Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 11 Однонаправленная анизотропия в системе ферромагнетикЦантиферромагнетик й А.И. Морозов, А.С. Сигов Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), 117454 Москва, Россия E-mail: mor-alexandr@yandex.ru (Поступила в Редакцию 25 декабря 2001 г.) Изучена однонаправленная анизотропия ферромагнитной пленки на антиферромагнитной подложке, порождаемая эффектом близости. Рассмотрены случаи гладкой и шероховатой поверхности раздела пленка - подложка. Найдены условия возникновения в процессе перемагничивания доменной стенки в пленке и условия ее перехода в подложку. Исследована зависимость параметров статических спиновых вихрей, возникающих вблизи шероховатой границы раздела, от величины магнитного поля.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 00-02-17162).

Однонаправленная анизотропия (обменный сдвиг) ствие пленкаЦподложка задается формулой проявляется в смещении кривой намагничивания ферроJ S Saf f,af f магнитной пленки, нанесенной на поверхность антиферWf,af = - cos(f - af ) d, (1) b2 ромагнетика, например, NiFe/FeMn, NiFe/CoO, Ni/NiO, Fe/FeF2, Fe/Cr. Исследованию эффекта однонаправленгде S и Saf Ч средние значения спинов пленки и подf ной анизотропии посвящено большое число работ (см., ложки соответственно, J Ч обменный интеграл.

f,af например, обзор [1]).

Интегрирование производится по границе раздела, b Ч В данной работе рассмотрен случай, когда спины постоянная решетки практически одинаковая в обоих атомной плоскости антиферромагнетика, параллельной веществах.

границе раздела ферромагнетикЦантиферромагнетик, Независимо от знака J взаимодействие (1) привоf,af нескомпенсированы. Причины возникновения однона- дит к сдвигу кривой намагничивания пленки из симметправленной анизотропии в случае компенсированной ричного по знаку внешнего поля положения. Для оценки поверхности антиферромагнетика изложены в [2]. этого сдвига необходимо найти равновесную кривую намагничевания из условия минимальности суммарной В предшествующей работе [3] нами изучен предельэнергии системы W ный случай, когда обменная жесткость пленки намного превосходит таковую у подложки. В данной работе исf f f следуется случай, когда пленка имеет существенно мень- W = Wf,af + d3r(wex + wan + wZ) шую жесткость, чем подложка. В первом разделе рассмотрен случай гладкой поверхности раздела пленка - + d3r(waf + waf ), (2) ex an подложка. Во второй части работы приведена магнитная фазовая диаграмма ДтолщинаЦшероховатостьУ в отсутгде первый и второй интегралы берутся соответственно ствие внешнего магнитное поля. В третьем и четвертом по объему пленки и подложки;

разделах рассмотрены процессы перемагничения в монодоменной и полидоменной фазах соответственно.

wex = AiS2(i)2 (3) i представляет собой избыточную обменную энергию, по1. Атомно-гладкая поверхность рождаемую неоднородностью параметра порядка (Ai Ч раздела обменная жесткость);

wan = -K cos 4i (4) В случае атомно-гладкой поверхности раздела обменное взаимодействие между спинами верхнего атомного есть энергия анизотропии в плоскости слоев;

слоя подложки и нижнего атомного слоя пленки имеет f один знак по всей границе раздела. Будем предполагать, wZ = -MB0 cos(f - )(5) что и вектор намагниченности, и вектор антиферромагнетизма лежат в плоскости, параллельной границе раз- Ч зеемановская энергия (M Ч намагниченность пленки, дела, и характеризуются углом i(i = f, af ), который B0 Ч индукция внешнего магнитного поля, параллельпараметр порядка образует с выделенной осью в этой ного плоскости пленки и направленного под углом плоскости. В приближении среднего поля взаимодей- к выделенной оси).

Однонаправленная анизотропия в системе ферромагнетикЦантиферромагнетик При этом мы пренебрегаем (в силу малости B0) скосом подрешеток и соответствующей зеемановской энергией антиферромагнетика. Для определенности полагаем, что J > 0 и af = 0 в глубине подложки.

f,af Тогда при = 0 кривая намагничивания смещена в область отрицательных полей.

В работах [4,5] приведена оценка соответствующего сдвига (Aaf Kaf )1/2Saf B0, (6) af Ma где a Ч толщина пленки. Этот результат получен на основе простого соображения: перемагничивание пленки вызывает появление в подложке доменной стенки с поверхностной энергией (Aaf Kaf )1/2S2, а выигрыш af в зеемановской энергии должен компенсировать затраты на ее образование.

Такая оценка для B0 справедлива в случае большей af Рис. 1. Доменная стенка (показана серым) в пленке (a) обменной жесткости пленки, когда энергия доменной и в подложке (b) вблизи границы раздела, стрелками указаны стенки в пленке (Af Kf )1/2S2 превышает энергию доменнаправления вектора намагниченности и вектора антиферроf ной стенки в подложке. В противоположном случае эта магнетизма.

оценка оказывается ошибочной.

Перед тем как перейти к исследованию случая меньшей энергии доменной стенки в ферромагнетике, отиз условия равенства энергий доменных стенок в феррометим следующее обстоятельство: в магнитном поле и антиферромагнетике характерная ширина 180 доменной стенки (B0) f определяется не конкуренцией энергий обменного взаAaf Kaf Saf имодействия и анизотропии, а конкуренцией между Baf. (9) Af S2 M энергией обменного взаимодействия и суммой энергии f анизотропии и зеемановской энергии [6] При B0 Baf доменная стенка начинает переходить 1/в подложку, при B0 Baf пленка становится однородно Af Sf (B0) =. (7) f намагниченной, а в антиферромагнетике вблизи границы Kf S2 + 2MBf с пленкой возникает 180 доменная стенка (рис. 1, b).

Конечно, такое состояние является метастабильным, так Легко видеть, что вблизи точки Кюри ферромагнетика зеемановский вклад является определяющим (M S ). как доменной стенке выгодно исчезнуть, пройдя через f Пусть внешнее магнитное поле приложено антипарал- всю толщу подложки.

ельно направлению намагниченности пленки в отсут- В случае очень тонких пленок, когда B > B0, f af ствие поля. Найдем величину магнитной индукции B, f доменная стенка возникает сразу в антиферромагнитной при которой в пленке вблизи границы раздела возникает подложке. Зависимость полей B и Baf от толщины f 180 доменная стенка, параллельная границе раздела пленки изображена на рис. 2.

пленкаЦподложка (рис. 1, a), считая, что B B0, т. е.

f af что подложка остается практически однородной. Для этого приравняем энергию доменной стенки к выигрышу в зеемановской энергии. При этом учтем, что доменная стенка может возникнуть в пленке только при условии (B0) < a. Получим f (Af Kf )1/2S2 /Ma, если a (0), f f B f Af S f, если a (0), f MaAf Sf. (8) Ma min a, (0) f С ростом магнитного поля вплоть до B0 Baf возРис. 2. Фазовая диаграмма ДтолщинаЦполеУ для случая гладникшая доменная стенка становится тоньше, т. е Дпри- кой границы раздела. Зависимость поля смещения от толщины жимаетсяУ к границе раздела. Значение Baf находится пленки изображена сплошной линией.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2006 А.И. Морозов, А.С. Сигов f Если 1, величина 0 равна f 0 b(J Saf + J S )/J Saf, (11) f,af f f f,af а доменная стенка расширяется по мере удаления от границы раздела практически пропорционально расстоянию от границы раздела (рис. 5). Характерная ширина f стенки a, и при характерных толщинах a намного меньше ширины обычных доменных стенок, см. (7). Если же 1, то эффектом уширения доменной стенки можно пренебречь; в этом случае f a/. (12) Приведенные формулы справедливы при a < (0).

f Рис. 3. Кривая намагничивания в случае гладкой границы При a > (0) ширина доменной стенки растет до f раздела пленкаЦподложка, величина поля приведена в произ- значения (0), оставаясь затем неизменной.

f вольных единицах, магнитный момент Ч в единицах момента насыщения.

Таким образом, смещение кривой намагничения из симметричного положения в область отрицательных полей происходит на величину min(B, B0 ). Соответf af ствующая кривая намагничивания изображена на рис. 3.

Приведенная картина легко обобщается на случай магнитного поля, приложенного под произвольным углом к намагниченности пленки.

2. Фазовая диаграмма в случае шероховатой границы раздела Рис. 4. Поперечная доменная стенка, обусловленная фрустраКонечно, реальная граница раздела не является идецией, в пленке.

ально гладкой, а содержит атомные ступени, изменяющие толщину подложки на один атомный слой. По разные стороны ступени ориентация спинов верхнего атомного слоя антиферромагнетика противоположна.

Поэтому независимо от знака обменного интеграла J f,af между спинами пленки и подложки наличие ступеней на границе раздела ведет к фрустрациям. Фазовая диаграмма магнитной пленки на антиферромагнитной подложке с большей обменной жесткостью рассмотрена нами в работе [7] в рамках континуальной модели.

В отсутствие магнитного поля уединенная ступень порождает в пленке 180 доменную стенку нового типа Ч доменную стенку, индуцируемую фрустрацией. Эта стенка совпадает с краем ступени и пронизывает пленку насквозь, т. е. ее плоскость перпендикулярна поверхности пленки (рис. 4). По разные стороны ступени спины ферромагнетика параллельны спинам верхнего слоя антиферромагнетика. Ширина такой доменной стенки f вблизи границы раздела пленкаЦподложка 0 зависит от Рис. 5. Зависимость толщины ДнеобычнойУ доменной стенки параметра от расстояния до границы раздела. Расстояния указаны в по = J Saf a/J S b. (10) стоянных решетки, a = 64.

f,af f f Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Однонаправленная анизотропия в системе ферромагнетикЦантиферромагнетик где J S2 j f f C Cj, (14) j Rb при (B0) > R и C =(Af Kf )1/2S2 j в противном слуf j f чае. Если 1 = 2, минимуму энергии системы в нулевом магнитном поле отвечает значение =.

f При R 0 система находится в области слабых искажений параметра порядка. Рассмотрим теперь поведение каждой из фаз во внешнем магнитном поле.

3. Монодоменная фаза в магнитном поле При приложении магнитного поля происходит разворот намагниченности пленки с возникновением доменной стенки сначала в пленке, а затем в подложке. ПроРис. 6. Статический спиновый вихрь в пленке вблизи границы цесс перемагничивания и величина однонаправленной раздела пленкаЦподложка (z = 0) в случае a R. На линиях анизотропии в монодоменной фазе аналогичны таковым постоянного значения f указана величина f в единицах.

в случае гладкой границы раздела. Отличия состоят Ступени расположены в точках x = 8, z = 0, расстояния в следующем.

указаны в постоянных решетки.

1) В отсутствие поля намагниченность пленки не параллельна, а перпендикулярна антиферромагнитному параметру порядка.

Если расстояние между краями ступеней R превос- 2) В области полей, для которых значение f ходит max(0, a), то пленка оказывается разбитой на (B0) < R, происходит изменение формы вихрей:

f домены с противоположным направлением намагни- их размер в направлении, перпендикулярном границе ченностей. Искажения параметра порядка в подложке раздела, становится порядка (B0) и уменьшается f несущественны. с ростом поля. Вихри принимают продолговатую форму f В случае относительно толстой пленки a R 0 (рис. 7, a), а затем выжимаются полем в подложку (рис. 7, b). Это происходит в поле основной объем пленки находится в монодоменном состоянии, а вблизи границы раздела в пленке возникают Aaf Saf статические спиновые вихри (рис. 6). В случае большой Baf, (15) MAf S2 [min(R, )]af обменной жесткости пленки вихри образуются в под- f ложке. Каждый вихрь ограничен краями ступеней и расгде = (Aaf /Kaf )1/2.

af ширяется по мере удаления от них. Если (B0) > R, f то размер вихря в направлении, перпендикулярном границе раздела, по порядку величины равен R. При (B0) < R в пленке формируется доменная стенка, f параллельная границе раздела, и поперечный размер вихря равен (B0).

f Как уже упоминалось, ступени разбивают поверхность раздела на области двух типов с суммарной площадью и 2 соответственно. В областях первого типа граничная энергия минимальна при f = af, а в областях второго типа Ч при f = - af. Пусть намагниченность ферромагнитной пленки составляет угол с антиферромагнитным параметром порядка в глубине подложки. Тогда в вихре, занимающем область первого типа, происходит изменение f от нуля до, в то время как у вихрей в областях второго типа f изменяется от до.

Как и в случае большой обменной жесткости пленки [1,8], можно показать, что по аналогии с моделью Дмагнитной близостиУ Слончевского [9] энергия системы может быть представлена выражением Рис. 7. Вихрь в системе пленкаЦподложка в полях B0 < Baf (a) и B0 > Baf (b). Изображены линии постоянного W = C12 + C2( - )2, (13) значения параметра порядка.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 2008 А.И. Морозов, А.С. Сигов Однако даже при B0 > Baf в области радиусом При приложении поля параллельно намагниченно (B0), прилегающей к краю ступени, искажения пара- сти в ферромагнитных доменах картина намагничения f метра порядка имеют место в пленке, а не в подложке аналогична рассмотренной, за исключением того, что (рис. 7, b). Качественно можно утверждать, что магнит- в поле ное поле вытесняет искажения из той области, в которой зеемановская энергия превышает разность энергий неод- Baf, если B < Baf f Bdw (17) нородности в антиферромагнетике и ферромагнетике.

min(B, Baf /R), если B > Baf, f af f в подложке возникает 90 доменная стенка. Причины ее 4. Полидоменная фаза в магнитном возникновения аналогичны причинам, по которым в отполе сутствие поля намагниченность пленки в монодоменной фазе ортогональна параметру порядка в глубину подВ этой фазе однонаправленная анизотропия может ложки: ее возникновение уменьшает энергию системы иметь место в случае, когда магнитное поле приложено вихрей.

перпендикулярно намагниченности в доменах и преоблаДействительно, в отсутствие доменной стенки в тех дают доменные стенки с одним направлением разворота доменах, где намагниченность параллельна внешнему намагниченности [3]. При одном направлении магнитнополю, никаких вихрей не образуется, а в доменах с изнаго поля эти стенки исчезают по мере роста поля, в то чально антипараллельной ориентацией намагниченности время как при противоположном направлении поля они и поля в поле B0 min(B, Baf /R) возникает f af превращаются из 180 стенок в 360.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам