Файл: Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов.pdf

жанием никеля 60—40% и концентрационная область соста­ вов трехкомпонентных перминварных пленок образуют широкую полосу составов, характеризующихся высокой прямоуголыюстыо петли гистерезиса. Характерно, что эта полоса

диаграмме области концентрации сплавов, тонкие пленки ко­ торых обладают наибольшей прямоугольностыо петли гисте­ резиса и высокой анизотропностью свойств, совпадают с областью составов, характеризующихся минимальным зна­ чением коэрцитивной силы и дисперсии анизотропии, макси­ мальным значением магнитной проницаемости и т.д., т. е. об­ ладают удачным сочетанием значений технически важных па­ раметров.

Высокий коэффициент прямоугольности петли гистерезиса также в пленках ряда сплавов с решеткой ОЦК. Состав этих пленок располагается вблизи соединения FeCo. В пленках остальных сплавов системы Fe—Ni—Со коэффициент прямо­ угольное™ петли гистерезиса в большинстве случаев не ниже

90%.

Впределах всего концентрационного треугольника наибо­ лее сильное уменьшение коэффициента прямоугольности пет­ ли гистерезиса наблюдается в основном у пленок составов, расположенных у вершин треугольника, занятых железом, никелем и кобальтом. Следует заметить, что в указанных пленках развивается также тенденция к изотропности петли гистерезиса.

Значительной изотропностью, но низкой прямоугольностыо петель гистерезиса отличаются пленки, составы которых рас­ положены вблизи границы а—у-превращеиия, у никелевого угла тройной диаграммы. Пленки, составы которых находятся непосредственно у границы а—у-превращения, а также ряд высоконикелевых пленок (в том числе и трехкомпонентных) имеют типичные закритические петли гистерезиса.

Всистеме Fe—Ni—Со обнаружены также сплавы, пленки которых обладают высокими коэффициентами прямоугольно­ сти и полной изотропностью петель гистерезиса. У некото­ рых из этих пленок наблюдается высокая коэрцитивное™, что имеет известное практическое значение.

292

§ 3. Магнитная анизотропия и поле анизотропии тонких пленок сплавов железо-никель-кобальтовой системы

Изучение зависимости одноосной анизотропии железо-ни- кель-кобальтовых сплавов от состава во всем концентрацион­ ном треугольнике имеет большое значение для познания усло­ вий создания одноосной наведенной анизотропии пленок различных составов и для выяснения возможности их практи­ ческого использования. Это обусловило обширную информа­ цию по результатам исследования магнитной анизотропии пленок, относящихся к отдельным концентрационным диапа­ зонам [310, 327, 445—448] и к системе в целом [299, 435, 449].

На рис. 114 и 115 дана полная картина изменения констан­ ты и поля магнитной анизотропии в зависимости от состава тонких пленок системы железо—никель—кобальт [449].

Из рис. 114 видно, что наибольшим значением константы наведенной анизотропии обладают пленки, состав которых

293

близок к FeCo. От этого состава константа анизотропии пле­ нок а-сплавов снижается к границе а—у-превращения и к же~

лезному углу диаграммы.

В центре концентрационного треугольника располагается полюс максимальных значений Кп пленок тройных сплавов с гранецентрированной кубической решеткой. Наибольшее значение константы одноосной анизотропии пленок тройных сплавов с решеткой ГЦК приходится на состав 27% железа — 43% никеля — 30% кобальта. При удалении от указанного со-

Рис. 115. Концентрационная зависимость поля анизотропии Я к железо- никель-кобальтовых пленок при ориентирующем поле 90 э [442]

става по всем направлениям наблюдается постепенное умень­ шение величины константы одноосной анизотропии. Характер­ но, что граница а—у-превращения, как видно из рис. 114, яв­ ляется границей перехода величины Кп через минимальные значения.

Изменение в- зависимости от состава величины напряжен­ ности поля наведенной анизотропии пленок (рис. 115) во мно­ гом аналогично изменению концентрационной зависимости константы анизотропии.

В отношении концентрационной зависимости поля анизо­ тропии тонких пленок сплавов системы Fe—Ni—Со необходи­ мо заметить следующее. Уилте и Хамфрей [442] сделали

294

попытку построить концентрационную диаграмму напряженно­ сти поля анизотропии пленок тройной системы сплавов желе­ зо—никель—кобальт путем экстраполяции уже известных, но

блюдается близкая к линейной зависимость напряженности поля анизотропии от состава. Однако эксперимент свидетель­ ствует о том, что концентрационная диаграмма значений Н,{ трехкомпонентных пленок, построенная авторами работы [442] методом экстраполяции, оказалась ошибочной. Как можно убедиться из рис. 115, концентрационная зависимость

# к пленок имеет более сложный характер, чем изменение Н1;, указанное в [442]. Такое же замечание следует сделать по поводу приведенной в указанной работе концентрационной диаграммы магнитострикции насыщения массивных образцов сплавов системы железо—никель—кобальт.

Изучение процессов перемагничивания железо-никель-ко- бальтовых пленок показало, что перемагничивание пленок тройных сплавов, составы которых расположены в центре кон­ центрационного треугольника, пленок никель-кобальтовых сплавов в диапазоне концентраций 40—60% никеля и пермаллоевых железо-никелевых пленок приближается к простой мо­ дели когерентного вращения вектора намагниченности. Плен­ ки FeCo перемагничиваются аналогичным образом. Из пленок указанных групп сплавов наименьщие значения напряженно­ сти поля анизотропии наблюдаются в пленках, составы кото­ рых сгруппированы в окрестности пермаллоевых сплавов.

Перемагничивание пленок высоконикелевых сплавов и сплавов, расположенных вблизи границ а—у- и у—е-превра- щений, существенно отличается от процесса когерентного вра­ щения вектора намагниченности.

В пленках, имеющих петли гистерезиса, близкие к изо­ тропным, направление легкого намагничивания, как правило, составляет некоторый угол с плоскостью пленки.

§ 4. Дисперсия наведенной планарной анизотропии тонких пленок

Дисперсия анизотропии служит количественной мерой маг­ нитной неоднородности реальных пленок. При наличии боль­ шого числа факторов, от которых зависят различные виды магнитной анизотропии тонких пленок, нельзя ожидать, что возникновение дисперсии анизотропии может быть связано с каким-либо одним механизмом. Различают две составляющие дисперсии осей анизотропии: коротковолновую компоненту, соответствующую микроскопическим вариациям анизотропии,

, 295

н длинноволновую компоненту, обусловленную макроскопиче­ скими неоднородностями анизотропии (например, вследствие наклонного падения пучка пара и т. д.).

Двумя в какой-то мере очевидными источниками дисперсии осей анизотропии являются магнитокристаллическая анизо­ тропия кристаллитов и локальное изменение магнитоупругой энергии, в том числе пространственные изменения среднего коэффициента магнитострикции в результате негомогениостп состава. Такое предположение согласуется со многими экспе­ риментальными фактами. Установлено, в частности, что дис­ персия анизотропии зависит от технологических факторов: температуры подложки [450], магнитного поля, приложенного в процессе напыления [451], состава пленки [452] и т. д. Подоб­ ные зависимости рассматривались в главе III.

В связи со значительным влиянием дисперсии магнитной анизотропии на свойства пленок этот вопрос интенсивно изу­ чается до настоящего времени.

Методы исследования распределения магнитной анизотро­ пии в пленках были обстоятельно разработаны Фельдкеллером [453], Кроутером, Мидлхуком и др. [454, 455]. Наиболее широкий диапазон концентраций пленок железо-никель-ко- бальтовой системы изучен Вольфом [456], Бредли [457] и Эккардом [437]. Для исследования ими были выбраны составы пленок, расположенные вдоль сечения с отношением Fe : Ni — = 1:2 при изменении содержания кобальта от 0 до 30%, [456], 0 до 40% [457] и 0 до 60% [437]. Однако проведенные этими авторами исследования пленок изолированно взятой области концентраций не позволили обнаружить или правильно пред­ сказать основные закономерности концентрационной зависи­ мости дисперсии анизотропии железо-никель-кобальтовых пле­ нок всей системы.

Влияние угловой дисперсии на процессы перемагничиванпя пленок кобальта изучены в [458, 459].

На рис. 116 представлены результаты измерения угловой дисперсии анизотропии аэо железо-никель-кобальтовых пле­ нок всей системы. Из рисунка видно, что пленки очень боль­ шой области концентраций тройных сплавов с гранецентрироваиной кубической решеткой имеют низкую степень дисперсии анизотропии. Практически весьма важно, что в пределах этой области концентраций угловая дисперсия анизотропии пленок не только мала, но и плавно и незначительно изменяется в зависимости от состава. Это обстоятельство предопределяет существенное уменьшение тех неоднородностей свойств желе­ зо-никель-кобальтовых пленок, которые связаны с колебания­ ми химического состава.

Область составов, соответствующих малой дисперсии ани­ зотропии в пленках, приблизительно совпадает с отмеченной

296

ранее областью концентраций пленок с высокой проницае­ мостью п прямоугольностыо петли гистерезиса, а также с вы­ сокой восприимчивостью к термомагнитному отжигу. Мини­ мум угловой дисперсии анизотропии тройных пленок (по ве­ личине, не превышающей 0,5°) находится вблизи состава 28% Fe — 43% Ni — 29% Со. Минимум дисперсии анизотро­ пии железо-никелевых пленок приходится на состав

80% Ni — 20% Fe.

Концентрационный диапазон минимальных значений дис­ персии анизотропии пермаллоевых железо-никелевых пленок

Ш

Рис. 116. Концентрационная зависимость угловой дисперсии (град) анизо­ тропии железо-ннкель-кобальтовых пленок

значительно меньше, чем трехкомпонентных, и составляет все­ го лишь 5—7 ат. % (см. рис. 116). Вместе с тем величина дисперсии анизотропии пермаллоевых пленок при равных значениях ориентирующего поля существенно превышает дис­ персию анизотропии пермииварных пленок.

Кроме указанных пермаллоевых и пермииварных, в преде­ лах концентрационного треугольника обнаружен еще ряд сплавов, тонкие пленки которых обладают относительно низ­ кой дисперсией анизотропии, например, в области составов

40% Fe — 60% Ni, 50% Ni — 50% Со и др.

297

железа концентрационного треугольника.

Результаты измерения угловой дисперсии анизотропии по­ рошковым методом подтвердили общий характер ее концен­ трационной зависимости, найденной с помощью методики Кроутера. Однако изучение дисперсии анизотропии путем на­ блюдения доменной структуры тонких пленок позволило до­ полнительно обнаружить некоторые детали их намагничива­ ния. Измерения показали, что отмеченное выше уменьшение величины дисперсии анизотропии у пленок тройных сплавов в зависимости от изменения состава происходит в основном вследствие уменьшения ее коротковолновой составляющей. В области составов, соответствующих минимальным значени­ ям угловой дисперсии трехкомпонентных пленок, коротковол­ новая дисперсия (микродисперсия) уменьшается или пол­ ностью исчезает. По мере удаления от состава пленок, соответствующих области с минимальной дисперсией намаг­ ниченности, коротковолновая дисперсия анизотропии пленок постепенно возрастает до полного выравнивания ее с длинно­ волновой составляющей.

§ 5. Импульсные характеристики тонких пленок железо-никель-кобальтовых сплавов

В практическом отношении важнейшими параметрами пленок являются их импульсные характеристики. Для описа­ ния переходных процессов, имеющих место в ферромагнитной пленке в импульсных полях, в первом приближении пользуют­ ся моделью однородного вращения вектора намагниченности. При этом количественные расчеты проводятся на основании модифицированного Гильбертом [460] уравнения Ландау и Лифшица [461]

298

(1 -j- а 2) М

где у—гиромагнитное отношение; М —намагниченность; Н—при­ ложенное поле; а — константа затухания.

Уравнение Ландау и Лифшица позволяет оценить дости­ жимый предел времени перемагничивания, форму и величину выходного сигнала в зависимости от амплитуды и формы при­ кладываемого сигнала, а также найти оптимальные условия процесса перемагничивания исходя из минимального времени переключения.

Если полную энергию E(q, Q) (энергия поля, энергия по­ лей рассеяния) представить как функцию сферических коор­ динат ф и 0

HF 1 dE

[МН] = [—r-grad£(cp, 0)] = — — 1Ф------ — — • — — ie (10.2) dQ sin 0 dq>

и после преобразования подставить в (10.1), то получаются два дифференциальных уравнения:

Здесь ф — угол между вектором намагниченности и осью лег­ кого намагничивания; 0 ■— угол между вектором намагничен­ ности и приложенным полем.

Аналогичные дифференциальные уравнения даются Конге­ ром и Эссигом [462], а также Смитом [463].

При некоторых дополнительных упрощающих [463] предположениях получается уравнение, характеризующее дви­ жение вектора намагниченности тонкой пленки

- ------ iMiL. (sin 0 cos 0 -f- hx sin 0 — /i,,cos0). dt a.

299