Элементарные акты перемагничивания квазидвумерных магнетиков и доменных границ

Этот метод впервые использовался для визуализации магнитного потока в высокотемпературных сверхпроводниках и был развит в рамках данной работы для прямого экспериментального изучения сверхтонких магнитных структур. Визуализация магнитных полей рассеяния образца осуществлялась с помощью магнитооптической индикаторной пленки, помещенной непосредственно на поверхность образца. Линейно-поляризованный свет падал перпендикулярно поверхности индикатора, проходил сквозь него и отражаясь от алюминиевого зеркала, нанесенного на нижнюю поверхность индикатора, попадал либо на окуляры микроскопа для визуального наблюдения МО портрета образца, либо на CCD-камеру для его регистрации и дальнейшей компьютерной обработки. Используемые в эксперименте индикаторы в своей основе представляли висмут-содержащие эпитаксиальные пленки иттриево-железистого граната (YBiGd)₃(GaFe)₅O₁₂ толщиной 1ч5мкм, выращенные на подложках из гадолиний-галлиевого граната Gd₃Ga₅O₁₂ (0,3ч0,5мм), с напыленным алюминиевым зеркалом толщиной 0,2ч0,5мкм.

Под действием нормальной компоненты Н_? локальных полей рассеяния образца намагниченность гранатовой пленки отклонялась из плоскости, обусловливая, благодаря большой величине эффекта Фарадея в этой пленке, соответствующее вращение плоскости поляризации света, проходящего сквозь нее. При слегка раскрещенных николях, в зависимости от величины и знака Н_?, на МО изображении образца формировались локальные темные и (или) светлые участки с соответствующими вариациями интенсивности. Таким образом, оказалось возможным оценить характеристики полей рассеяния от магнитных зарядов образца, формирующихся на его краях, доменных границах и других магнитных дефектах. В случаях слабого МО сигнала, детали доменной структуры были изучены с использованием компьютерной обработки изображений.

В §3.3 представлены результаты прямого экспериментального изучения элементарных актов перемагничивания в тонких ферромагнитных пленках, обменно-связанных с антиферромагнетиком, в зависимости от их реальной и дефектной структуры. Для исследования использовались эпитаксиальные гетерофазные NiO(500A)/NiFe(100A) и гомофазные (без буферного слоя NiO) NiFe(500 A) пленки, выращеные в одинаковых условиях йонно-лучевым распылением как на монокристалле MgO(001), так и на поликристаллической подложке Si. В процессе нанесения пленок в них постоянным полем индуцировались одноосная анизотропия в NiFe и однонаправленная анизотропии в NiO/NiFe. Распределение намагниченности и процессы перемагничивания были исследованы в двухслойных пленках, в которых индуцированные оси анизотропии были ориентированы как вдоль направления <110> в подложке, так и вдоль <100>.

С использованием магнитооптической визуализации распределения магнитных полей рассеяния в пленках с обоими типами однонаправленной анизотропией было выявлено, что их перемагничивание происходит за счет формирования новых доменов с обратной намагниченностью и смещения доменных стенок. Обнаружено непредсказывавшееся ранее явление асимметрии центров зарождение доменов в таких обменно-связанных ФМ/АФМ структурах. Их перемагничивание из основного состояния происходит за счет формирования доменных стенок в местах с сильными магнитостатическими полями, например, на краях пленок [Рис. 5(б-д)], или с уменьшенным значением кристаллографической анизотропии в антиферромагнетике, обусловленными несовершенствами кристаллической решетки.

Рис. 5. Петля гистерезиса и МО изображения доменной структуры, наблюдаемые при перемагничивании двухслойной структуры вблизи ее края

При перемагничивании в основное состояние другие области двухслойной структуры [Рис. 5(д-з)] с увеличенным значением анизотропии в AFM слое играют роль мест зарождения ФМ доменов. Одним из основных источников дисперсии анизотропии.

Неоднородное распределение намагниченности в ФМ слое при перемагничивании в значительной степени обусловлено неоднородным распределением анизотропии в АФМ слое. Важным источником такой неоднородности в эпитаксиальных монокристаллических гетероструктурах являются дислокации. Процесс перенамагничивания осуществляется за счет сложной доменной структуры, возникающей вследствие сильного влияния краевых и винтовых дислокаций как на вращение спинов, так и на зарождение и рост доменов. Необходимо подчеркнуть, что, тогда как винтовые дислокации в основном создают ступеньки на интерфейсе NiFe/NiO (которые могут приводить к фрустрации векторов намагниченности на нем), то краевые дислокации наводят неоднородные внутренние напряжения. Это различие позволяет заключить, что неоднородное распределение магнитной анизотропии, наведенное магнитоупругим взаимодействием в АФМ, играет важную роль в перемагничивании двухслойной структуры. При этом установлено, что наведенная локальная анизотропия направлена вдоль осей <110> и не зависит от ориентации осей однонаправленной анизотропии в двухслойных структурах NiFe/NiO, что ведет к различному характеру взаимодействия спинов вблизи плоскостей скольжения краевых дислокаций со спинами в недеформированных областях структур, обменно-смещенных вдоль [110] и [100]. Исходя из анализа экспериментальных данных предложено непротиворечивое описание таких гистерезисных свойств этих структур, как поле смещения и коэрцитивность, с учетом неоднородности в распределении АФМ спинов как поперек, так и вдоль интерфейса.

Эксперименты по перемагничиванию обменно-смещенных ФМ пленок в гетероструктурах с обратным порядком нанесения ФМ и АФМ слоев, в образцах, выращенных па поликристаллических Si подложках, а также в однокомпонентных ФМ пленках наглядно демонстрируют, что дефекты кристаллической решетки в двухслойной структуре, и, прежде всего дислокации в монокристаллических и зернистая структура в поликристаллических пленках, оказывают решающее влияние на статическую и динамическую конфигурацию спинов в АФМ слое, которая за счет обменной связи с ФМ спинами на интерфейсе определяет процессы перемагничивания этого ФМ слоя.

В §3.4 экспериментального изучены основные факторы, влияющие на элементарные акты перемагничивания в тонких ферромагнитных пленках (NiFe, CoFe, Co, FeMnC) обменно-связанных с антиферромагнитными слоями (FeMn, IrMn) в зависимости от параметров и структуры как ФМ и АФМ пленок, так и свойств системы спинов непосредственно на интерфейсе. Изучено влияние толщины ферромагнитного слоя, "замороженной" доменной структуры и отжига на формирование и преобразование доменной структуры и системы спинов, локализованных в АФМ слое вблизи интерфейса, в таких гетерофазных структурах.

С целью выявления вклада различных типов магнитных взаимодействий в кинетику преобразования связанной на интерфейсе системы спинов при приложении к ФМ/АФМ структуре магнитного поля было проведено изучение процесса перемагничивания в гетерофазных обменно-смещенных пленках с клиновидным ферромагнитным NiFe слоем, выращенным на однородной антиферромагнитной подложке FeMn. В режиме реального времени с использованием метода МОИП в образце выявлена и изучена асимметрия формирования, движения и взаимодействия с магнитными дефектами структуры единственной 180^o-ой макроскопической доменной границы. Установлено, что перемагничивание структуры из основного состояния начиналось на толстом конце клина, где обменное поле анизотропии H_EХ минимально, а магнитостатическое поле H_MS максимально, тогда как перемагничивание в основное состояние начиналось на тонком конце, где поле H_EХ максимально, а поле H_MS минимально.

Экспериментально изучены элементарные акты перемагничивания в обменно-связанных двухслойных структурах ФМ/АФМ с основным состоянием, состоящим из полосовых ФМ доменов. Изучены особенности перемагничивания многодоменной обменно-смещенной гетероструктуры, которые являются существенными для понимания обменного смещения. Представлены данные наблюдения явно выраженной асимметрии в зарождении и ориентации доменных стенок в ФМ в процессе перемагничивания. Выявлены АФМ домены, которые ограничены неподвижными доменными стенками, получены доказательства существования гибридных ФМ/АФМ доменных стенок в основном состоянии и свидетельства того, что структура АФМ спинов в обменно-связанной двухслойной структуре ФМ/АФМ при перемагничивании не является статической, вопреки предсказаниям некоторых теоретических моделей. В процессе перемагничивания под действием внешнего магнитного поля происходит смещение лишь ФМ участка гибридной ДГ, тогда как ее АФМ участок остается неподвижным. При этом АФМ спины около интерфейса формируются в обменную пружину, заключенную между движущимся ФМ участком гибридной доменной стенки и неподвижной частью этой стенки в АФМ слое. Обменное смещение петли гистерезиса предполагает закручивание и раскручивание спиновой АФМ пружины в процессе прямого и обратного перемагничивания.

Детали эффекта обменного смещения и увеличения коэрцитивности двухслойных ФМ/АФМ структур (NiFe, CoFe)/Ir-Mn в зависимости от температуры отжига были изучены с помощью магнитометрии, наблюдения доменной структуры и метода рентгеновской дифракции. С помощью метода МОИП показано, процессы преобразования доменной структуры в обменно-связанных ФМ/АФМ двухслойных структурах, связаны, в основном, с изменениями кристаллической структуры межфазной поверхности.

Полученные результаты согласуются с микроскопической моделью обменного смещения, которая предполагает формирование АФМ обменной пружины. Асимметрия элементарных актов перемагничивания происходит за счет локального проникновения обменной пружины в АФМ слой, и ее выхода оттуда, происходящего на различных ветвях петли гистерезиса.

Как и в ФМ/АФМ двухслойных структурах, в тонких гетерофазных структурах, состоящих из обменно-связанных магнитомягкой и магнитожесткой ферромагнитных пленок обменное взаимодействие двух фаз на интерфейсе приводит к нарушению магнитной симметрии, формированию специфической частной петли гистерезиса и обменных спиновых спиралей. Существенное отличие анизотропии и параметра порядка в МЖФ пленке от этих параметров в АФМ пленке обусловливает иной характер ее перемагничивания и, соответственно, влияет на ее свойства. Для выяснения механизма перемагничивания в обменно-связанной структуре ММФ/МЖФ были экспериментально изучены (§3.5) тонкие эпитаксиальные структуры Fe(500Е)/SmCo(350Е)/Cr(200Е), нанесенные на монокристаллические подложки MgO (100) и (110) магнетронным осаждением. В обоих случаях ось легкого намагничивания (ось с для SmСо) лежала в плоскости пленки и наблюдались большие (~30кЭ) значения коэрцитивности пленок SmCo.

Проведенное МО изучение формирования обменной пружины выявило существенное разногласие с теоретическими предсказаниями. Механизм перемагничивания магнитомягкого слоя в ММФ/МЖФ структуре определяется процессом неоднородного закручивания спинов железа в локальных микроскопических областях. Такая неоднородность зависит от величины и направления приложенного поля и не может быть описана простой моделью одномерной однородной обменной спиновой пружины. Эта пружина имеет более сложную структуру, содержит области субмикронного размера с различной хиральностью. Перемагничивание двухслойной пленки во вращающемся поле свидетельствует о некогерентном характере поведения спинов в ММФ слое, когда образец находится в неустойчивом состоянии.

Проведенные МО исследования показали, что перемагничивание гетерофазной Fe/SmCo структуры на первой стадии идет за счет обратимых процессов закручивания спинов в ММФ слое, вне зависимости от того две оси легкого намагничивания или одна реализуется в плоскости образца. Процесс неоднородного вращения локальной намагниченности определяется наведенной на интерфейсе дисперсией осей однонаправленной анизотропии ММФ слоя.

Глава 4. Хиральность формирующейся спиновой пружины и особенности перемагничивания в двухслойных магнитных системах. При анализе поведения реальных слоистых нанокомпозитов необходимо учитывать эквивалентность энергии обменной спиновой пружины относительно направления ее закручивания, которая может приводить к зарождению в кристалле областей с разносторонним вращением спинов в различных локальных участках плёнки. Для полного понимания и теоретического описания этого явления необходим учет реальной структуры этих пружин. Различные несовершенства атомарной структуры слоев и интерфейса могут вызвать разориентацию локальных осей анизотропии и стимулировать разворот спинов в противоположных направлениях в обменно-связанных гетерофазных структурах, обусловить формирование многомерных обменных спиновых пружин, подобных двухмерным доменным стенкам в объемных ферромагнетиках. Границы перехода в квазидвумерной гетерофазной обменной пружине между областями с различной хиральностью в какой-то мере аналогичны хорошо известным болховским линиям в доменных границах, но должны характеризоваться специфичной нетривиальной спиновой структурой, т.к. ограничены не доменами, а поверхностями раздела фаз. Экспериментальное изучение их преобразования под действием внешних магнитных полей является необходимым шагом на пути к адекватному описанию микромеханизмов перемагничивания слоистых магнитных нанокомпозитов.

В §4.1 экспериментально изучены микроскопические механизмы формирования и эволюции обменных спиновых пружин в обменно-смещенной гетерофазной нанокомпозитной ФМ/АФМ поликристаллической структуре Ni₈₁Fe₁₉(160Е)/Fe₅₀Mn₅₀(300Е) при ее перемагничивании как во вращающемся магнитном поле, так и вдоль оси однонаправленной анизотропии. Установлено, что обменные пружины, реализующиеся в АФМ слое вблизи интерфейса, имеют различную хиральность. При некоторых критических значениях величины и угла ? внешнего магнитного поля происходит изменение хиральности локальных участков образца на противоположную, что приводит к различному отклику намагниченности во вращающемся магнитном поле. Обнаружено, что этот отклик зависит от направления вращения магнитного поля, демонстрируя асимметрию преобразования намагниченности в изучаемых структурах. Из анализа МО измерений следует, что микроскопические неоднородные состояния играют решающую роль в процессе перемагничивания таких поликристаллических ФМ/АФМ структур из основного состояния и обратно, который происходит через различные микроскопические механизмы. Перемагничивание против однонаправленной анизотропии происходит в два этапа. Вначале в ФМ слое формируется неоднородное состояние намагниченности, индуцированное взаимодействующими микроскопическими обменными пружинами с противоположной хиральностью, а затем в образце возникают и распространяются специфические доменные границы, представляющие собой фронт, разделяющий неоднородные области образца и области с монохиральными однородными обменными пружинами. Обнаруженный микромеханизм перемагничивания обусловлен существованием топологических барьеров, отделяющих обменные пружины с противоположной хиральностью. Перемагничивание назад в основное состояние происходит, главным образом, за счет раскручивания монохиральных обменных спиновых пружин, микромеханизм которых может быть описан одномерными моделями.

С целью выяснения условий и механизмов формирования обнаруженных в §3.5 эффектов, а также реализации возможных мод переключения, связанных с зарождением спиновых спиралей различных размерностей, в §4.2 детально исследована зависимость эволюции суммарного магнитного момента в ММФ/МЖФ структуре от угла между внешним полем и направлением поля макроскопической однонаправленной анизотропии при повторяющихся циклах перемагничивания. Образцы, как и в §3.5, представляли собой эпитаксиальные структуры Fe/SmCo/Cr, нанесенную методом магнетронного распыления на монокристаллическую подложку MgO (110). Толщина магнитожесткого слоя составляла 350Е, мягкого - 500Е, толщина буферного слоя хрома - 200Е. Перемагничивание исследуемой двухслойной системы вдоль легкой оси МЖФ пленки Sm₂Co₇ оказалось двухстадийным, первая стадия связана преимущественно с магнитомягким слоем железа, вторая - с магнитожестким слоем самарий-кобальта. Исследование процессов перемагничивания осуществлялось путем визуализации магнитных полей рассеяния на краяю тестового отверстия с использованием метода МОИП.

В результате было выявлено, что при перемагничивании на начальном этапе происходит уменьшение эффективной величины усредненной по толщине образца намагниченности, затем наблюдаются пространственные флуктуации магнитооптического сигнала, соответствующие неоднородному распределению намагниченности вдоль поверхности образца и, наконец, инверсия направления намагниченности с последующим ростом ее эффективной величины. При этом в слабых полях, на первой стадии перемагничивания, перемагничивание является полностью обратимым, в более высоких полях обратимость утрачивается, намагниченность до своей исходной величины после выключения поля не восстанавливается.

Анализ данных детального экспериментального изучения выявил три моды перемагничивания образца:

1) неоднородное мелкомасштабное перемагничивание при строго параллельной ориентации поля с возникновением спиновых пружин противоположных хиральностей;

2) квазиоднородное вращение суммарной намагниченности по механизму спиновой пружины в случае, если магнитное поле отклонено от легкой оси;

3) однородное вращение намагниченности с образованием когерентной спиновой спирали и макроскопической субдоменной структуры.

Преобладание той или иной моды зависит от угла наклона магнитного поля относительно оси легкого намагничивания. Ориентация поля оказывает чрезвычайно сильное влияние как на величину остаточного угла вращения намагниченности, так и на выбор правой или левой хиральности закрутки спиновой пружины. Наблюдаемая асимметрия закручивания при изменении знака поля, а также при проведении повторных циклов перемагничивания, свидетельствуют о том, что процессы перемагничивания в данной системе в значительной степени определяются моментом начального отклонения намагниченности в магнитомягком слое, которое за счет обменного взаимодействия ММФ и МЖФ спинов на интерфейсе задается доменной структурой, сформированной в магнитожестком слое.

Глава 5. Экспериментальное изучение процессов перемагничивания в многослойных квазидвумерных магнетиках. Магнитные сверхрешетки и спиновые вентили, состоящие из тонких чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев, характер обменного взаимодействия между магнитными слоями которых обусловлен электронами проводимости (RKKI обменное взаимодействие) и осциллирует с изменением толщины немагнитных прослоек от ферромагнитного к антиферромагнитному, характеризуются весьма специфическими петлями гистерезиса, а процессы перемагничивания в них могут быть описаны в терминах ориентационных фазовых превращений первого и второго рода, обусловленных spin-flip и spin-flop процессами. Несмотря на большое число выполненных работ, основанных на измерении в таких искусственно созданных магнетиках макроскопических характеристик намагничивания, по которым анализировали спин-переориентационные фазовые переходы, экспериментальные исследования не были доведены до уровня прямого изучения в режиме реального времени кинетики их протекания, типа возникающих фаз, процессов зарождения и смещения доменных границ, а также вращения магнитных моментов в слоях.

Кроме того, такие наноструктурные материалы демонстрируют эффект гигантского магнитосопротивления, и интенсивно исследуются благодаря их потенциальным применениям. Для того чтобы полнее реализовать их потенциал и добиться более высоких значений эффекта ГМС, необходимо решить ряд фундаментальных проблем преобразования намагниченности в таких материалах.

В §5.1 исследованы два типа многослойных тонкопленочных гетерофазных пленок [Co₆₄Ni₃₁Cu₅(20Е)/Cu(t_Cu)]₂₀₀ и [Co(16Е)/Cu(t_Cu)]₂₀₀, выращенных методом электроосаждения на монокристаллических подложках Cu и Si, соответственно. Прямое экспериментальное изучение процессов их перемагничивания позволило впервые проследить за относительной ориентацией спинов в подрешетках как ферромагнитной, так и антиферромагнитной сверхрешеток. Представленные результаты показали, что процессы преобразования намагниченности в этих двух типах сверхрешеток отличаются кардинальным образом. С помощью анализа доменных структур, визуализированных методом МОИП, и данных векторного вибромагнетометра в магнитных сверхрешетках CoNiCu/Cu с антиферромагнитным типом межслоевого обменного взаимодействия были выявлены и изучены спин-переориентационные фазовые переходы и последовательная эволюция распределения намагниченности в изменяющемся магнитном поле. Показано, что в зависимости от величины и направления поля различные коллинеарные, скошенные симметричные и несимметричные фазы могут реализовываться неоднородным спин-флоп процессом благодаря зарождению и смещению специфических межфазных стенок, структура которых существенным образом отличается от классических ферромагнитных доменных границ. В случаях, когда толщина немагнитной прослойки Cu отвечает ферромагнитному межслоевому обменному взаимодействию, намагниченности в смежных слоях ориентируются параллельно и определяющую роль в процессе перемагничивания таких сверхрешеток играют доменные стенки типа head-to-head и tail-to-tail. Тонкая структура МО изображений таких ДГ выявляет их расщепление по индивидуальным слоям или по группам слоев. В таких гетерофазных тонкопленочных сверхрешетках с ферромагнитным обменным взаимодействием между слоями процессы перемагничивания аналогичны процессам перемагничивания в совокупности тонких монокристаллических пленок и не приводят к появлению эффекта гигантского магнитосопротивления.

В сверхрешетках Co/Cu была исследована корреляция между величиной ГМС и микромеханизмами их перемагничивания для различных толщин медных прослоек. Сверхрешетки с исчезающим ГМС показывают кооперативное поведение спинов, которое подобно тому, которое проявляется в тонких ферромагнитных пленках с плоскостной двухосной анизотропией. Напротив, сверхрешетки с существенным ГМС демонстрируют частично связанные спиновые неколлинеарные конфигурации, которые и ответственны за наблюдаемое явление.

В §5.2 представлены результаты экспериментального изучения элементарных актов перемагничивания и обусловленного ими эффекта ГМС в спиновых вентилях, состоящих из тонких ферромагнитных пленок, разделенных немагнитной металлической прослойкой. В таких структурах один FM слой свободно перемагничивается внешним магнитным полем, а связанные с ним RKKI-обменным взаимодействием один или два соседних ФМ слоя закреплены межслоевым обменным взаимодействием с AFM слоем или слоями. Закрепленные слои имели смещенные на величину поля однонаправленной анизотропии и уширенные петли гистерезиса. Были экспериментально изучены структуры с различающихся как ФМ слоями (Со и NiFe), так и закрепляющими АФМ слоями (диэлектрическим NiO и проводящим IrMn).

Перемагничивание спин-вентильной структуры (СВС) как с симметричным, так и с несимметричным расположением закрепленных ФМ слоев, происходит в два этапа, на первом из которых процесс перемагничивания характеризуется зарождением в свободном слое микродоменов (5ё20)мкм и движением их стенок. На втором этапе происходило перемагничивание закрепленного слоя (или слоев), как правило, за счет неоднородного вращения намагниченности или зарождения и расширения большого числа доменов нанометрового размера. Из наблюдений доменный структуры в отдельных ФМ слоях, нанесенных на антиферромагнетик непосредственно или через немагнитную медную прослойку, установлено, что размер доменов увеличивается с толщиной слоя и уменьшается при его закреплении обменным взаимодействием с АФМ слоем. Порядок нанесения ФМ и АФМ слоев спин-вентильных структур, тип материала, из которого они состоят, и термообработка в значительной степени влияют на распределение намагниченности в ФМ слоях и характер их перемагничивания, что обусловливает существенное изменение эффекта ГМС. Особенно стоит выделить зависимости магнитосопротивления и характеристик доменных структур спиновых вентилей от температуры отжига T_ANN. Увеличение T_ANN выше 260^оС приводило к заметным изменениям доменной структуры и, как следствие, к резкому уменьшению величины ГМС. При этом Co-СВС, в которых доменная структура лишь уменьшалась в размерах, оказались более устойчивы к высоким температурам, по сравнению с образцоми NiFe-СВС. В NiFe-СВС с помощью визуализации доменной структуры обнаружено, что увеличение температуры отжига ведет к изменениям обменной связи между двумя ферромагнитными слоями. Выявлено, что после отжига при температуре, превышающей критическую величину (здесь 360^оС) в спиновом вентиле с изначально ферромагнитной обменной связью между ФМ слоями появились участки с антиферромагнитной обменной связью, что обусловлено изменением параметров немагнитной медной прослойки в результате взаимной диффузии составляющих слои СВС атомов Mn, Ni и Сu.

В §5.3 изучены элементарные акты процесса перемагничивания нового класса нанокомпозитных многослойных материалов - синтетических антиферромагнетиков с магнитостатическим закреплением одного из ФМ слоев за счет формирования полосового рельефа на подложке. В результате изучения магнитной структуры и характера перемагничивания трехслойных нанокомпозитных систем Co/Ru/Co с осью легкого намагничивания, наведенной наклонно напыленным подслоем Та, показано, что взаимное распределение M_FREE и M_PIN и их характеристики перемагничивания зависят от величины рельефа подложки и толщины немагнитной прослойки между ФМ слоями. Обнаружено, что с увеличением толщины наклонно напыленного подслоя Та и уменьшением толщины прослойки Ru обменное межслоевое взаимодействие между ФМ слоями меняется от антиферромагнитного к ферромагнитному через формирование состояния со скошенными магнитными фазами в промежуточной области. Процесс перемагничивания САФ протекает за счет неоднородного spin-flip процесса через формирование и движение скоррелированных в ФМ слоях 180^о-градусных доменных границ или аномальных мало подвижных не-180^о-х границ. В этом состоянии доменная структура и ее преобразование во внешнем магнитном поле обусловлены плотностью пинхолов в прослойке Ru.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено прямое экспериментальное изучение элементарных актов перемагничивания монополярных уединенных 180-градусных доменных границ в монокристаллах иттриево-железистого граната. Впервые получены прямые экспериментальные доказательства существования различных режимов движения доменной границы, контролируемых формированием в ней элементарных или нелинейных возбуждений намагниченности. Показано, что при смене режимов в процессе увеличения амплитуды внешнего поля происходит резкое (более чем на порядок) изменение подвижности стенки.

2. Впервые осуществлено прямое экспериментальное исследование закономерностей динамического преобразования ДГ, обусловленного по мере увеличения уровня внешней накачки нелинейными процессами ее взаимодействия: а) с локальной потенциальной ямой, формируемой в месте расположения ДГ динамическими дефектами, ответственными за эффект магнитного последействия, при этом получены данные об эффективной глубине ямы, ее размере и характерных временах формирования и рассасывания как в режиме осцилляций ДГ, так и при ее трансляционном смещении; б) с пристеночными магнонами, проявляющимися в виде изгибных мод колебаний ДГ, измерение характеристик и анализ которых позволили впервые экспериментально доказать невзаимность их спектра и оценить среднюю фазовую скорость пристеночных спиновых волн и параметр затухания спинов осциллирующей блоховской стенки, которые хорошо согласовывались с расчетными данными; в) с уединенными нелинейными возбуждениями, инициирующими переход ДГ в хаотический режим колебаний и играющими решающую роль в кардинальном уменьшении подвижности ДГ в высоких полях, при этом установлено, что их зарождение носит пороговый характер от амплитуды и резонансный от частоты внешнего магнитного поля.

3. Установлено, что увеличение внешней накачки ведет к расширению спектра и увеличению плотности пристеночных магнонов, формированию уединенных нелинейных волн - динамических солитонов и их распаду на пары блоховских линий - топологических солитонов. Измерены динамические параметры 180-градусных доменных границ, блоховских линий и блоховских точек и проведено прямое экспериментальное изучение их взаимного влияния при приложении к кристаллу магнитных полей. Показано, что эффективная масса и коэффициент вязкого трения БЛ, вычисленные на основе экспериментальных данных для поляризованных БЛ, согласуются с теоретическими оценками. Обнаружена зависимость скорости и направления дрейфа БЛ, происходящего в закритическом синусоидальном поле, от величины и полярности поляризующего БЛ поля. Впервые измерен спектр колебаний блоховской точки вдоль блоховской линии в монокристалле иттриевого феррограната. Установлено, что он имеет релаксационный характер. Показано, что рассчитанная по экспериментальным данным величина подвижности точки на 2 ё 3 порядка меньше значений подвижностей линии и границы.

4. Развит метод магнитооптической индикаторной пленки, позволяющий в режиме реального времени получать информацию о доменной структуре нанокомпозитных многослойных магнитных материалов и элементарных актах их перемагничивания, впервые выполнено прямое экспериментальное изучение преобразования доменной структуры в обменно-связанных гетерофазных тонкопленочных наномагнетиках.

5. Показано, что за перемагничивание эпитаксиальных тонкопленочных обменно-связанных гетерофазных структур ответственны процессы формирования вблизи межфазной границы обменных спиновых пружин, локализованных в АФМ слое в случае ФМ/АФМ структур в магнитомягком ФМ слое в случае ММФ/МЖФ структур. Обнаружено новое явление асимметрии активности центров зарождения доменов в эпитаксиальных двухслойных структурах ФМ/АФМ при их перемагничивании, развита модель обменного смещения петли гистерезиса, показано, что наблюдаемая асимметрия несовместима со статической структурой АФМ спинов и указывает на присутствие в ней гибридной ДГ, состоящей из ФМ и АФМ участков.

6. Впервые в двухслойных гетерофазных нанокомпозитных ФМ/АФМ и ММФ/МЖФ структурах экспериментально изучены элементарные акты перемагничивания, обусловленные преобразованием специфических квазидвумерных обменных пружин. Установлено, что в обоих случаях реализуются механизмы неоднородного перемагничивания, характеризующиеся зарождением и эволюцией спиновых пружин разной хиральности, что обусловлено исходной разориентацией намагниченности магнитомягкого слоя, задаваемой дисперсией осей однонаправленной анизотропии на межфазной поверхности, играющей решающую роль в формировании основного состояния нанокомпозитов и физических механизмов, определяющих нелинейные процессы преобразования их доменной структуры. Обнаружены новые моды перемагничивания таких обменно-связанных структур. Полученные сведения открывают возможность прямого экспериментального изучения динамических свойств комбинированных магнитных сред с кардинально различающимися гистерезисными свойствами или (и) спиновым упорядочением и развития методов целенаправленного изменения распределения намагниченности на межфазной поверхности для создания материалов с заданными свойствами.

7. С использованием прямого МО наблюдения изучены неоднородные процессы перемагничивания в магнитных сверхрешетках и трехслойных структурах - спиновых вентилях и синтетических антиферромагнетиках. Установлено, что тип и величина межслоевого обменного взаимодействия обусловливают различия в структуре и свойствах кооперативных доменных границ, которые играют определяющую роль в процессе перемагничивания. В структурах с антиферромагнитным межслоевым обменным взаимодействием обнаружены спин-переориентационные фазовые переходы, при которых за счет неоднородных спин-флоп процессов происходит зарождение и смещение межфазных стенок, структура которых существенно отличается от классических ферромагнитных доменных границ. Установлено, что в них реализуются различные коллинеарные и неколлинеарные спиновые конфигурации, ответственные за величину эффекта гигантского магнитосопротивления, определяемого микромеханизмом перемагничивания слоистых структур. Впервые показано, что отжиг и пинхолы влияют на тип и величину межслоевой обменной связи, что приводит в определенных условиях к кардинальным изменения в микромеханизме перемагничивания, влияющем на магнитные и магнитотранспортные свойства таких слоистых структур.

В заключение следует отметить, что разработанные методы прямого экспериментального изучения магнитной структуры и ее преобразования в квазидвумерных системах спинов, локализованных в доменных границах или в нанокомпозитных гетерофазных слоистых структурах, позволили довести исследование магнитных свойств до уровня отдельной блоховской точки в объемных магнетиках и доменной границы в супертонких магнитных пленках в режиме реального времени. Полученные в диссертационной работе результаты позволили провести проверку основных положений теории и выявить целый ряд не предсказывавшихся ранее явлений. Эти результаты могут иметь значение для решения не только фундаментальных задач по исследованию сугубо нелинейных процессов движения намагниченности в магнитоупорядоченных средах, но и практических. Развитая методика исследования динамического преобразования доменной структуры и полученные с ее помощью результаты о структуре и эволюции намагниченности в двумерных спиновых системах могут найти применение в процессе разработки новых элементов вычислительной техники и спинтроники. Таким образом, выбранное направление исследований представляется перспективным и можно надеяться, что дальнейшее его развитие позволит получить еще много новых важных данных, необходимых для построения строгой теории как основного, так и возбужденного состояний ферромагнетиков и нового класса материалов - нанокомпозитных магнетиков.

квазидвумерная доменная наномагнетик перемагничивание

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Горнаков В.С., Дедух Л.М., Никитенко В.И., Сыногач В.Т. Исследование зависимости динамических свойств доменных границ в иттриевом ферро-гранате от состояния их структуры. ЖЭТФ, 1986, т.90, №6, с. 2090-2103.

2. Nikitenko V.I., Dedukh L.M., Gornakov V.S., Synogach V.T., Topological and dynamic solitons in yttrium iron garnet, in: Proceedings of the Third International Conference on Physics of Magnetic Materials. -Singapore: World scientific, 1987, p.122-140.

3. Nikitenko V.I., Dedukh L.M., Gornakov V.S., Synogach V.T., Magneto-optical study of Bloch lines and dynamic solitons in ferrimagnet, in: Proceedings of the International Symposium on Physics of Magnetic Materials. -Singapore: World scientific, 1987, p.550-553.

4. Полянский А.А., Горнаков В.С.. устройство подавления нестабильностей стробоскопического регистратора. а.с. No.1478130, 1987.

5. Горнаков В.С., Полянский А.А. Подавление нестабильностей экспериментальных стробоскопических установок. ПТЭ, 1988, №6, с. 156-159.

6. Горнаков В.С., Дедух Л.М., Никитенко В.И. Движение блоховских линий в 180-градусной доменной стенке под действием гиротропных сил. ЖЭТФ, 1988, т.94, №3, c.245-255.

7. Dedukh L.M., Gornakov V.S., Nikitenko V.I. Dynamics of Neel lines in a Bloch wall. J. de Phys., 1988, v.49, No.12, p.C8-1865-C8-1869.

8. Горнаков В.С., Никитенко В.И., Прудников И.А. Подвижность блоховской точки вдоль блоховской линии. Письма в ЖЭТФ, 1989, т.50, №.11, с. 479-482.

9. Аврутик А.М., Берзигияров П.К., Горнаков В.С., Полянский А.А. Многофункциональная автоматизированная установка по исследованию динамической структуры магнетиков. ПТЭ, 1989, №4, с. 242-243.

10. Горнаков В.С., Никитенко В.И., Прудников И.А. Нелинейная динамика монополярной доменной границы. Письма в ЖЭТФ, 1992, т.55, №1, с. 44-47.

11. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Prudnikov I.A., Synogach V.T. Elementary and nonlinear excitations in magnetic domain wall. Fiz. Nizk. Temp., 1992, v.18, No.S1, p.199-204.

12. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Prudnikov I.A., Synogach V.T. Elementary Excitations and Nonlinear Dynamics of a Magnetic Domain-Wall. Phys. Rev. B, 1992, v.46, No.17, p.10829-10835.

13. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Synogach V.T Two-dimensional magnons and domain wall dynamics in yttrium iron garnet. IEEE Trans. Magn., 1993, v.29, No.3, p.2073-2076.

14. Gornakov V.S., Synogach V.T. Dynamic instability and magnetic after-effect in domain wall dynamics. J. Magn. Magn. Mater, 1994, v.133, p.24-27.

15. Synogach V.T., Gornakov V.S. Experimental study of local dynamic potential well of isolatad domain wall. IEEE Trans. Magn., 1994, v.30, No.6, p.4921-4923.

16. Bennett L.H., McMichael R.D., Swartzendruber L.J., Hua S., Lashmore D.S., Shapiro A.J., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Nikitenko V.I. Magneto-optical indicator film observation of domain structure in magnetic multilayers. Appl. Phys. Lett., 1995, v.66, No.7, p.888-890.

17. Gornakov V.S., Dedukh L.M., Nikitenko V.I., Bennett L.H., McMichael R.D., Swartzendruber L.J., Hua S., Lashmor D.S., Shapiro A.J. Direct experimental study of domain structure in magnetic multilayers. MRS Symp. Proc., 1995, v.384, p.277-282.

18. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Kabanov Yu.P., Khapikov A.F., V.I., Bennett L.H., Chen P.J., McMichael R.D., Donahue M.J., Swartzendruber L.J., Shapiro A.J. Brown H.J., Egelhoff W.F. Magneto-optical indicator film study of the magnetization of a symmetric spin valve. IEEE Trans. Magn., 1996, v.32, No.5, p.4639-4641.

19. Дедух Л.М, Горнаков В.С., Кабанов Ю.П., Никитенко В.И. Прямое экспериментальное исследование спин-переориентационных фазовых переходов в антиферромагнитной сверхрешетке CoNiCu/Cu. Письма в ЖЭТФ, 1996, т.64, №11, c.778-782.

20. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Synogach V.T. Dynamical changes of the local potential well of a polarized domain wall. J. Magn. Magn. Mater, 1996, v.153, p.320-322.

21. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Bennett L.H., Brown H.J., Donahue M.J., Egelhoff W.F., McMichael R.D., Shapiro A.J. Experimental study of magnetization reversal processes in nonsymmetric spin valve. J. Appl. Phys., 1997, v.81, No.8, p.5215-5217.

22. Bennett L.H., Donahue M.J., Shapiro A.J., Brown H.J., Gornakov V.S., Nikitenko V.I. Investigation of domain wall formation and motion in magnetic multilayers. Physica B, 1997, v.233, No.4, p.356-364.

23. Nikitenko V.I., Dedukh L.M., Gornakov V.S., Kabanov Yu.P., Bennett L.H., Donahue M.J., Swartzendruber L.J., Shapiro A.J., Brown H.J. Spin reorientation transitions and domain structure in magnetic multilayers. IEEE Trans. Magn., 1997, v.33, No.5, p.3661-3663.

24. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Kabanov Yu.P., Khapikov A.F., Shapiro A.J., Shull R.D., Chaiken A., Michel R.P. Asymmetry of domain nucleation and enhanced coercivity in exchange-biased epitaxial NiO/NiFe bilayers. Phys. Rev. B, 1998, v.57, No.14, p.R8111-R8114.

25. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Shapiro A.J., Shull R.D., Chaiken A. Influence of crystal lattice defects on domain wall nucleation and motion in exchange-bias films. MRS Symp. Proc., 1998, v.517, p.43-48.

26. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Kabanov Y.P., Khapikov A.F., Shapiro A.J., Shull R.D., Chaiken A., Michel R.P. Direct experimental study of the magnetization reversal process in epitaxial and polycrystalline films with unidirectional anisotropy. J. Appl. Phys., 1998, v.83, No.11, p.6828-6830.

27. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Kabanov Yu.P., Khapikov A.F., Shapiro A.J., Shull R.D., Chaiken A. Asymmetry of the Remagnetization Processes in Exchange-biased NiFe/NiO bilayers. J. Magn. Magn. Mater, 1999, v.198-199, p.500-502.

28. Jiang J.S., Fullerton E.E., Sowers C.H., Inomata A., Bader S.D., Shapiro A.J., Shull R.D., Gornakov V.S., Nikitenko V.I. Spring magnet films. IEEE Tran. Magn., 1999, v.35, No.5, p.3229-3234.

29. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Dedukh L.M., Khapikov A.F., Moffat T.P., Shapiro A.J., Shull R.D., Shima M., Salamanca-Riba L. Direct experimental study of the microscopic remagnetization mechanism in Co Cu magnetic superlattices. J. Magn. Magn. Mater, 1999, v.199, p.477-479.

30. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Shapiro A.J., Shull R.D., Liu K., Zhou S.M., Chien C.L. Asymmetry in elementary events of magnetization reversal in a ferromagnetic/antiferromagnetic bilayer. Phys. Rev. Lett., 2000, v.84, No.4, p.765-768.

31. Liu K., Zhou S.M., Chien C.L., Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Shapiro A.J., Shull R.D. Anisotropy-dependent macroscopic domain structure in wedged- permalloy/uniform-FeMn bilayers. J. Appl. Phys., 2000, v.87, No.9, p.5052-5054.

32. Shull R.D., Shapiro A.J., Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Jiang J.S., Kaper H., Leaf G., Bader S.D. Spin spring behavior in exchange coupled soft and high- coercivity hard ferromagnets. IEEE Trans. Magn., 2001, v.37, No.4, p.2576-2578.

33. Dedukh L.M., Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Shapiro A.J., Shull R.D. Direct experimental study of magnetization reversal mechanisms of nanostructured materials. Phys. Met. Met., 2001, v.91, p.S133-S138.

34. Shapiro A.J., Gornakov V.S., Nikitenko V.I., McMichael R.D., Egelhoff W.F., Tahk Y.W., Shull R.D., Gan L. Features of domain nucleation and growth in Co/Ru/Co synthetic antiferromagnets deposited on obliquely sputtered Ta underlayers. J. Magn. Magn. Mater, 2002, v.240, p.70-72.

35. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Egelhoff W.F., McMichael R.D., Shapiro A.J., Shull R.D. Anomalous switching behavior of antiparallel - coupled Co layers separated by a super thin Ru spacer. J. Appl. Phys., 2002, v.91, No.10, p.8272-8274.

36. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Shapiro A.J., Shull R.D., Jiang J.S., Bader S.D. Direct experimental study of the exchange spring formation process. J. Magn. Magn. Mater, 2002, v.246, No.1-2, p.80-85.

37. Lee C.G., Jung J.L., McMichael R.D., Fry R.A., Chen P.J., Egelhoff W.F., Gornakov V.S. Structural, magnetic and thermal stability of IrMn exchange biased layers. J. Appl. Phys., 2002, v.91, No.10, p.8566-8568.

38. Chien C.L., Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Shapiro A.J., Shull R.D. Antiferromagnetic spin structure and domains in exchange- coupled multilayers. IEEE Trans. Magn., 2002, v.38, No.5, p.2736-2740.

39. Кабанов--Ю.П., Горнаков--В.С. Особенности процесса перемагничивания нанокомпозитных гетерофазных постоянных магнитов. Письма в ЖТФ, 2003, т.29, №5, c.8-14.

40. Nikitenko V.I., Gornakov V.S., Kabanov Y.P., Shapiro A.J., Shull R.D., Chien C.L., Jiang J.S., Bader S.D. Magneto-optical indicator film study of the hybrid exchange spring formation and evolution processes. J. Magn. Magn. Mater, 2003, v.258, p.19-24.

41. Shull R.D., Shapiro A.J., Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Zhao H.W. Stationary antiferromagnetic domains during magnetization reversal in an exchange-biased FeMn/Fe76Mn6C18 bilayer. J. Appl. Phys., 2003, v.93, No.10, p.8603-8605.

42. Chien C.L., Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Shapiro A.J., Shull R.D. Hybrid domain walls and antiferromagnetic domains in exchange-coupled ferromagnet/antiferromagnet bilayers. Phys. Rev. B, 2003, v.68, No.1, p.014418.

43. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Egelhoff W.F., McMichael R.D., Shapiro A.J., Shull R.D. Ru spacer thickness dependences of the domain nucleation and growth in Co/Ru/Co synthetic antiferromagnet. J. Magn. Magn. Mater, 2003, v.258-259, p.345-347.

44. Lee C.G., Jung J.G., Gornakov V.S., McMichael R.D., Chen A., Egelhoff Jr.W.F. Effects of annealing on the GMR and domain structure stabilization in a Py/Cu/Py/MnIr spin valve. J. Magn. Magn. Mater., 2004, v.272-276, p.1887-1888.

45. Горнаков В.С., Кабанов Ю.П., Никитенко В.И., Тихомиров О.А., Шапиро А.И., Шулл Р.Д. Ш. Хиральность формирующейся спиновой пружины и особенности перемагничивания двухслойной ферромагнитной системы. ЖЭТФ, 2004, т.126, №3, с. 691-703.

46. Lee C.G., Gornakov V.S., Koo B.H., Shin K. GMR and magnetodynamics of mnIr spin valves depending on growth order of FM and AFM layers. IEEE Trans. Magn., 2005, v.41, No.10, p.2580-2582.

47. Gornakov V.S., Nikitenko V.I., Shapiro A.J., Shull R.D., Yang F.Y., Chien C.L. Switching of domains and domain walls in Fe₅₀Mn₅₀/Ni₈₁Fe₁₉ bilayers with non-180^o ferromagnetic domains. Phys. Met. Met., 2006, v.101, No.Suppl.1, p.S51-S55.

48. Lee C.G., Gornakov V.S., Koo B.H., Shin K.S., McMichael R.D., Chen A., Egelhoff Jr W.F. Annealing temperature dependences of magnetization reversal in exchange-biased bilayers. Physica B, 2006, v.372, No.1-2, p.350-353.

49. Gornakov V.S., Kabanov Yu.P., Nikitenko V.I., Tikhomirov O.A. Rotational hysteresis and chirality of the spin spiral structure in exchange coupled heterostructures. Phys. Met. Met., 2006, v.101, No.Suppl.1, p.S37-S40.

50. Gornakov V.S., Kabanov Yu.P., Tikhomirov O.A., Nikitenko V.I., Urazhdin S.V., Yang F.Y., Chien C.L., Shapiro A.J., Shull R.D. Experimental study of the microscopic mechanisms of magnetization reversal in FeNi/FeMn exchange-biased ferromagnet/antiferromagnet polycrystalline bilayers using the magneto-optical indicator film technique. Phys. Rev. B, 2006, v.73, No.18, p.184428.

Размещено на Allbest.ru