1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 9, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 9, стр. 1239-1242

Особенности экспериментального исследования процессов квазистационарного намагничивания пленок ферритов–гранатов

А. В. Матюнин 1, *, Г. М. Николадзе 1, П. А. Поляков 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, физический факультет
Москва, Россия

* E-mail: physphak@mail.ru

Поступила в редакцию 18.04.2022
После доработки 13.05.2022
Принята к публикации 23.05.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты, полученные при помощи современной магнитооптической установки, позволившей упростить получение и последующее наблюдение доменных структуры, возникающих при намагничивании пленок ферритов-гранатов с плоскостной анизотропией.

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные свойства ферромагнитных и ферримагнитных материалов зависят (и весьма существенно) от видов доменных структур, образующихся в этих материалах [1]. Исследование различных типов доменов и механизмов их образования, проводимые на протяжении сотни лет, несмотря на значительные достижения в этой области [1, 2], не потеряли актуальность и в настоящее время [3–6]. Наиболее изученными в магнитных пленках с перпендикулярной анизотропией как экспериментально, так и теоретически, являются доменные структуры Ландау-Лифшица с замыкающим магнитным потоком и полосовые доменные структуры Киттеля, создающие в пространстве магнитостатические поля рассеяния [1, 2]. В пленках с плоскостной анизотропией и при наличии в плоскости пленки двухосной анизотропии доменная структура приобретает новые особенности. Так, например, домены Ландау-Лифшица с замыкающим магнитным потоком могут возникать не только на границах пленки, но и внутри пленки [7, 8]. Другой особенностью таких пленок является преимущественное наличие $90^\circ $ доменных стенок [8]. Соответственно одним из механизмов намагничивания таких пленок слабыми магнитными полями является движение $90^\circ $ доменных стенок [8]. В данной работе проводится экспериментальное исследование намагничивания двухосной пленки с плоскостной анизотропией относительно сильным магнитным полем, вектор напряженности которого вращается в плоскости пленки, сохраняя постоянным свою величину. Выявлена доменная структура, возникающая при таком намагничивании. Для подобных экспериментов нашей научной группой был разработан усовершенствованный вариант магнитооптической установки (по сравнению с установкой, используемой нами ранее [8]), позволивший значительно упростить визуализацию получающейся доменной структуры.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Общий вид магнитооптической установки представлен на рис. 1. Для обеспечения равномерного освещения исследуемой пленки в данной магнитооптической установке используется матрица из светодиодов белого свечения общей мощностью 1 Вт.

Рис. 1.

Общий вид магнитооптической установки. 4 – блок коммутации и сопряжения, 5 – источник питания блока коммутации и сопряжения (Mastech HY3003), 6 – дополнительный источник питания блока коммутации и сопряжения (Mastech HY3003), 7 – ноутбук, 8 – мультиметр для контроля протекающих в цепях катушек токов (Mastech M9803R), 9 – магнитометр (LIS3MDL), 10 – цифровая камера для регистрации доменной структуры (Nikon D3400). На вставке: 1 – малые катушки, в основном используемые для насыщения исследуемой пленки, 2 – большие катушки, создающие намагничивающее поле, 3 – малые катушки, используемые для компенсации поля Земли, а также создающие необходимую для наблюдения эффекта Фарадея компоненту вектора намагниченности.

На вставке на рис. 1 показана система катушек, используемая для создания магнитных полей, необходимых для всестороннего проведения экспериментальных исследований. Для инициирования в исследуемой пленке процессов намагничивания используются следующие катушки: малые катушки 1 (ось Y), способные создавать поля до 4 Э, в основном используемые для насыщения исследуемой пленки; большие катушки 2 (ось X), создающие намагничивающее поле (с напряженностью до 40 Э); малые катушки 3, способные создавать поля до 16 Э (ось Z), используемые для компенсации поля Земли, а также создающие необходимую для наблюдения эффекта Фарадея компоненту вектора намагниченности (так как вектор намагниченности выходит из плоскости пленки не более чем на 5°).

С помощью блока коммутации и сопряжения 4 (управляемого при помощи программного обеспечения, установленного на ноутбуке 7) можно создавать необходимые для экспериментальных исследований конфигурации полей (с определенными значениями напряженности данных полей, которые могут изменяться с шагом в 0.1 Э). Блок коммутации и сопряжения подключается к источнику питания 5 (Mastech HY3003), который необходим для энергетического обеспечения необходимых конфигураций полей. Имеется возможность дополнительно задействовать еще один подобный источник питания 6 для создания полей большей напряженности. Мультиметр 8 (Mastech M9803R) используется для контроля силы токов, протекающих в цепях катушек. Значения полей контролируются при помощи магнитометра 9 (LIS3MDL), обладающего возможностью калибровки для учета внешнего действующего поля. Получаемые изображения доменной структуры регистрируется при помощи цифровой камеры 10 (Nikon D3400), обладающей матрицей с 24.2 млн. пикселей и позволяющей получать изображения с максимальным разрешением в 6000 × 4000 пикселей, а также имеющей возможность ручной фокусировки: в этом случае используется объектив Zoom-NIKKOR 35-70 1:3.5–4.8 с удлинительными кольцами. Управление камерой осуществляется с ноутбука 7 при помощи программного обеспечения digiCamControl.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ПОМОЩИ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

В качестве примера на рис. 2а приведена доменная структура, полученная при 90° намагничивании (из состояния технического насыщения) феррит-гранатовой пленки со следующими параметрами: состав (YLuBi)3(FeGa)5O12; эффективные поля: плоскостной анизотропии HKp = 1100 Э, двухосной анизотропии HK2 = 36 Э, одноосной анизотропии HK1 = 4 Э; намагниченность насыщения MS = 14 Гс; поле технического насыщения Hsat = 2 Э; толщина пленки h = 4 мкм. Намагничивающее поле Hm полагалось равным 12 Э.

Рис. 2.

Изображения доменной структуры при 90° намагничивании феррит-гранатовой пленки, полученные при следующих значениях намагничивающего поля Hm: 12 (а), 15 Э (б). Намагничивающее поле направлено вдоль одной из осей легкого намагничивания – параллельно горизонтальной стороны кадра слева направо.

Видно, что при текущем поле доменная структура (которая отображается весьма отчетливо) представлена преимущественно клиновидными доменами. Данный факт подтверждает то важное обстоятельство, что при намагничивании исследуемой пленки вращающимся магнитным полем с приведенной выше напряженностью используется механизм прорастания клиновидных доменов вблизи направлений осей трудного намагничивания. Из полученного магнитооптического изображения (рис. 2а) также следует, что клиновидные домены прорастают как от границы пленки, так и из внутренних ее областей. Возможно, что причиной зарождения доменов вдали от границы являются дефекты в пленке, которые прослеживаются на приведенном изображении. Следует отметить, что в областях направлений осей легкого намагничивания намагничивание происходит, по всей видимости, посредством однородного вращения вектора намагничивания.

При увеличении намагничивающего поля Hm до 15 Э доменная структура полностью пропадает и наблюдается равномерный контраст по всей площади исследуемой пленки (рис. 2б). Как мы полагаем, это свидетельствует о переходе к полнодействующему механизму однородного вращения намагниченности во всем объеме пленки – как это было показано ранее в работе [10], в которой подробно изложены результаты экспериментальных исследований подобного материала при помощи индукционной методики (заключающейся в анализе получаемых при экспериментальных исследованиях осциллограмм сигналов 90° импульсного намагничивания).

Следует особо отметить, что подобный эффект обусловлен наличием в плоскости пленки двухосной анизотропии, которая, в частности, также была выявлена в экспериментах по скоростному динамическому намагничиванию [9, 10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрена современная магнитооптическая установка, позволившая поднять проводимые нашей научной группой экспериментальные исследования на новый уровень: получать изображения доменных структур с большой разрешающей способностью (до 6000 × 4000 пикселей), а также обеспечивать широкий диапазон напряженностей полей, необходимых для всестороннего исследования магнитных материалов с плоскостной и двухосной анизотропией. Кроме того, в дальнейшем данная установка позволит нам проводить экспериментальные исследования процессов, связанных со 180° перемагничиванием подобных магнитных материалов.

Показано, что при визуализации получающейся доменной структуры можно наблюдать интересные особенности поведения исследуемой магнитной пленки: в частности, при значении намагничивающего поля Hm = 12 Э в исследуемой пленке доменная структура представляется преимущественно клиновидными доменами. Из полученного магнитооптического изображения следует, что клиновидные домены прорастают как от границы пленки, так и из внутренних ее областей. Возможно, что причиной зарождения доменов вдали от границы являются дефекты в исследуемой пленке, которые прослеживаются на приведенном выше изображении.

Необходимо особо отметить то, что полученные на данной установке результаты хорошо совпадают с результатами, полученными нами ранее при использовании скоростного динамического намагничивания [9, 10]: в частности, при 90° намагничивании рассматриваемой в работе феррит-гранатовой пленки – имеющей как плоскостную, так и двухосную анизотропию – наблюдается отчетливый переход к полнодействующему механизму однородного вращения намагниченности при значении намагничивающего поля Hm = 15 Э.

Список литературы

  1. Hubert A., Schäfer R. Magnetic domains. The analysis of magnetic microstructures. Berlin, Heidelberg, N.Y.: Springer, 2009. 707 p.

  2. Вонсовский С.В. Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, антиферро- и ферримагнетиков. М.: Наука, 1971. 1032 с.

  3. Li Y., Xu Ke, Hu S., Suter J. et al. // J. Phys. D. 2015. V. 48. № 30. Art. No. 305001.

  4. Juanying J., Wang T., Ma T. et al. // Nanoscale Res. Lett. 2017. V. 12. Art. No. 21.

  5. Ueltzhoffer T., Schmidt C., Krug I. et al. // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. No. 12. Art. No. 123904.

  6. Губернаторов В.В., Драгошанский Ю.Н., Сычева Т.С. и др. // ФММ. 2012. Т. 113. № 9. С. 888; Gubernatorov V.V., Dragoshanskii Yu.N., Sycheva Т.S. et al. // Phys. Met. Metallogr. 2012. V. 113. P. 843.

  7. Ильичева Е.Н., Дурасова Ю.А., Ильяшенко Е.И. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. и астрон. 2006. № 4. С. 30.

  8. Николадзе Г.М., Матюнин А.В., Поляков П.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 11. С. 1560; Kolotov O.S., Matyunin A.V., Nikoladze G.M. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021. V. 85. No. 11. P. 1222.

  9. Il’yashenko E.I., Kolotov O.S., Matyunin A.V. et al. // JMMM. 2006. V. 306. No. 2. P. 309.

  10. Ильяшенко Е.И., Колотов О.С., Матюнин А.В. и др. // ФТТ. 2006. Т. 48. № 2. С. 280; Il’yashenko E.I., Kolotov O.S., Matyunin A.V. et al. // Phys. Solid State. 2006. V. 48. No. 2. P. 297.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал