Файл: Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.07.2024

Просмотров: 89

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Д и н а м и ч е с к ие свойства пленок (и других

магнитных

материалов)

о т р а ж а ю т с я фундаментальным

уравнени ­

ем Л а н д а у — Л п ф ш п ц а . Д л я однодоменной

пленки (вра­

щательное

движение

намагниченности)

при

действии

внешних полей в плоскости пленки, уравнение

Л а н д а у —

Л и ф ш и ц а упрощается

и представляет собой

дифферен ­

циальное уравнение механических моментов, действу­ ющих на магнитный момент пленки, записанное в ска­ лярной форме.

Уравнение Л а н д а у — Л и ф ш и ц а описывает поведение намагниченности (магнитного момента) магнитного м а ­ териала под действием внешних полей. Если внешнее магнитное поле в пленке создается радиотехнической аепыо, то, используя уравнение Л а н д а у — Л и ф ш и ц а , м о ж ­ но отразить взаимное влияние пленки и радиотехниче­ ской цепи в виде системы дифференциальных уравнений. Эти уравнения могут быть записаны либо относительно магнитомеханических переменных, характеризующих процессы в пленке, либо относительно электрических пе­

ременных (тока,

напряжения,

магнитного потока и т. п.),

характеризующих

процессы

в

радиотехнической

цепи.

В последнем случае

системе

полученных уравнений бу­

дет соответствовать

некоторая

радиотехническая

схе­

ма, отличная от исходной. Дополнительные элементы в

такой цепи по сравнению с

исходной схемой

обуслов­

лены влиянием пленки. Эти

дополнительные

элементы

иобразуют эквивалентную схему пленки, магнитосвя-

занной с исходной радиотехнической схемой. В д а л ь ­ нейшем при анализе работы всего радиотехнического

устройства

с Т Ф П

м о ж н о

пользоваться

этой

схемой,

а следовательно,

можно

использовать хорошо известную

радиоинженеру

теорию

радиотехнических

цепей.

~

Область

применимости

полученной

описанным

пу­

тем эквивалентной

схемы

Т Ф П определяется

областью

справедливости исходных уравнений.

 

 

 

Внастоящей главе получены эквивалентные элек ­

трические схемы

д л я

тонкой

ферромагнитной

пленки,

магннтосвязанной

с внешними

радиотехническими цепя­

ми. Установлена

количественная связь м е ж д у

парамет ­

рами эквивалентной

схемы и

физическими характери ­

стиками пленки. Обоснованы и описаны методы экспери­ ментального определения таких параметров .

7

1.2. КРАТКИЕ

СВЕДЕНИЯ О

ФИЗИЧЕСКИХ

СВОЙСТВАХ

ТФП

Основными методами получения

магнитных

пле­

нок являются

1) вакуумное

напыление

металла на

под­

л о ж к у ; 2) электролитическое осаждение на немагнит­ ные металлические или диэлектрические подложки с ме­ таллическим подслоем; 3) термическое разложение металлоорганических соединений на нагретой поверхно­ сти подложки; 4) катодное напыление; 5) химическое восстановление металлов из раствора солеи. Наиболее широко распространен метод вакуумного напыления. Он состоит в следующем: в вакууме производится ис­ парение материала, т а к что образуется поток молекул, которые о с а ж д а ю т с я на подложку, изготовленную обыч­ но из стекла или кварца . При электролитическом осаж ­ дении пленки формируются методом электролиза . При

катодном напылении

стекло

или

кварц покрываются

пермаллоем в тлеющем р а з р я д е низкого давления .

Физические свойства тонких

ферромагнитных пле­

нок исчерпывающе

освещены

в

литературе [11—15],

поэтому ниже приводятся только те сведения, которые будут необходимы д л я обоснования эквивалентной схе­ мы. Наибольшее техническое применение пока находят пленки железо - никелевого сплава, содержащего при­

мерно

80%

N i

и 20% Fe (пермаллой 80—20). У сплава

такого

состава

магнитострнкция

очень

м а л а и дает

пре­

небрежимо малый в к л а д в одноосную анизотропию

пер-

маллоевых

пленок (последняя

д о л ж н а

быть сведена к

минимуму

для

уменьшения

энергии

управляющего

по л я ) .

Вслучае магнитных пленок термин «тонкая пленка»

относится к пленкам, верхняя граница толщины

кото­

рых лежит м е ж д у Ю - 4 и

Ю - 3 см [11] . Л е н т ы д л я

звуко­

записи, которые-состоят

из подложек с нанесенными на

них тонкими слоями порошка, обычно (независимо от их

толщины) относят

не к

тонким пленкам, а

к порошко­

вым м а т е р и а л а м .

П р и

определении пленок,

кроме тол­

щины слоя, играют роль еще и другие факторы, т. е.

чтобы решить вопрос о том, можно ли назвать

пленку

«тонкой», следует, очевидно, не только у к а з а т ь

ее пре­

дельную толщину, но п принять во внимание дополни­ тельные факторы . Рассмотрим их.

«Ферромагнитными» считают

только,

такие пленки,

в которых атомные магнитные

моменты

участвуют в

8

обменном взаимодействии. Поведение тонких ферро­ магнитных пленок отличается от поведения массивных магнитных материалов в силу двух основных причин. Во-первых, в противоположность внутренним .электрон­

ным

спинам

поверхностные спины

находятся

в струк­

туре

с более низкой симметрией, т а к

как они

имеют со­

седей только со стороны пленки. Во-вторых,

расположе ­

ние

атомов

в нескольких слоях, б л и ж а й ш и х к

подложке,

зависит от природы подложки и температуры,

которую

она

имела при осаждении пленки. П о д л о ж к а м и

для по-

ликристаллическнх пленок обычно с л у ж а т аморфные ве­ щества, например стекло или кварц, которые не могут су­ щественно влиять на кристаллическую структуру пленки. Тем не менее неизбежные несовершенства и неровности этих подложек будут до некоторой степени определять равновесные расположения по крайней мере нескольких

первых

слоев

атомов

во время осаждения . Д р у г а я ж е

сторона

пленки подвержена

действию остаточных

газов

во время

напыления,

а впоследствии — и воздуха. Вслед­

ствие

этого

может происходить окисление поверхност­

ных слоев, что в дальнейшем

т а к ж е сказывается на

свой­

ствах тонких

пленок.

 

 

 

Из сказанного ясно, что если поверхностные спины составляют значительную часть общего числа всех спи­ нов в образце, как это имеет место в большинстве тонких пленок, то свойства такого образца могут отличаться от свойств массивного материала . Действительно, при неко­ торых обстоятельствах тонкие пленки м о ж н о рассматри ­ вать как особое состояние вещества [12] . М о ж н о привес­ ти и другие факторы, свидетельствующие о существен­ ном отличии свойств тонких пленок от массивных мате­ риалов, например, существенное отличие кристалличе ­ ской структуры пленок от структуры массивных материа ­

лов и

т. п. О д н а к о у ж е и

так ясно, что термин «тонкая

пленка» кроме геометрических особенностей пленок

(тол­

щина,

площадь) о т р а ж а е т

т а к ж е и их существенные

фи ­

зические особенности по отношению к магнитным мас ­

сивным м а т

е р и а л а м .

Р е а л ь н а я

тонкая ферромагнитная пленка состоит из

множества областей, н а з ы в а е м ы х доменами (или облас ­

тями самопроизвольной

намагниченности), к а ж д ы й из ко­

торых

намагничен до

насыщения,

т._е. внутри

к а ж д о г о

домена

все магнитные

моменты

располагаются

п а р а л ­

лельно.

Намагниченность пленки

в целом представляет

собой векторную сумму намагниченностей отдельных до­

менов; в к л а д

к а ж д о г о

из них пропорционален его объ­

ему. Р е з у л ь т

и р у ю щ а я

намагниченность пленки может,

следовательно, принимать различные значения от нуля (когда векторная сумма равна нулю) до некоторого мак­ симального значения, когда пленку в целом можно счи­ тать одним доменом, в котором все атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении .

Д а н н о й величине результирующей намагниченности могут соответствовать только определенные доменные структуры, так как в пленке (как и в других магнитных материалах) реализуются лишь структуры с минималь ­ ной энергией. Д л я пленок энергетически наиболее выгод­ ным оказывается состояние, в котором векторы намаг­ ниченности параллельны поверхности слоя.

В основные компоненты свободной энергии ферромаг ­ нитных областей входят обменная энергия, энергия ани­ зотропии, магнитоупругая энергия и магнитостатическая

энергия.

Наиболее полную трактовку этого вопроса

мож ­

но найти

в специальной

литературе [12—13]. Оценим

значения

этих компонент

для однородной пленки,

в ко­

торой все магнитные моменты ориентированы в одном направлении .

О б м е н н а я

э н е р г и я

характеризует

энергетиче­

с к у ю

связь

м е ж д у

электронами

атомов,

обусловленную

обменным эффектом,

и зависит от спинов

взамодействуго-

щих

атомов

и

их взаимной

ориентации.

Обозначая эту

энергию через Еоби,

запишем ее в виде Еобм

 

= — 25j5 2 CI,

где

Sx

и S2

— векторы

спинов

некоторых

двух

атомов,

a J

— коэффициент

пропорциональности,

называемый об­

менным

интегралом.

 

 

энергии Е0бы

 

 

 

Выражение для обменной

можно

записать

т а к ж е

в

ином виде,

вводя

угол

р м е ж д у

направлениями

спинов, а именно

Еоби

=

— 2JS2 cos(3, где предполагается,

что спины обоих взаимодействующих атомов равны по

величине. Д л я малых

углов р это выражение

можно упро­

стить . Разлагая cosp в степенной ряд получаем

 

Введем разность Д £ о

б м = Е0ЁЫ

(Р) — Еобы (0),

которую дл я

мадых р приближенно

запишем в виде кЕобы ^

J5 2 P 2 . Это

выражение описывает

увеличение потенциальной

энергии

д в у х атомов при нарушении

строго параллельного

распо-

.10

Смотрите также файлы