ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 6 (12), стр. 1093-1100

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРОДЫШЕЙ НАМАГНИЧЕННОСТИ

РАЗНОГО ЗНАКА КАК ПРИЧИНА НЕМОНОТОННОЙ ПОЛЕВОЙ

ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ДОМЕННОЙ СТЕНКИ В

СИНТЕТИЧЕСКИХ ФЕРРИМАГНЕТИКАХ Pt/Co/Ir/Co/Pt

А. И. Безверхний^a,b, А. Д. Таланцев^a,b, С. Манженc*, Р. Б. Моргуновa,b,d**

^a Институт проблем химической физики Российской академии наук

142432, Черноголовка, Московская обл., Россия

^b Тамбовский государственный технический университет

392000, Тамбов, Россия

^c Institut Jean Lamour, UMR 7198 CNRS, Université de Lorraine

54601, France

^d Первый МГМУ им. И. М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет)

127994, Москва, Россия

Поступила в редакцию 12 февраля 2019 г.,

после переработки 30 июля 2019 г.

Принята к публикации 30 июля 2019 г.

Цель работы заключалась в установлении того, как скорость расширения зародышей намагниченности

разного типа зависит от их окружения другими зародышами в синтетическом ферримагнетике с пер-

пендикулярной магнитной анизотропией Pt/Co/Ir/Co/Pt. В образце с двумя ферромагнитными слоями

разной толщины существует четыре типа зародышей: P⁺ соответствуют участкам, где намагниченности

толстого и тонкого слоев Со направлены вдоль внешнего поля (↑↑), P^- — участки с направлением на-

магниченностей слоев против поля (↓↓), и еще два типа зародышей AP⁺ и AP^- соответствуют участкам,

где намагниченности толстого и тонкого слоев Co направлены противоположно друг другу, а суммарный

магнитный момент направлен соответственно вдоль (↑↓) или против поля (↓↑). Установлено, что для

зародышей P^-, которые в любом поле окружены только участками АP⁺, имеет место монотонная зави-

симость скорости границы от поля. Скорость расширения зародышей АP^- зависит от поля немонотонно,

так как с ростом поля эти зародыши окружены сначала зародышами АP⁺, затем участками АP⁺и P^- и

в сильных полях — только зародышами P^-.

DOI: 10.1134/S004445101912006X

нитную анизотропию, ориентируя намагниченность

перпендикулярно плоскости пленки. В зависимости

1. ВВЕДЕНИЕ

от площади синтетического ферримагнетика, фер-

Одним из элементарных устройств спинтроники

ромагнитные слои в них могут быть однодоменны-

является синтетический ферримагнетик, состоящий

ми (при размерах около 10 нм²), либо многодомен-

из двух ферромагнитных тонких (около 1 нм) сло-

ными (с размерами около 1 мм²). Синтетические

ев ферромагнетика разной толщины, разделенных

ферримагнетики больших размеров используются в

прослойкой немагнитного металла (спейсером). Ма-

чувствительных датчиках магнитного поля и в био-

лая толщина ферромагнитных слоев (обычно менее

сенсорах [1,2]. Исследуемые нами гетероструктуры

2 нм для Со) приводит к тому, что поверхностная

Pt/Co/Ir/Co/Pt представляют интерес в связи с на-

перпендикулярная анизотропия на границе разде-

личием взаимодействия Дзялошинского - Мория на

ла пленок значительно превышает объемную маг-

интерфейсах Pt/Co и Pt/Ir [3]. На основе таких

структур можно создать устройства, в которых пе-

^* S. Mangin

редача информации обеспечивается скирмионами —

^** E-mail: morgunov2005@yandex.ru

1093

А. И. Безверхний, А. Д. Таланцев, С. Манжен, Р. Б. Моргунов

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

нелинейными спиновыми возбуждениями размером

около 10 нм. Процессы перемагничивания и релак-

сации намагниченности в синтетических ферримаг-

нетиках [4, 5] влияют на скорость и поле переклю-

чения этих датчиков. Перемагничивание однослой-

ных пленок надежно предсказуемо и описывается

моделью Фатуццо - Лабрюн [6, 7], которая учиты-

вает сразу два канала магнитной релаксации: раз-

множение зародышей обратной намагниченности и

движение доменных стенок [8]. В отличие от оди-

ночных пленок в синтетических ферримагнетиках

имеется обменная связь между магнитными слоя-

ми, которая осуществляется посредством обменного

взаимодействия RKKY, имеющего затухающий ос-

циллирующий характер при увеличении расстояния

между ферромагнитными слоями. В зависимости от

этого расстояния минимуму энергии двуслойной си-

стемы будет соответствовать ферромагнитная, ли-

бо антиферромагнитная связь между слоями. При

большой толщине спейсера, при которой отсутству-

ет обменное взаимодействие между ферромагнит-

ными слоями, можно считать, что система представ-

ляет собой набор невзаимодействующих отдельных

ферромагнитных пленок. В синтетических ферри-

магнетиках толщина разделяющего слоя подбирает-

Рис.

Схематичное изображение гетероструктуры

Pt/Co/Ir/Co/Pt

ся так, чтобы между ферромагнитными слоями име-

ло место максимальное обменное взаимодействие от-

намагниченности вместо двух. Эти области со все-

рицательного знака, т.е. создается искусственный

ми вариантами направления намагниченности раз-

антиферромагнетик, состоящий из двух обменно-

личимы методом микроскопии Керра (MOKE). При-

связанных ферромагнитных слоев. Магнитная ре-

менение этого метода в данной статье направле-

лаксация в синтетических ферримагнетиках может

но на определение динамики размножения и взаи-

быть монотонной, как в тонких однослойных плен-

модействия этих зародышей в процессе магнитной

ках [5, 9]. Однако при определенных условиях в об-

релаксации синтетических ферримагнетиков. Ранее

разце Pt/Co/Ir/Co/Pt (рис. 1) наблюдается немоно-

в гетероструктурах Pt/Co/Ir/Co/Pt релаксацион-

тонная релаксация намагниченности [4] и даже ос-

ные зависимости намагниченности были получены

циллирующая релаксация [10]. В работе [4] немоно-

методом СКВИД-магнитометрии [4], который поз-

тонную магнитную релаксацию пытались объяснить

волял наблюдать лишь интегральную намагничен-

с позиции теории макроспина, т. е. пренебрегая мно-

ность образца, но не позволял исследовать локаль-

годоменной структурой, наличием и взаимодействи-

ные механизмы перемагничивания, такие как появ-

ем зародышей фазы обратной намагниченности. Та-

ление зародышей обратной намагниченности и дви-

кой подход, учитывающий несколько путей релак-

жение доменной стенки. К тому же, СКВИД-магни-

сации двуслойной магнитной системы, не подходит

тометр обеспечивал весьма низкое временное разре-

для описания осциллирующей релаксации и нуж-

шение (с точностью до минуты). В данной работе

дается в учете взаимодействия зародышей обрат-

для исследования локальной релаксации намагни-

ной намагниченности в соседних слоях. В синтети-

ченности был использован метод MOKE.

ческих ферримагнетиках с перпендикулярной маг-

Цель работы заключалась в установлении зако-

нитной анизотропией существуют четыре типа вза-

номерностей динамики развития и исчезновения за-

имного направления намагниченности: два парал-

родышей намагниченности разных типов в постоян-

лельных (P⁺, P^-) и два антипараллельных (AP⁺,

ном магнитном поле в переходном режиме между

AP^-) (см. вставки на рис. 2). Таким образом, в от-

равновесными состояниями намагниченности синте-

личие от одиночных пленок, в синтетических фер-

тических ферримагнетиков Pt/Co/Ir/Co/Pt с пер-

римагнетиках существуют четыре вида зародышей

пендикулярной магнитной анизотропией.

1094

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

Взаимодействие зародышей намагниченности. . .

и 3d_x2_-y2 -орбиталями Со и индуцировала перенос

P⁺

спин-поляризованных носителей заряда между фер-

ромагнитными слоями [11].

2) Толщина разделяющего слоя (спейсера) бы-

ла подобрана так, чтобы обеспечивался антиферро-

AP⁺

магнитный обмен RKKY между ферромагнитными

слоями.

Петля магнитного гистерезиса и изображения

доменной структуры поверхности были получены

-50

P^-

при помощи микроскопа на основе магнитооптичес-

кого полярного эффекта Керра Durham Magneto-

-700

700

optics NanoMOKE3. Микроскоп был оснащен объ-

H, Э

ективом для измерений полярного эффекта Керра

и электромагнитом с диапазоном магнитного поля

Рис. 2. Гистерезис, измеренный методом MOKE. Стрел-

±1200 Э и разрешением 0.1 Э. Образец был уста-

ками на полевой зависимости показано направление раз-

новлен в сфокусированном пятне лазерного луча

вертки поля со скоростью 6 кЭ/c. Штриховыми линиями

указаны намагниченности, соответствующие четырем ста-

диаметром 5 мкм. Поле электромагнита было на-

бильным состояниям взаимного направления намагничен-

правлено перпендикулярно к поверхности образца

ности ферромагнитных слоев. На боковых вставках стрел-

с точностью примерно 1^◦ во всех опытах. Поэтому

ками показаны направления намагниченности в верхнем и

составляющая поля в плоскости образца была мала

нижнем слоях для каждого из четырех равновесных со-

и не приводила к асимметрии зародышей намагни-

стояний. Вертикальная линия HC соответствует полю пе-

ченности, типичной для обнаружения вклада взаи-

реключения -480 Э, вертикальные линии 1 и 2 соответ-

модействия Дзялошинского - Мория [3].

ствуют полям -535 Э и -448 Э, в которых были сделаны

Все измерения были проведены в постоянном

серии снимков на рис. 3

магнитном поле за исключением записи петель

гистерезиса со скоростью 6 кЭ/c. Было записано

несколько серий микрофотографий доменов в по-

2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА

ЭКСПЕРИМЕНТОВ

стоянном магнитном поле в диапазоне от -433 Э

до -550 Э. Шаг по полю между сериями состав-

Многослойная структура SiO₂/Pt(3.2 нм)/

лял 1 Э. Перед началом записи каждой серии из-

Co(1.1 нм)/Ir(1.4 нм)/Co(1 нм)/Pt(3.2 нм) (рис. 1)

мерений устанавливалось поле +1200 Э, значитель-

размером 4 × 4 мм² была выращена методом магне-

но превышающее поле насыщения (+800 Э). После

тронного напыления на кремниевую пластину при

насыщения образца внешнее поле переключалось к

T = 300 K. Точность измеренных толщин слоев ме-

меньшему отрицательному значению (в диапазоне

тодом просвечивающей электронной микроскопии

от -433 Э до -550 Э) и записывалась серия мик-

составляет 0.2 нм. Методика изготовления образцов

рофотографий доменов в этом поле. Запись изоб-

и их аттестация приведены в работе

[5]. Хотя

ражений начиналась после стабилизации поля в те-

различие толщин «тонкого» (1.0 нм) и «толстого»

чение 1 с и проводилась в сканирующем режиме в

(1.1

нм) слоев находится внутри погрешности

квадратной области размером 350 мкм × 350 мкм.

измерений, сам факт различия толщин вытекал из

Время сканирования одного изображения составля-

разного времени напыления этих слоев, которое

ло 0.6 с/кадр и было в 100-1000 раз меньше, чем

было больше для толстого слоя. Кроме того, вид

время прохождения доменной границы через всю

петли гистерезиса (рис.

2) и критические поля

область сканирования. Продолжительность записи

переключения на петле магнитного гистерезиса

серии микрофотографий (500 кадров) составляла

говорят о различиях в поле переключения этих

300 с. Для определения скорости доменной стенки

слоев.

регистрировали ее положение на каждом 20-м кад-

Приготовленные образцы удовлетворяли следу-

ре (каждые 12 с). Скорость доменной стенки опре-

ющим условиям.

делялась по наклону зависимости ее положения от

1) Перпендикулярная магнитная анизотропия в

времени. Таким образом, смещение доменной грани-

них обеспечивалась гибридизацией 3d-орбитального

цы за время сканирования не превышало значения

момента Co и 5d-орбиталей Pt и Ir. Эта гибриди-

пространственного разрешения микроскопа, опреде-

зация усиливала энергию расщепления между 3d2z-

ляемого диаметром сфокусированного пятна лазер-

1095

А. И. Безверхний, А. Д. Таланцев, С. Манжен, Р. Б. Моргунов

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

AP⁺

AP⁺ AP^-

AP^-

t = 0

9 c

27 c

45 c

54 c

90 c

150 c

AP⁺

P^-

AP^-

t = 0

9 c

27 c

45 c

54 c

90 c

150 c

AP⁺

Рис. 3. Последовательности изображений MOKE образца, записанные в постоянном магнитном поле. Перед измерени-

ем образец находился в поле насыщения (+1200 Э), а затем помещался в постоянное поле: a) — H = -448 Э и б) —

H = -535 Э. Окружностью выделен домен, размеры которого измерялись в разные моменты времени для разных полей.

Стрелками указаны три фазы намагниченности. Цифрами 1 и 2 указаны домены, для которых построена зависимость

скорости их границы от приложенного поля на рис. 5. Фазы AP⁺ и AP^- на вставках а и б показаны разными цветами

для обеспечения наилучшей контрастности рисунков

ного луча, а изменение доменной структуры за вре-

ческих полей переключения влияние оказывает ско-

мя сканирования (0.6 с) было пренебрежимо мало по

рость развертки магнитного поля. В работе [12] по-

сравнению с ее изменением на временном интервале

казано, что при увеличении скорости развертки маг-

сравнения (более 10 с).

нитного поля величина критического поля переклю-

чения намагниченности смещается в область более

высоких значений. При сравнении результатов ре-

лаксации намагниченности с полевой зависимостью

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

(рис. 2) нужно учитывать, что в постоянном магнит-

ном поле (условия измерения релаксации) поля пе-

Полевая зависимость намагниченности (рис. 2)

реключения между равновесными состояниями на-

позволила идентифицировать равновесные значе-

магниченности имеют более низкое значение, чем на

ния намагниченности слоев Co в различных магнит-

полевой зависимости намагниченности (рис. 2).

ных полях, а также критические поля переключения

между этими стабильными состояниями синтетиче-

На рис. 3 изображены последовательности сним-

ского ферримагнетика. При исследовании времен-

ков МОКЕ сделанных в полях -448 Э (рис. 3а)

ных зависимостей намагниченности значение внеш-

и -535 Э (рис. 3б), близких к полю переключе-

него поля выбиралось близким к полю переклю-

ния намагниченности свободного слоя при разверт-

чения, определенному из рис. 2 (вертикальная ли-

ке «снизу-вверх» HC = -480 Э. Эти поля пока-

ния H_C ). Четыре равновесных состояния образца на

заны на рис. 2 вертикальными линиями 1 и 2. На

рис. 2 соответствуют горизонтальным участкам за-

рис. 3а видны объекты двух типов (светлые и тем-

висимости M(H). Переход между этими состояния-

ные). В магнитом поле -448 Э (рис. 3а) можно ожи-

ми при записи петель магнитного гистерезиса про-

дать зародыши лишь двух типов, AP⁺ и АР^-, со-

исходит с задержкой, поскольку длительность са-

гласно петле гистерезиса для данного поля (линия

мопроизвольной магнитной релаксации между эти-

2 на рис. 2). Поэтому объекты двух типов разной

ми состояниями превышает время прохождения пе-

яркости однозначно приписываются зародышам на-

рехода. В процессах перемагничивания синтетиче-

магниченности: AP^- — светлее и AP⁺ — темнее. В

ских ферро- и ферримагнетиков на значения крити-

поле -535 Э, которое отвечает линии 1 на рис. 2, при

1096

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

Взаимодействие зародышей намагниченности. . .

D, мкм

250

200

t = 16 c

25 c

34 c

43 c

Рис. 4. (В цвете онлайн) Изображения МОКЕ образца, за-

150

писанные в постоянном магнитном поле. Перед записью

снимков образец насыщался в поле +1200 Э, затем вклю-

100

чалось поле -444 Э. Время, указанное под кадрами, равно

времени нахождения образца в постоянном поле -444 Э.

Красным отрезком показано направление измерения ли-

нейного размера домена 1 на рис. 3, голубым отрезком —

направление измерения линейного размера домена 2 на

рис. 3

t, c

Рис. 5. Зависимость линейного размера домена, измерен-

релаксации из состояния P^- можно ожидать появ-

ного вдоль горизонтальной оси, соответствующей 100 мкм,

ления зародышей трех типов, AP⁺ , AP^- , P^-. Со-

от времени приложения постоянного магнитного поля. Пе-

ответственно этому на рис. 3б наблюдаются зароды-

ред началом измерений образец помещался в поле, превы-

ши трех типов, которые по степени их потемнения

шающее поле насыщения (+1200 Э), а затем устанавлива-

однозначно приписываются упомянутым состояни-

лось поле, при котором проводилась видеозапись микро-

ям P^- — самый светлый, AP^- — промежуточный,

скопом MOKE: 1 при -439 Э, 2 при -448 Э, 3 при -485 Э,

AP⁺ — самый темный. Таким образом, несмотря на

4 при -516 Э и 5 при -535 Э. Интервал между снимками

различия в оптической длине лазерного луча для

составлял Δt = 0.6 с

нижнего и верхнего слоев и небольшую разницу в

толщинах слоев, петля гистерезиса на рис. 2 и заро-

дыши намагниченности на рис. 3 надежно иденти-

v_DW, мкм/с

фицируют типы зародышей. Изменение поля при-

водит к разным интенсивностям одного и того же

типа зародышей на разных рисунках, однако это не

затрудняет идентификацию типов зародышей, осно-

ванную на сравнении их яркости, а не на ее абсолют-

ном значении.

На рис. 3 видно, что в поле -448 Э сначала на

фоне фазы АP⁺ (темная область при t = 0) воз-

никают зародыши фазы АР^- (светлая область). В

дальнейшем наблюдается расширение областей АР^-

в постоянном магнитном поле. В поле -535 Э на

фоне фазы АP⁺ (темная область при t = 0) одно-

временно возникают две фазы: Р^- вокруг дефектов

-420

-440

-460

-480

-500

-520

-540

-560

и царапин и AP^- на тех же местах, что и на рис. 3а.

Н, Э

В конце процесса релаксации при t = 150 c все фазы

поглощаются фазой AP^-, равновесной для данного

Рис. 6. Зависимость скорости доменной границы от поля

поля.

для AP^- доменов 1 и 2 (круглые и треугольные символы),

обозначенных этими же номерами на рис. 3. Перед нача-

Для получения зависимости линейного размера

лом измерений устанавливалось поле +1200 Э, превыша-

D фазы AP^- выбирались ее зародыши (на рис. 3а

ющее поле насыщения. Измерение скорости доменной гра-

выделено контуром) и измерялся их линейный раз-

ницы от поля проводилось в постоянном во времени поле с

мер в направлении, показанном на рис. 4, в разные

напряженностью в диапазоне от -433 Э до -548 Э. Сплош-

моменты времени. В результате был получен набор

ной линией 3 показана аппроксимация уравнением (1)

зависимостей линейного размера домена от време-

ни для разных полей (рис. 5). Временные зависи-

1097

ЖЭТФ, вып. 6 (12)

А. И. Безверхний, А. Д. Таланцев, С. Манжен, Р. Б. Моргунов

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

v_DW, мкм/с

Аналогичным образом была исследована эволю-

ция фазы Р^- в постоянном магнитном поле. С этой

целью также использовался рис. 3, но наблюдения

проводились за зародышами фазы P^- (светлые об-

ласти). В результате измерения размера зародыша

D как функции времени были получены зависимо-

сти скорости доменной стенки v_DW , разделяющей

фазы Р^- и АP⁺, от магнитного поля, в котором про-

водилось наблюдение (рис. 7). Эта зависимость так-

же хорошо повторялась для разных случайно вы-

бранных зародышей (ср. кривые 1 и 2 на рис. 7) и

была монотонно возрастающей, в отличие от анало-

гичной зависимости для фазы АР^-. Отметим, что

-525

-530

-535

-540

-545

-550

рост фазы Р^- стартовал в полях, больших по абсо-

Н, Э

лютному значению, чем 530 Э, что выше значения

для фазы АР^-, поэтому зависимость v_DW (H) для

Рис. 7. Скорость движения стенок отдельных P^--доменов

нее была построена в другом диапазоне магнитных

1 и 2 при переходе AP⁺ → P^-. Сплошной линией 3 пока-

зана аппроксимация уравнением (1)

полей (ср. рис. 6 и рис. 7).

Опишем теперь, как менялось и эволюциониро-

мости D(t) размеров одной и той же области AP^-,

вало сосуществование фаз во времени. В интерва-

многократно полученные таким образом, были близ-

ле полей от -480 Э до -511 Э наблюдались лишь

ки к линейным в пределах ошибки измерений для

области AP⁺ и AP^-. Повышение поля по абсолют-

различных значений приложенного поля (рис. 5).

ной величине в этом интервале вызывает уменьше-

На некоторых кривых наблюдается задержка дви-

ние скорости движения границ AP^-/AP⁺ (рис. 6).

жения доменной границы (см. кривые 1 и 5), од-

Начиная с поля -511 Э одновременно начинают

нако, поскольку размер пикселя на изображениях

быть различимы три типа областей: AP⁺, AP^- и P^-

около 5 мкм значительно превышает размер однодо-

(рис. 3б). С ростом абсолютного значения магнитно-

менности около 10 нм, необнаружение зародыша мо-

го поля области P^- растут быстрее (рис. 7), а ско-

жет быть связано с ограничением пространственно-

рость распространения фазы AP^- при этом умень-

го разрешения микроскопа, а не с исследуемым фи-

шается (рис. 6), так же, как в интервале от -480 Э

зическим процессом расширения зародыша намаг-

до -511 Э.

ниченности. Этот факт не позволил нам обсуждать

наблюдаемую иногда задержку в движении границ

4. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

зародышей намагниченности. С ростом абсолютной

РЕЗУЛЬТАТОВ

величины внешнего поля наклон зависимостей D(t)

сначала увеличивался в диапазоне от -448 Э до

В тонких ферромагнитных пленках доменные

-485 Э (рис. 5, кривые 1-3), а затем уменьшался в

стенки движутся в трех режимах в зависимости от

диапазоне от -485 Э до -535 Э (рис. 5, кривые 4 и

приложенного магнитного поля: в режиме ползуче-

5). На рис. 5 и серии аналогичных кривых D(t) для

сти, в режиме открепления и в режиме текучести

других полей (не показаны на рис. 5) были получе-

[13, 14]. Режим ползучести характеризуется нели-

ны скорости v_DW доменной границы фазы AP^- пу-

нейной зависимостью скорости движения доменной

тем вычисления среднего угла наклона этих кривых

стенки от приложенного поля. Форма этой зависи-

v_DW = dD/dt при разных полях H (рис. 6). Зависи-

мости определяется торможением доменной стенки

мость v_DW (H) для фазы AP^- была немонотонной

о препятствия. Этот режим наблюдается в магнит-

и имела максимум в магнитном поле -485 Э, близ-

ных полях, меньших поля закрепления H_p [14]. Дви-

ком к полю переключения H_C = -480 Э синтетиче-

жение доменной стенки происходит скачкообразно

ского ферримагнетика из состояния Р^- в состояние

от барьера к барьеру с образованием микроразмер-

АР^- (см. рис. 2). Следует отметить, что независимо

ных протуберанцев (рис. 3). В этом режиме зависи-

от выбранного зародыша фазы AP^- динамика его

мость скорости движения доменной стенки от при-

расширения (зависимость v_DW (H)) была аналогич-

ложенного поля описывается выражением [13]

ной, т. е. имела максимум в том же магнитном поле,

v_DW = v₀ exp((H - H_p)/H_f ),

(1)

близком к H_C (ср. кривые 1 и 2 на рис. 6).

1098

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

Взаимодействие зародышей намагниченности. . .

где H_p — поле закрепления, H_f — флуктуационное

Р-. Однако немонотонный характер зависимости

поле [15].

v_DW (H) для этой фазы в сильных полях требует

Режим открепления является промежуточным

дополнительного анализа.

между режимами ползучести и текучести и наблю-

В синтетическом ферримагнетике существует

дается в интервале полей H_p < H < H_d, где H_d —

всего четыре варианта взаимного направления на-

поле открепления доменной стенки.

магниченности в двух магнитных слоях различ-

Режим текучести наблюдается в полях H > H_d,

ной толщины. Когда речь идет о движении облас-

при которых совершает надбарьерное движение. Ее

ти AP^-, которая поглощает область AP⁺ (переход

граница в этом случае гладкая, а зависимость ско-

AP⁺ → AP^-), имеется в виду, что движение грани-

рости стенки от поля является линейной и описыва-

цы области AP^- реализуется одновременным дви-

ется феноменологическим уравнением [13]

жением доменных стенок нижнего и верхнего маг-

v_DW = v₀ + m(H - H_d),

(2)

нитных слоев. При переходе AP⁺ → P^- граница

движения области P^- соответствует движению гра-

где m — параметр, отвечающий за подвижность до-

ницы магнитного домена в нижнем магнитном слое,

менной стенки.

в то время как верхний магнитный слой остается

Из неровных границ доменов на рис. 3 следует,

без изменений. При переходе P^- → AP^-, напротив,

что доменные стенки областей P^- и AP^- движут-

граница движения области AP^- соответствует дви-

ся в режиме ползучести в полях -448 Э и -535 Э.

жению доменной стенки в верхнем магнитном слое,

Области P^- появляются в полях H < -526 Э. Ско-

в то время как нижний магнитный слой остается без

рость движения доменной стенки в этих полях была

изменений.

аппроксимирована выражением (1) (рис. 7). Пара-

Причиной уменьшения скорости границы облас-

метры аппроксимации H_p = -494 Э, H_f = 4.1 Э.

ти AP^-/P^- в полях H < -480 Э может быть об-

Полученные параметры могут быть пересчитаны в

разование зародышей P^-, которые выступают в ро-

активационный объем V_A отрыва доменной стенки

ли барьеров. Это происходит потому, что разница

от препятствия по формуле [13]

между энергиями состояний AP^- и AP⁺ больше,

k_BT

V_A =

(3)

чем между энергиями состояний AP^- и P^- (здесь

2M_SH_f

имеются в виду суммарная зеемановская обменная

где k_B — константа Больцмана, M_S — намагничен-

энергия и энергия анизотропии). С понижением на-

ность насыщения.

пряженности магнитного поля разница между зее-

Полученный для доменов P^- активационный

мановскими энергиями состояний AP^- и P^- будет

объем V_A = 4317 нм³ определяет размер скачка до-

уменьшаться, и скорость перехода P^- → AP^- будет

менной стенки в режиме ползучести.

уменьшаться вплоть до значения поля H = -570 Э,

Обсудим теперь немонотонную зависимость фа-

когда состояние P^- станет энергетически более вы-

зы АР^- от поля (рис. 6). Скорость движения стенок

годным, чем AP^-. В отсутствие областей с кон-

области AP^- не описывается выражением (1) (кри-

фигурацией P^- в интервале полей от +482 Э до

вая 3 на рис. 6). Однако вдали от максимума при

-570 Э скорость перехода AP⁺ → AP^- должна уве-

малых полях можно считать, что движение домен-

личиваться с понижением напряженности поля. По-

ной стенки также происходит в режиме ползучести,

ле H = -480 Э, в котором зависимость v_DW (H)

и аппроксимировать начальную часть зависимости

для перехода AP⁺ → AP^- изменяет возрастание

ее скорости от поля формулой (1) (рис. 6). В резуль-

на убывание (рис. 6), соответствует полю перехо-

тате для доменов AP^- получается активационный

да P^- → AP⁺ на возрастающей ветке петли гисте-

объем V_A = 648 нм³, значительно меньший, чем для

резиса. Это не соответствует условиям проводимых

доменов P^-.

измерений, и области P^- не должны были бы на-

Сравним полученные данные с результатами

блюдаться в исследуемом интервале полей соглас-

других авторов. Активационный объем для одно-

но полевой зависимости (рис. 2). В действительнос-

слойной пленки с перпендикулярной магнитной ани-

ти, зародыши фазы P^- все же возникают при пони-

зотропией Au/Co(1 нм)/Au при температуре T =

женных значениях магнитных полей вблизи неод-

= 300 K равен 950 нм³ [16]. Из этого следует, что

нородностей и механических дефектов пленки. Рас-

движение границы области AP^- в режиме ползу-

положение зародышей P^- образует узор, похожий

чести в слабых полях больше похоже на движе-

на следы от царапин (рис. 3б), и воспроизводит-

ние доменной стенки в однослойной тонкой плен-

ся при повторном перемагничивании пленки, что

ке Au/Co(1 нм)/Au, чем движение границы фазы

подтверждает эту гипотезу.

1099

А. И. Безверхний, А. Д. Таланцев, С. Манжен, Р. Б. Моргунов

ЖЭТФ, том 156, вып. 6 (12), 2019

Основное отличие полученных нами данных от

Финансирование. Работа выполнена при под-

ситуаций, исследованных на этих же образцах в [4],

держке гранта 3.1992.2017/4.6 в рамках конкурса

заключается в том, что ранее изучалась лишь ин-

научных проектов, выполняемых научными коллек-

тегральная намагниченность всего образца, а дина-

тивами исследовательских центров и (или) научных

мика развития и зарождения зародышей намагни-

лабораторий образовательных организаций высше-

ченности оставалась «за кадром». Поскольку мик-

го образования, а также в рамках Проекта повы-

роскопия Керра была использована для получения

шения конкурентоспособности ведущих российских

интегрального сигнала, формирование и закономер-

университетов среди ведущих мировых научно-об-

ности развития зародышей намагниченности не бы-

разовательных центров «5-100». Работа А. Б. под-

ли исследованы. Развитая в [4] модель относится к

держана Российским фондом фундаментальных ис-

монодоменному образцу размерами 10 нм × 10 нм

следований (грант №19-32-90128, аспиранты).

и описывает вероятности его пребывания в различ-

ных состояниях целиком, без учета существования

в нем доменных границ и зародышей намагничен-

ЛИТЕРАТУРА

ности, т. е. в рамках теории макроспина.

C. Jiang, S. Mei Ng, C. W. Leunget et al., J. Mater.

Chem. C 5, 252 (2017).

5. ВЫВОДЫ

G. Li, S. Sun, R. J. Wilson et al., Sensors and Ac-

1. В гетероструктуре SiO₂/Pt(3.2 нм)/Co(1.1 нм)/

tuators A Phys. 126, 98 (2006).

Ir(1.4 нм)/Co(1 нм)/Pt(3.2 нм) полевая зависимость

K. Shahbazi, J.-V. Kim, H. T. Nembach et al., Phys.

скорости расширения зародышей Р^- в окружении

Rev. B 99, 094409 (2019).

фазы AP⁺ монотонна. Активационный объем дви-

жения границы Р^-/AP⁺ в постоянном поле равен

T. Fache, H. S. Tarazona, J. Liu et al., Phys. Rev.

4317 нм³, что значительно превышает активаци-

B 98, 064410 (2018).

онный объем для зародышей намагниченности в

A. Talantsev, Y. Lu, T. Fache et al., J. Phys.:

однослойных пленках Co(1 нм) примерно равный

Condens. Matt. 30, 135804 (2018).

1000 нм³. Это говорит о существенном изменении

структуры препятствий для движения доменной

E. Fatuzzo, Phys. Rev. 127(6), 1999 (1962).

границы Р^-/AP⁺ в двуслойном синтетическом фер-

M. Labrune, S. Andrieu, F. Rio et al. J. Magn. Magn.

ромагнетике по сравнению с однослойной тонкой

Mater 80, 211 (1989).

пленкой.

2. Расширение зародыша АР^- происходит в раз-

A. A. Adjanoh, R. Belhi, J. Vogel et al., J. Magn.

ном окружении другими типами магнитных фаз:

Magn. Mater. 323, 504 (2011).

a) в интервале полей -435 Э < H < -510 Э за-

E. Lundgren, B. Stanka, M. Schmid et al., Phys. Rev.

родыши АР^- окружены фазой АP⁺, б) в интервале

B 62(4), 2843 (2000).

полей -511 Э < H < -542 Э зародыши АР^- окру-

жены одновременно как фазой АP⁺, так и фазой

10.

Р. Б. Моргунов, Г. Л. Львова, Письма в ЖЭТФ

Р-, в) в поле менее -543 Э зародыши АР^- окруже-

108, 124 (2018).

ны только фазой Р^-.

11.

N. Nakajima, T. Koide, T. Shirada et al., Phys. Rev.

3. Смена окружения зародышей AР^- при увели-

Lett. 81, 5229 (1998).

чении постоянного магнитного поля, в котором про-

12.

R. B. Morgunov, E. I. Kunitsyna, A. D. Talantsev et

водится наблюдение, сопровождается сменой знака

al., Appl. Phys. Lett. 114, 222402 (2019).

зависимости скорости границы зародышей AР^- от

поля. Полевая зависимость скорости расширения

13.

A. Lyberatos and J. Ferre, J. Phys. D Appl. Phys.

доменов АР^- немонотонна с максимумом в поле

33, 1060 (2000).

H_C = -480 Э. Активационный объем, определен-

14.

P. J. Metaxas, J. P. Jamet, A. Mougin et al., Phys.

ный из аппроксимации возрастающей части поле-

Rev. Lett. 99, 217208 (2007).

вой зависимости (-435 Э < H < -480 Э), равен

648 нм³.

15.

A. Lyberatos and R. W. Chantrell, J. Phys.: Condens.

Matt. 9, 2623 (1997).

Благодарности. Авторы благодарны Dr. Y. Lu

16.

A. Kirilyuk, J. Ferre, V. Grolier et al., J. Magn. Magn.

и Dr. A. Hamadeh за предоставленные образцы и

Mater. 151, 45 (1997).

плодотворные дискуссии.

1100