Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 2 Фазовые переходы в ЦМД-структурах при спиновой переориентации в феррит-гранатовых пленках й А.В. Безус, А.А. Леонов, Ю.А. Мамалуй, Ю.А. Сирюк Донецкий национальный университет, 83055 Донецк, Украина E-mail: coyote@skif.net (Поступила в Редакцию 6 мая 2003 г.) На одноосной пленке феррита-граната (BiTm)3(FeGa)5O12 с точкой компенсации 12 K экспериментально исследовано певедение гексагональной решетки цилиндрических магнитных доменов в области изменения анизотропии от оси легкого намагничивания к плоскости легкого намагничивания. Показано, что спиновая переориентация происходит в интервале температур 185-160 K, в котором наблюдается сосуществование угловых фаз или и осевой фазы. При 172 K, когда процентное соотношение угловой и осевой 111 фаз одинаково, происходит скачок параметров решетки цилиндрических магнитных доменов и ширины доменной границы. При T < 160 K имеется лишь плоскостная фаза.

1. Введение 2. Результаты эксперимента В одноосных пленках ферритов-гранатов при из- В данной работе поставлена задача экспериментально менении температуры наблюдаются спин-переориента- исследовать поведение гексагональной решетки цилинционные фазовые переходы (СПФП), сопровождающие- дрических магнитных доменов (ЦМД) при изменении ся изменением ориентации вектора намагниченности от температуры пленки в области СП вблизи TC. Исслеоси 111, перпендикулярной плоскости пленки. При дование проводилось на одноосной пленке ферритаСПФП происходит перестройка доменной структуры граната (BiTm)3(FeGa)5O12, в которой можно было (ДС) пленки. В [1,2] исследования ДС при СПФП сформировать решетку ЦМД. Пленка выращена метопроведены на тонкой феррит-гранатовой пленке визу- дом жидкофазной эпитаксии на гадолиний-галлиевом ально с помощью магнитооптического эффекта Фарадея, гранате с плоскостью 100. Толщина пленки h = 8.2 m, параметры ДС типа ДсерпантинУ определялись мето- фактор качества q > 1 и 4MS = 160 G при комнатдом магнитооптической дифракции. Обнаружено, что ной температуре. Ось 111 перпендикулярна плоскости переориентация намагниченности в доменах ведет к пленки. Решетка ЦМД сформировалась монополярным скачкообразному увеличению периода ДС, СПФП от импульсным магнитным полем с частотой 400 Hz и анизотропии типа Длегкая осьУ к анизотропии типа амплитудой 60 Oe при отсутствии поля смещения, заДлегкая плоскостьУ осуществляется безгистерезисно, но тем поле выключалось [5]. Спиновая переориентация в сопровождается в интервале температур около 3 K сосу- пленке происходила в области температур 185-160 K ществованием двух фаз. при точке компенсации TC = 120 K. ДС наблюдалась с помощью эффекта Фарадея. Цветовая регистрация Кроме области СПФП существенные изменения ДС СПФП проводилась визуально.

пленок ферритов-гранатов наблюдаются в окрестности температуры магнитной компенсации (TC). Наиболее Существуют два способа изучения характеристик реинтересная ситуация имеет место в том случае, когда шетки ЦМД. В первом случае решетку формируют при температура СПФП и TC близки или совпадают. В [3,4] различных темпераутрах. При этом получают графики приведены результаты исследований ДС в интервале a(T ) и d(T), которые являются непрерывными функциятемператур, захватывающем области TC и СПФП, как ми температуры, где a Ч период решетки, d Ч диаметр в отсутствие внешнего магнитного поля (спонтанные ЦМД [6]. Такие решетки являются равновесными при переходы), так и в магнитных полях различной ве- температуре формирования, т. е. их параметры отвечают d личины (индуцированные переходы). В [3] ДС изуча- минимуму энергии. Параметр y = = 0.74 остается поa лась с помощью магнитооптического эффекта Фарадея стоянным на всем температурном интервале, где может с идентификацией фаз методом цветового контраста. существовать равновесная решетка [7]. Иной характер В [4] при изучении ДС обнаружено, что для Er3Fe5O12 зависимостей a(T) и d(T) будет наблюдаться, если ретемпература СПФП первого рода между фазами с ори- шетку ЦМД формировать при некоторой фиксированной ентациями намагниченности вдоль 111 и вдоль 100 температуре, а затем изменять температуру пленки. При совпадает с TC. В[3] для замещенного эрбиевого граната этом решетка сохраняется в некотором температурном также установлено, что интервалы магнитной компен- интервале, затем происходит спонтанный фазовый песации и спиновой переориентации накладываются друг реход (ФП) к решетке с новыми параметрами, соотна друга. ветствующими равновесной решетке при температуре 278 А.В. Безус, А.А. Леонов, Ю.А. Мамалуй, Ю.А. Сирюк скачком изменялась ширина ДГ: она выросла в 5 раз по сравнению с ее величиной при 185 K. Наблюдалось наличие всех четырех фаз, причем площадь и 3 равна площади и (рис. 2). При понижении тем1 пературы соотношение площадей изменялось в пользу фаз и : зеленая компонента все больше заполняла 3 поле, вытесняя коричневый цвет, практически все ЦМД стали белыми. При T2 = 160 K на ярко-зеленом поле наблюдались большого размера изолированные ЦМД ярко-белого цвета с резко выраженной широкой темной ДГ, т. е. присутствовали только две угловые фазы и. При 158 K ЦМД становились неустойчивыми и постоянно дрейфовали с изменением формы. При этом ширина ДГ на разных участках домена оказывалась различной. При дальнейшем понижении температуры контрастность ухудшалась вследствие уменьшения фарадеевского вращения, и при 150 K практически ничего не было видно. Это может свидетельствовать о появлении плоскостной анизотропии, т. е. о наличии только магнитной фазы.

В процессе нагревания пленки при 155 K появился огромного размера полосовой домен неопределенного Рис. 1. Доменная структура пленки (BiTm)3(FeGa)5O12 при белесого цвета. В результате действия импульсного поля температурах 300 (1), 215 (b), 172 (c, d) и 205 K (e).

при 160 K образовались неустойчивые изолированные ЦМД белого цвета на зеленом фоне, т. е. появились фазы и, при этом наблюдалось незначительное 3 перехода [6,8]. Такой способ использовался в настоящей присутствие оранжевого и коричневого цветов (фазы работе. и ). При нагревании пленки до 172 K ЦМД теряли Рассмотрим подробно ФП в решетке ЦМД, вызван- свою форму, превращаясь в страйпы. Импульсным полем при 172 K формировалась решетка ЦМД с меньшим ные изменением температуры, при охлаждении пленки.

параметром a = 166 m и узкими ДГ. При дальнейшем Решетка была сформирована при T = 300 K (рис. 1, a).

При этом в пленке наблюдались две коллинеарные маг- нагревании пленки можно было наблюдать, как на нитные фазы, векторы намагниченности которых перпен- некоторых белых ЦМД появлялся местами оранжевый цвет, а зеленое поле участками приобретало коричневый дикулярны плоскости пленки: < 111 Ч оранжевого цвет, т. е. увеличивалась площадь фаз и. При цвета ЦМД, 111 Ч коричневое поле. Решетка с 1 a = 18 m сохранялась до 215 K, т. е. величина парамет- 185 K практически не наблюдались белый и зеленый цвета, т. е. угловые фазы и исчезли, ЦМД при ра a оставалась постоянной. Затем происходил ФП к 3 этом теряли свою форму, решетка ЦМД разрушалась.

новой решетке с большим параметром, при этом одни При 185 K импульсным полем формировалась новая ЦМД сжимались и исчезали, а другие увеличивались в решетка с меньшим параметром a = 120 m, в которой диаметре и занимали места соседних (рис. 1, b). После воздействия импульсным полем формировалась равно- присутствовали только коллинеарные фазы и 1 (оранжевые ЦМД и коричновое поле); она сохранялась весная решетка ЦМД с большим параметром a = 25 m и меньшим числом ЦМД. Магнитные фазы и со1 хранялись. При 185 K некоторые участки поля изменяли цвет с коричневого на зеленый, а некоторые ЦМД Ч с оранжевого на белый, что свидетельствовало о начале процесса спиновой переориентации и появлении двух новых фаз, векторы намагниченности которых направлены под углом к плоскости пленки: Чбелый цвет ЦМД, Ч зеленое поле. При 172 K решетка ЦМД коллапсировала (рис. 1, c). Испульсным полем вновь создавалась решетка с параметром a = 118 m (рис. 1, d) и широкой очень контрастной доменной границей (ДГ).

При этом скачком изменялся размер ЦМД: диаметр вырос в 3 раза по сравнению с его величиной при 185 K;

Рис. 2. Зависимость соотношения между площадями, занимав этом случае y = 0.45 (решетка не равновесная). Также емыми доменными фазами, от температуры.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Фазовые переходы в ЦМД-структурах при спиновой переориентации в феррит-гранатовых пленках до 205 K. Затем решетка распадалась на разделенные страйпами блоки новой решетки ЦМД, с меньшим параметром a = 40 m, соответствующим равновесной решетке при данной температуре (рис. 1, e). При этом ФП сохранялось общее число доменов. Под действием импульсного поля решетка с меньшим параметром занимала всю видимую область пленки. При удалении от TC наблюдалось несколько ФП такого вида.

3. Обсуждение результатов Рис. 3. График зависимости дискриминанта кубического уравнения (5) от параметра v.

Для объяснения приведенных экспериментальных результатов рассмотрим изменение ориентации вектора намагниченности как СПФП между однородными состояниями в безграничном идеальном кристалле. В выражении для свободной энергии неограниченного кристалла в нулевом поле входит только энергия магнитной анизотропии. Плотность энергии анизотропии в системе координат, где x, y, z совпадают с кристаллорафически ми осями 110, 112, 111 соответственно, имеет вид [9,10] 1 FA = Ku sin2 + K1 cos4 + sinРис. 4. Графическое построение зависимости корней кубиче3 ского уравнения (5) от параметра v. 1 Ч y1, 2 Ч y2, 3 Ч y3.

- cos sin3 sin 3, (1) 3) магнитные фазы, для которых = /6, а угол где, Ч полярный и азимутальный углы вектора определяется из решения кубического уравнения намагниченности, Ku Ч постоянная одноосной анизотропии, K1 Ч постоянная кубической анизотропии.

-14(2v + 1) - y3 + yДальнейшие рассуждения будут проводиться для безKu размерного параметра v =, с учетом которого форK(2v + 1)2 + 2 мула (1) запишется в виде + y - = 0, (5) 9 FA 1 f = = v sin2 + cos4 + sinгде y = cos2.

K1 3 Зависимость дискриминанта D данного кубического уравнения от v показана на рис. 3. Видно, что для - cos sin3 sin 3. (2) 3 v >0.76 и v <-0.22 дискриминант D > 0, и кубическое уравнение имеет лишь одно действительное реМинимизируя (2) по и, получаем систему урав- шение. Однако на промежутке v (-0.22, 0.76) существуют сразу три действительных корня уравнения (5), нений которые здесь в общем виде приводиться не будут f = 0, (3a) из-за их сложной записи, однако на рис. 4 показана их зависимость от v. Ясно, что эти корни описывают f угловые фазы при 0

= 0, (3b) Для каждого из полученных направлений вектора намагниченности (4a), (4b), (5) минимумы свободной из которой следует, что возможны только такие магнитэнергии реализуются при определенных значениях паные фазы (, ):

раметра v, т. е. при определенных соотношениях между постоянными анизотропии. Следующим этапом на 1) = 0; (4a) пути построения фазовой диаграммы является выявление областей устойчивости соответствующих маг2) = /2, = 0; (4b) нитных фаз. Условие устойчивости для функции двух Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 280 А.В. Безус, А.А. Леонов, Ю.А. Мамалуй, Ю.А. Сирюк Из рис. 5 видно, что магнитные фазы y1, y2, y3 устойчивы при v <0.76, -0.22 0.76 существует только фаза Длегкая осьУ.

Заметим, что на рисунке изображены лишь те участки Рис. 5. Зависимости f (v) (8a) и f (v) (8b) для решений 1 кривых, которые отвечают минимуму энергии (2).

кубического уравнения (5). Обозначения те же, что на рис. 4.

С помощью данных рис. 6 и условий (7a), (9a)Ц(9c) можно построить фазовую диаграмму в координатах Ku, K1 (рис. 7).

Анализ фазовой диаграммы показывает, что перепеременных f (, ) имеет вид ориентация вектора намагниченности от состояния с легкой осью к угловому состоянию y1 является ФП 2 f > 0, (6a) 2 f 2 f 2 f - > 0. (6b) 2 Обращение в нуль (с последующей сменой знака) одного из этих выражений есть условие потери устойчивости. Оно определяет критическую линию на плоскости Ku, K1, которая может быть линией фазового перехода второго рода или линией потери устойчивости метастабильной фазы.

Итак, использование условий (6a) и (6b) для решений (4a), (4b), (5) дает следующие результаты.

1) Для = 0 условие устойчивости этой фазы опредеРис. 6. Зависимость энергии анизотропии (2) от параметра v ляется неравенством для полученных решений. Обозначения те же, что на рис. 4.

4 Ч состояние с легкой осью.

-2 + 3v <0 (7) или, что то же самое, соотношением -2K1 + 3Ku < 0. (7a) 2) Для = /2, = 0 условие (6b) не удовлетворяется, т. е. данная магнитная фаза не является экстремумом функции (2).

3) Для корней кубического уравнения (5) y1, y2, yобласть устойчивости можно определить графически при построении зависимостей 2 f = f (v), (8a) 2 Рис. 7. Области существования фазы Длегкая плоскостьУ 2 f 2 f 2 f - = f (v), (8b) (горизонтальная штриховка), угловой фазы (наклонная 2 y2 штриховка) и фаз Длегкая осьУ, (вертикальная штри1 как это показано на рис. 5. ховка).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Фазовые переходы в ЦМД-структурах при спиновой переориентации в феррит-гранатовых пленках первого рода, что следует из существования областей приближения к TC происходит ФП к равновесной решетметастабильных состояний, т. е. перекрытия областей ке ЦМД с большими параметрами, сопровождающийся стабильности соответствующих фаз. Фаза y1 при v = -3 коллапсом части доменов. На другом конце интервала переходит в состояние с легкой плоскостью ( = /2, стабильности при удалении от TC происходит ФП от = /6). Если эти значения углов подставить в (6a), решетки ЦМД к двухфазной структуре, состоящей из (6b), то получаем условие устойчивости такой фазы блоков новой решетки ЦМД и областей страйп-доменов, при сохранении общего числа доменов. При качетвенном различии оба ФП в решетке происходят спонтанно, v <-, (10a) скачком при изменении температуры на 2-3 градуса.

При этом наблюдается гистерезис: температура распада или, что то же самое, решетки ЦМД при нагревании и охлаждении пленки не совпадает, как и характер этого распада.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам