов с обратной намагниченностью (ДОН) являются дефекты МПФГ, в окрестности которых понижено поле одноосной магнитной анизотропии. В случае линейного дефекта зарождается полосовой ДОН, а в случае точечного – цилиндрический.

Для исключения влияния дефекта на движение ДС, повышения точности измерений и обеспечения постоянства действующего магнитного поля, в методе перемагничивания измерения проводят, начиная с достаточно большого диаметра ДОН (обычно > 200 мкм). При каждом фиксированном Н_и регистрируют временную зависимость смещения ДС ДОН, по наклону которого определяют среднюю скорость ДС. Усреднение проводят за интервал времени (≥ 100 нс), за который суммарное смещение ДС превышает 100 мкм. Обычно процесс зарождения ДОН и движения его ДС является повторяющимся, что позволяет регистрировать изображения доменов стробоскопическим методом. Исключение составляют МПФГ с малым затуханием, когда динамические процессы не повторяются от импульса к импульсу, и необходимо использовать высокоскоростную фотографию (ВСФ).

Использование метода перемагничивания гарантирует полную определенность в структуре исходной ДС в связи с ее короткой предысторией, не превышающей промежутка времени между моментом приложения перемагничивающего импульса и моментом наблюдения динамической доменной структуры. Эксперименты по столкновению ДС доменов с обратной намагниченностью убедительно показали, что ДС всех ДОН, зарождающихся при импульсном перемагничивании МПФГ, имеют одинаковую хиральность [2,11]. Поскольку центром зародышеобразования является дефект МПФГ, то обеспечивается жесткая фиксация исходного положения домена.

Зарождение ДОН и формирование его ДС обычно занимает достаточно большое время, превышающее длительность фронта перемагничивающего импульса, поэтому ДС ДОН не подвергается действию малых магнитных полей, при которых происходит преобразование структуры ДС, а действующее магнитное поле слабо изменяется в процессе движения ДС.

Важным этапом в изучении динамики ЦМД явилась разработка метода трансляционного продвижения ЦМД под действием импульсного неоднородного магнитного поля [12]. Прямое наблюдение движущегося ЦМД методом ВСФ показало, что ЦМД движется не только во время действия импульса поля, но и после его окончания (имеет место эффект баллистического последействия) [13]. В более простом методе трансляционного продвижения ЦМД, имеющий устойчивое положение равновесия в центре между проводниками, создающими градиентное магнитное поле, перемещается под действием периодической последовательности биполярных импульсов.

Исключить влияние эффекта баллистического последействия при измерении скорости трансляционного движения ЦМД позволяет метод [14], в котором объектом наблюдения является ЦМД, стационарно движущийся по окружности под действием вращающегося неоднородного магнитного поля.

Наибольшую информацию о динамических свойствах МПФГ можно получить, регистрируя неравновесные доменные структуры в динамике, что позволяет, в частности, стробоскопический метод [15,16]. В этом методе требуется многократное повторение процесса при периодическом воздействии магнитного поля и, следовательно, он применим только для наблюдения строго повторяющихся движений доменов и ДС.

Информацию о неповторяющихся динамических процессах дает метод ВСФ, поскольку в нем домены в динамике наблюдают с помощью только одного импульса подсветки. Обычно получают серию из трех фотографий, на которых регистрируется исходная доменная структура, ее конфигурация в некоторый момент времени в процессе действия импульса магнитного поля или после его окончания и результирующая доменная структура [17]. Для изучения динамики доменов в однородном магнитном поле используют двукратную подсветку.

В установке двукратной ВСФ, разработанной Ивановым и др. [18], использовались два импульсных азотных лазера, излучение которых направлялось вдоль оптической оси установки. Излучение обоих лазеров преобразовывалось в видимое в общей кювете с красителем. Предусмотрено плавное изменение задержки как между световыми импульсами, так и между ними и началом импульса магнитного поля.

В установке двукратной ВСФ, разработанной Четкиным и др., использовался один лазер [19]. Разделение луча на два осуществлялось с помощью зеркала, наполовину перекрывающего исходный параллельный пучок. Для создания временной задержки между световыми импульсами служила система зеркал. Каждый из двух лучей проходил через отдельный поляризатор и фокусировался на образец. Оси поляризаторов и анализаторов ориентировались так, чтобы первый луч создавал контраст доменной структуры, обратный контрасту от второго луча. При этом область, которую ДС проходила за время задержки между световыми импульсами, выглядела темной. Измеряя ширину темной полоски и зная задержку между световыми импульсами, определяли скорость ДС до 20 км/с с точностью не хуже 2%. Недостатком этой установки является малая задержка между световыми импульсами и невозможность ее оперативного изменения.

Метод двукратной высокоскоростной фотографии использовался для исследования динамики ДС в МПФГ с малым затуханием при наличии плоскостного поля, перпендикулярного ДС [20]. Одиночную ДС создавали с помощью градиентного магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости пленки. ДС освещали импульсами красного света длительностью 0.25 нс, задержанными на 6 – 14 нс.

При исследовании движения прямолинейной ДС или коллапса ЦМД информацию о скорости ДС можно получить при воздействии единственного импульса магнитного поля, если использовать метод электроннооптической хронографии [21-24]. Электростатическая система отклонения электронного пучка в электронно-оптическом преобразователе (ЭОП) позволяла получать временные развертки (хронограммы) изображения одномерных объектов при подаче пилообразного напряжения на отклоняющие пластины ЭОП.

Оптическое детектирование магнитных образований с размером, лежащим ниже предела оптического разрешения традиционных методов магнитооптической микроскопии на базе эффектов Фарадея и Керра может быть реализовано с применением микроскопии темного поля [25-28]. В этом методе, предназначенном для визуализации исследуемого объекта и выделения объектов, слабо отличающихся от своего окружения по оптическим свойствам, освещение организовано так, что прямой луч подсветки не попадает в объектив, а изображение формируется только светом, который испытывает рассеяние на неоднородностях образца. Благодаря магнитооптическим эффектам распределение намагниченности в образце и есть та фазовая структура, которая может быть визуализирована в темном поле. В силу дифракционного характера методу темного поля присуща потенциальная возможность детектирования структур с размерами, находящимися за пределами оптического разрешения (≤1 мкм). Важно, что микроскопия темного поля не требует сканирования рассматриваемой области и хорошо сопрягаема с ВСФ.

С помощью подходов микроскопии темного поля впервые осуществлено прямое оптическое наблюдение ВБЛ [24]. При таком поляризованном анизотропном темнопольном наблюдении (PADO) луч подсветки в микроскопе падает на образец под некоторым углом и минует объектив, а изображение формируется только светом, дифрагировавшим на магнитных неоднородностях. В геометрии PADO плоскость падения света перпендикулярна плоскости ДС, которая выглядит как светлая полоса на темном фоне. Локальные изменения яркости изображения ДС трактуются как места локализации ВБЛ. При фиксированном угле падения света тип контраста ВБЛ (светлая или темная) зависит от магнитной топологии ВБЛ и направления намагниченности в соседних доменах.

Совместное применение метода PADO и метода ВСФ, обеспечивающего наблюдение мгновенных динамических конфигураций доменной структуры позволило обнаружить и всесторонне исследовать эффект контролируемого зарождения и движения ВБЛ [27,28].

Литература

1. Дудоров В.Н., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. Синтез и физические свойства монокристаллических пленок редкоземельных феррит-гранатов, УФН, 1977, т. 122, № 2, с. 253-293.

2. Владимир Рандошкин. Динамика однохиральных доменных стенок. Импульсное перемагничивание пленок феррит-гранатов. Lambert Academic Publishing, 2011, 400 с.

3. Рандошкин В.В., Старостин Ю.В. Методы измерения параметров материалов-носителей цилиндрических магнитных доменов. Радиоэлектроника за рубежом. НИИЭИР, 1982, № 18, с. 1-57.

4. Рандошкин В.В. Развитие визуальных методов исследования динамических свойств материалов с цилиндрическими магнитными доменами, Препринт ИОФАН СССР, № 52, М., 1989, 41 с.

5. Рандошкин В.В. Методы исследования динамических свойств пленок феррит-гранатов (обзор), Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1996, т. 62, № 9, с. 32-47.

6. Bobeck A.H., Danylchuk I., Remeika J.P.,Van Uitert L.G., Walters E.M. Dynamic properties of bubble domains. Proc. Internat. Conf. on Ferrites. University Tokyo Press, 1971, с. 361-364.

7. Рандошкин В.В., Иванов Л.П., Телеснин Р.В. Динамика доменов в пленках ферритов-гранатов в однородном магнитном поле. ЖЭТФ., I978, т. 75, № 3, с. 960-974.

8. De Leeuw F.H., vап dеп Dоеl R., Enz U. Dуnаmiс рrореrtiеs оf magnetic dоmain wаlls and magnetic bubblеs. Rероrts оn Prоgrеss in Physics, 1980, vоl.43, № 6, p. 689-783.

9. Рандошкин В.В. Метод измерения скорости доменных стенок в пленках феррит-гранатов, ПТЭ, 1995, № 2, с.155-161.

10. Рандошкин В.В. Способ В. В. Рандошкина измерения скорости доменных стенок в магнитоодноосной доменосодержащей пленке. Авторское свидетельство СССР № 1788523.

11. Куделькин Н.Н., Прохоров А.М., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В., Тимошечктн М.И. Механизмы импульсного перемагничивания пленок феррит-гранатов. Доклады АН СССР, 1985, т. 281, № 4, с. 848-851.

12. Vella-Coleiro G.P., Tabor W.J. Measurement of magnetic bubble mobility in epitaxial garnet films. Appl. Phys. Lett., 1972, vol. 21, № 1, р. 7-8.

13. Malozemoff A.P., De Luca J.C. Ballistic overshoot in the gradient propagation of bubbles in garnet films. Appl. Phys. Lett., 1975, vol. 26, № 12, p. 719-721.

14. Jones C.A., Stroomer M.V., Voegely O., Friedlander F.J. Rotating gradient measurement of bubble dynamics. IEEE Trans. Magnet., 1979, vol. MAG-15, № 2, p. 926-930.

15. Ikuta T., Shimizu K. Stroboscopic observation of magnetic domain wall motion with a light emiting diode. Rev. Sci. Instrum., vol. 44. № 9, р. 1412-1413.

16. Vella-Coleiro G.P., Nelson T.J. Stroboscopic observation of magnetic bubble circuits using a gated image intensifier tube. Appl. Phys. Lett., 1974, vol. 24, № 6, р. 397-398.

17. Humphrey F.B. Transient bubble domain configurations in garnet materials observed using high speed photography. IEEE Trans. Magn., 1970, vol. MAG-11, № 6, р. 1679-1684.

18. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Непокойчицкий Г.С. Экспериментальное обнаружение нового механизма движения доменных границ в сильных магнитных полях. ЖЭТФ, 1983, т. 84, № 3, с. 1006-1021.

19. Четкин М.В., Гадецкий С.Н., Кузьменко А.П., Филатов В.Н. Метод высокоскоростной фотографии для исследования динамики доменных границ. ПТЭ, 1984, № 1, с. 196-199.

20. Четкин М.В., Курбатова Ю.Н., Шапаева Т.Б. Динамика доменных границ в пленках ферритов-гранатов в больших плоскостных магнитных полях. ФТТ, 2010, т. 52, № 9, с, 1795-1797.

21. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Рандошкин В.В., Телеснин Р.В. Динамика доменных структур в пленках ферритов-гранатов. Письма в ЖЭТФ, 1976, т. 23, № 11, с. 627-631.

22. Телеснин Р.В., Рандошкин В.В., Зимачева С.М. Исследование движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов. ФТТ, 1977, т. 19, № 3, с. 907-909.

23. . De Leeuw F.H. Wall velocity in garnet films at high drive fields. IEEE Trans. Magn., 1977, vol. MAG-13, № 5, р. 1172-1174.

24. Иванов Л.П., Логгинов А.С., Непокойчицкий Г.А., Никитин Н.И. Экспериментальное исследование неоднородного вращения векторов намагниченности в монокристаллических пленках ферритов-гранатов. ЖЭТФ, 1985, т. 88, № 1, с. 260-271.

25. Thiaville A., Boileau F., Miltat J., Arnaud L. Direct Bloch line optical observation. J. Appl. Phys., 1988, vol. 63, N 8, p. 3153-3158.

26. Thiaville A., Miltat J. Neel lines in the Bloch walls of bubble garnets and their dark-field observation. J. Appl. Phys., 1990, vol. 68, N 6, p. 2883-2891.

27. Белотелов В.И., Логгинов А.С., Николаев А.В. Анализ механизма визуализации вертикальных линий Блоха в пленках ферритов-гранатов в различных геометриях микроскопии темного поля. Радиотехника и электроника, 2001, т. 46, № 7, с. 870-876.

28. Николаев А.В., Николаева Е.П., Онищук В.Н., Логгинов А.С. Новые механизмы оптической записи-считывания информации в магнитных средах. ЖТФ, 2002, т. 72, № 6, с. 50-56.