Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 5, стр. 458-461

ВВЕДЕНИЕ

Развитие спинтроники нуждается в понимании процесса, происходящего при намагничивании ферромагнитных тонких пленок. Для дальнейших разработок устройств на ферромагнитных пленках требуется изучить процесс перестройки доменной структуры при намагничивании стенок с поперечными связями. Стенки с поперечными связями исследовали в [1–5].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследованы пленки пермаллоя толщиной t ~ ~ 40 нм, полученные методом термического испарения сплава Fe_0.25–Ni_0.75 (λ_s > 0) в вакууме на свежие сколы монокристаллов NaСl в постоянном магнитном поле. При проведении измерений магнитное поле изменяли в интервале 0–8000 А/м [6]. В размагниченном состоянии изображение доменных стенок с поперечными связями приведено на рис. 1. Стенки с поперечными связями не взаимодействуют между собой. Это проявляется в том, что поперечные связи на доменной стенке (ДС) плавно переходят в “рябь намагниченности”, нет искривлений поперечных связей, нет изгибов ДС. Рябь намагниченности играет важную роль в определении направлений векторов намагниченности в любом месте магнитной структуры.

Рис. 1.

Изображение невзаимодействующих доменных стенок с поперечными связями.

Вектор намагниченности направлен перпендикулярно ряби намагниченности в данном месте [7]. Векторная схема распределения векторов намагниченности магнитной структуры в доменах и доменных стенках рис. 2а, приведена на рис. 2в.

Рис. 2.

Взаимодействующие доменные стенки c поперечными связями: а – наибольшее расстояние между доменными стенками, когда проявляется взаимодействие; б – минимальное расстояние между доменными стенками, когда стенки изгибаются дугообразно; в – схема распределения векторов намагниченности для магнитной структуры, показанной на рис. 2а.

О направлении векторов намагниченности в центрах стенок подробно излагается в работе [8]. Пленки перед наблюдением размагничивали переменным магнитным полем. Затем прикладывали постоянное магнитное поле вдоль ОЛН, и наблюдали процесс смещения ДС до появления взаимодействия между ДС. Стенки с поперечными связями (рис. 2а) взаимодействуют между собой. Поперечные связи соседних стенок замкнулись на круговые линии Блоха. На рис. 2а видно, что на круговую линию Блоха замыкается одна поперечная связь (белая), а на другую стенку замыкаются две поперечные связи (черные). На рис. 3а видно, как на одну круговую линию Блоха замыкаются три и четыре поперечные связи.

Рис. 3.

Фотографии, иллюстрирующие взаимодействие доменных стенок с поперечными связями: а – наибольшее расстояние между доменными стенками, когда проявляется взаимодействие; б – доменная структура пленки после приложения к ней внешней нагрузки. s_кр = 15 мкм; Н_к = 2400 А/м.

Чем меньше расстояние между ДС, тем больше искривление ДС. Искривление ДС хорошо видно на рис. 2б. Участки стенок приобрели дугообразный вид. ДС сдвинуты максимально близко настолько, что дальнейшее увеличение магнитного поля уничтожит эту структуру. Поля рассеяния от отдельных участков ДС складываются и создают конфигурацию доменных структур рис. 2б.

На рис. 2в показана схема распределения векторов намагниченности в доменах и стенках. Эта схема дает возможность понять возникновение дугообразных участков ДС. Две пары стенок с поперечными связями сблизились настолько, что отдельные участки стенок этих пар испытывают отталкивание, а другие участки ДС – притяжение, что и привело к характерному дугообразному “волновому” виду доменной структуры. При сближении стенок с поперечными связями было измерено поле смещения Н_см, т.е. минимальная величина внешнего магнитного поля, приложенного вдоль ОЛН, при котором наблюдали сдвиг стенок по отношению друг к другу. Зависимость Н_см от расстояния между стенками приведена на рис. 4а (исследованы пленки с величиной поля анизотропии Н_к = 160 и Н_к =1200 А/м). Для изменения поля анизотропии образцы растягивали с помощью специального штатного устройства в электронном микроскопе вдоль ОЛН. Плотность пар Блоха при деформации резко увеличивалась (рис. 3б). Штриховой линией показана величина поля смещения стенки с поперечными связями в том положении, когда влиянием соседних стенок на нее можно пренебречь. На первом этапе намагничивания пленки, когда расстояние между стенками было достаточно большим, при сближении стенок их структура практически не изменяется. Некоторые изменения структуры наблюдали только в локальных участках пленки из-за наличия в них различного типа дефектов и неоднородностей. При дальнейшем сближении стенок наступает момент, когда поперечные связи одной стенки начинают замыкаться на круговые линии другой (s = s_кр) (рис. 3а). За величину s_кр было взято минимальное расстояние между участками двух соседних стенок. При s_кр крестообразные и круговые линии Блоха еще не замыкаются. Для случая, представленного на рис. 2а (до приложения нагрузки), s_кр ~ 75 мкм.

Рис. 4.

Зависимость поля смещения Н_см для стенок с поперечными связями от расстояния между ними.

Несколько поперечных связей при намагничивании замыкаются на круговую линию Блоха и образуют систему доменов, в которых происходит плавный разворот векторов намагниченности в доменах, по сравнению с той магнитной структурой, которая была до замыкания поперечных связей на круговую линию Блоха. Разворот векторов намагниченности приводит к уменьшению магнитостатической энергии пленки. Следует заметить, что под действием механических напряжений, повышающих поле анизотропии Н_к, также происходит увеличение поля Н_ст.

На рис. 5а приведено изображение взаимодействующих ДС, полученных смещением их вдоль ОЛН. На рис. 5б представлена схема распределения векторов намагниченности в ДС. Цифрами 1 и 2 на схеме обозначены участки ДС, на которых направление векторов намагниченности в ДС совпадает с направлением приложенного поля Н₁ и не совпадает. При определенной величине поля Н₁ (Н₁ = 560 А/м), приложенного вдоль ОТН, эти участки ДС стираются. Для стирания доменных стенок, обозначенных на схеме цифрой 2, необходимо, чтобы поле H₂ было больше H_1, так как векторы намагниченности на этих участках направлены противоположно направлению внешнего поля. В результате нижняя пара ДС разделилась на отдельные домены, изображенные на рис. 5в и схематично на рис. 5г.

Рис. 5.

Фотографии и схемы, иллюстрирующие перестройку магнитной структуры при намагничивании пленки вдоль оси трудного намагничивания: а – две пары взаимодействующих стенок с поперечными связями (Н = 0); б – диаграмма распределения векторов намагниченности в доменных стенках, (Н = 0); в, г – то же для Н = 560 А/м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе приводятся результаты исследования намагничивания стенок с поперечными связями в тонких пленках пермаллоя вдоль осей легкого и трудного намагничивания.

Показано, что с уменьшением расстояния между доменными стенками происходит замыкание поперечных связей на круговые линии Блоха. Поэтому величина поля старта поперечной связи резко возрастает с уменьшением расстояния между стенками. При расстоянии между стенками, равном длине поперечной связи, поле старта Н_ст практически равно полю анизотропии. Таким образом, можно заключить, что стенки с поперечными связями начинают взаимодействовать между собой на более далеких расстояниях, чем однородные. Расстояние, на котором следует учитывать взаимное влияние, примерно равно длине поперечной связи. При уменьшении расстояния между стенками с поперечными связями, с момента замыкания поперечных связей на круговые, наблюдается увеличение поля смещения ДС и поля старта круговых линий Блоха. Блокированная структура разбивается на отдельные домены при определенной величине магнитного поля, приложенного вдоль оси трудного намагничивания.