Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

6.97 Mб

Скачать

☆

1 / 171 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

В. А. П у з ы р е в

ТОН КИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ПЛЕНКИ В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974

УДК 621.382.8-416

Пу з ы р е в В. А. Тонкие ферромагнитные пленки в радио технических цепях, м., «Сов. радио», 1974, 1С0 е.

Рассмотрены вопросы создания моделей магнитосвязаниой с пнешними радиотехническими цепями тонкой ферромагнитной пленки и использования этих моделей для расчета устройств, содержащих пленки. Исследовано влияние технологических и

внешних факторов на параметры модели. Изложены		методы
экспериментального	определения основных параметров	модели
и пленки.
Книга рассчитана на специалистов, занимающихся		вопроса
ми проектирования	и использования тонкопленочных	радио

технических устройств, а также инженеров, работающих в

области применения				магнитных материалов в СВЧ элементах
и в вычислительной				технике.
	81 рис., 6 табл., библ. 47 назв.
	1			а
		Редакция		радиотехнической					литературы
Владимир		Андреевич		Пузырф			Фя-Г-Т.'
Тонкие ферромагнитные					плефиыде<]>-*_£ ,'\<фГО
в	радиотехнических			цепях •				—	-	~
Научный		редактор Л. И.			Т е л я т н и к о в
Редактор		И. К. Г а н и н
Художественный редактор В. Т.							С и д о р е н к о
Обложка		художника		М а р ч у к а А. Б.
Технический			редактор 3.		Н. Р а т н и к о в а
Корректор 3.			Г. Г а л у ш к и н а
Сдано в набор 30'V 1973 г. Подписано								в печать		13/XII 1973 г. Т-18073
Формат 84 X Ю8'/я Бумага					типографская № 2
Объем 8,4 усл. п. л.,				8,110 уч.-изд. л.
Тираж 6800 экз. Зак. 247 Цена						41 коп.
Издательство			«Советское		радио»,		Москва,		Главпочтамт, а/я 693
Н а б р а но		в Московской			типографии			jV?	13	Союзполнграфпрома
при	Государственном			Комитете		Совета		Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
Москва, 107005,			Денисовский пер.,			д . 30.
Отпечатано		в	типографии		нзд-ва		«Советское			радио» . Заказ 167ft
0341-031
п 046 (01)-74			-6-73

О Г Л А В Л Е Н И Е

Предисловие Глава 1. Эквивалентная схема магнитосвязаннон тонкой фер

ромагнитной пленки 1.1. Введение

1.2. Краткие сведения о физических свойствах ТФП . .

1.3.Статическая модель пленки

1.4.Динамическая модель пленки

1.5. Эквивалентная схема магнитосвязаннон пленки . .

1.6.Линейная эквивалентная схема

1.7.Параметры эквивалентной схемы

1.8.Влияние неоднородностей пленок

1.9.Определение параметров эквивалентной схемы . . .

1.9.1.Случаи низких частот

1.9.2.Случай высоких частот

1.10.Заключение :• . •

Глава 2. Радиотехнические цепи, содержащие пленки . . .

2.1.Введение

2.2.Включение пленки в качестве проходного элемента .

2.2.1.Модулятор

2.2.2.Параметрон

2.2.3.Ортогональный СВЧ ключ

2.3. Включение пленки в качестве неоднородности . . .

2.3.1.Ключ на неоднородной линии

2.3.2.Плавный фазовращатель

2.3.3.Элемент запоминающего устройства

2.4.Включение пленки в качестве оконечной нагрузки .

2.4.1. Преобразователь

угол — напряжение . . . .

2.4.2. Регулируемая нагрузка

2.5.Заключение

Приложение	1. Модель магнитосвязаннон	пленки
Приложение	2. Аппроксимация выражений	для <о(т) и е (т) .
Приложение	3. Решение дифференциального уравнения (2.15)
Список литературы
Предметный	указатель

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы тонкие ферромагнитные пленки стали предметом интенсивного исследования. Такой по вышенный интерес к проблеме пленок вызван, с одной

стороны, их		особыми магнитными			свойствами,		в а ж н ы м и
д л я теории ферромагнетизма, а					с	другой —	возмож
ностью	их	широкого применения			в цифровых		вычисли
тельных м а ш и н а х и в различных					радиотехнических уст
ройствах.
Тонкие ферромагнитные пленки (ТФП) имеют вы
сокую	скорость		изменения намагниченности				(единицы
наносекунд)		при	относительно	малых		мощностях управ
л я ю щ и х	полей.		Вихревые токи	в	пленках практически

отсутствуют на всех частотах вплоть до СВЧ . Экспери ментальные исследования статических и динамических характеристик пленок свидетельствуют о том, что устройства на их основе могут работать в широком ин тервале температур ( ± 1 0 0 ° С ) .

Перспективы использования тонких магнитных пле нок в технике основываются главным образом на вы сокой технологичности изготовления устройств, исполь

зующих пленки с более высоким значением			магнитной
проницаемости и с более разнообразными			анизотроп
ными	свойствами, чем	у других магнитных	материалов .
В	настоящее время	тонкие магнитные пленки, обла

д а ю щ и е высокой скоростью переключения, наиболее широко используются в качестве элементов памяти за


поминающих			устройств	электронных цифровых		машин .
Это	их	использование		в значительной	степени	опреде
л я л о	и	направление прикладных физических работ.
О д н а к о в			последние	годы внимание	физиков	и ин

женеров привлекают те свойства, которые могут быть использованы д л я создания радиотехнических устройств. Магнитные пленки используются в качестве основного элемента в преобразователях тока в код, угол — напря

жение [ 1 ] ,	в магнитных	тонкопленочных линиях с ре
гулируемой	з а д е р ж к о й [2]	и других устройствах. Извест

ны примеры применения пленок в элементах двухчастотной памяти, параметронах, параметрических усили телях и модуляторах [ 3 ] . Имеется пока небольшое чи сло устройств, использующих ферромагнитный резонанс

( Ф М Р )	пленок.	Ф М Р	в пленках нашел	применение в
технике хранения		дискретной информации		[ 4 ] , преобра
зователях информации,			в высокочувствительных магни
тометрах	[5] и других		приборах. Ведутся	исследования

внаправлении совместного использования магнитных:

пленок и полупроводниковых	элементов [ 6 ] . П р и в е д е н
ный перечень использования	Т Ф П в различных радио

технических устройствах является далеко не полным. Основная цель настоящей работы — ознакомить ра

диоинженеров, интересующихся вопросами технического использования тонких ферромагнитных пленок, с мето дами математического моделирования Т Ф П , а т а к ж е с инженерными методами анализа радиотехнических устройств на их основе.

	Книга состоит из двух глав. В первой главе рассмот
рены вопросы получения моделей тонкой						ферромагнит
ной пленки, связанной с радиотехническими						цепями. И с
следуется		влияние неоднородностей			пленок	на	парамет
ры	ее модели.
	Экспериментально показано,			что	эквивалентная схе
ма	д л я большого класса		з а д а ч	с хорошим		приближени
ем	(для	малого сигнала)	о т р а ж а е т		свойства		реальной
пленки. П р и создании эквивалентной схемы						магнитосвя-
занной пленки, как и при			создании эквивалентной схемы

любого сложного радиоэлектронного устройства, был до

пущен	компромисс м е ж д у теоретической	строгостью,
с одной стороны, и удобством практического		применения,
с другой.
Во второй главе книги рассмотрены различные ра
диотехнические устройства на основе тонких		ферромаг
нитных	пленок. Основное внимание при этом уделено

количественному исследованию этих устройств с привле

чением полученной в первой части математической					мо
дели	магнитосвязанной	пленки — эквивалентной		схемы .
Д а н о	описание основных	физических	особенностей		про
цессов в исследуемых устройствах.
Автор счТ-гтает приятным долгом			выразить	искрен

нюю благодарность Е. М. Злочевскому и Ю . И . В о л о -

щенко,	результаты исследований которых	использованы
в настоящей книге.
Автор многим обязан проф. К. М. Поливанову, п р о ф .
М. Д .	Карасеву, Л . И. Телятникову, Г.	П. З а д е р е ю и

Л . И. Антонову за критические замечания и полезные советы, учтенные при подготовке рукописи к изданию .

Г л а в а 1

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА МАГНИТОСВЯЗАННОЙ ТОНКОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ

1.1.	ВВЕДЕНИЕ
В	настоящее время все большее количество физи
ческих	явлений используется для построения радиоэлек

тронных устройств и систем. В первую очередь это от

носится	к физическим явлениям,	имеющим	место
в твердом	теле. Д л я анализа, синтеза	и расчета	радио

электронных устройств широко применяются эквивалент ные электрические схемы. Особое значение эквивалент ные схемы приобретают в связи с развивающимися в по

следнее	время машинным		проектированием		радиотехни
ческих	устройств	[ 8 ] .
Следует отметить, что			д а ж е	для целей	машинного
проектирования		эквивалентные		схемы д о л ж н ы быть

максимально упрощены. Степень упрощения диктуется допустимыми ошибками моделирования . Чем точнее эк

вивалентная схема, тем	она	сложнее, а сложность
устройств, которые могут	быть	проанализированы д а ж е

с помощью ЭВМ, ограничена. Поэтому используемые эк

вивалентные схемы о т р а ж а ю т основные свойства	реаль
ных устройств всегда с некоторым приближением,	что не

обходимо учитывать при определении требований к точ ности расчетов характеристик схем, особенно при исполь зовании Э В М .


Д л я решения большого класса		задач,	связанных с
исследованием	радиотехнических	устройств		на	основе
Т Ф П , может быть использована линейная			эквивалентная
схема. В подобных устройствах рабочий			режим		пленки
определяется	постоянносмещающими полями,			большими

поля анизотропии пленки или соизмеримыми с ним. Это

условие	выполняется, в первую	очередь, в	устройствах
с Т Ф П ,	в которых используется	свойство	ферромагнит

ного резонанса. Отмеченные обстоятельства приводят к м а л ы м нелинейностям, вносимым пленкой во внешнюю,

связанную	с ней цепь,	что	и позволяет	рассматривать
нелинейную	систему с	Т Ф П	при м а л ы х	сигналах к а к
линейную.

Д и н а м и ч е с к ие свойства пленок (и других				магнитных
материалов)	о т р а ж а ю т с я фундаментальным			уравнени
ем Л а н д а у — Л п ф ш п ц а . Д л я однодоменной			пленки (вра
щательное	движение	намагниченности)	при	действии
внешних полей в плоскости пленки, уравнение				Л а н д а у —
Л и ф ш и ц а упрощается		и представляет собой		дифферен

циальное уравнение механических моментов, действу ющих на магнитный момент пленки, записанное в ска лярной форме.

Уравнение Л а н д а у — Л и ф ш и ц а описывает поведение намагниченности (магнитного момента) магнитного м а териала под действием внешних полей. Если внешнее магнитное поле в пленке создается радиотехнической аепыо, то, используя уравнение Л а н д а у — Л и ф ш и ц а , м о ж но отразить взаимное влияние пленки и радиотехниче ской цепи в виде системы дифференциальных уравнений. Эти уравнения могут быть записаны либо относительно магнитомеханических переменных, характеризующих процессы в пленке, либо относительно электрических пе


ременных (тока,	напряжения,		магнитного потока и т. п.),
характеризующих	процессы		в	радиотехнической	цепи.
В последнем случае		системе	полученных уравнений бу
дет соответствовать		некоторая		радиотехническая	схе

ма, отличная от исходной. Дополнительные элементы в

такой цепи по сравнению с	исходной схемой	обуслов
лены влиянием пленки. Эти	дополнительные	элементы

иобразуют эквивалентную схему пленки, магнитосвя-

занной с исходной радиотехнической схемой. В д а л ь нейшем при анализе работы всего радиотехнического


устройства	с Т Ф П		м о ж н о		пользоваться	этой	схемой,
а следовательно,		можно		использовать хорошо известную
радиоинженеру		теорию		радиотехнических		цепей.		~
Область	применимости				полученной	описанным		пу
тем эквивалентной			схемы		Т Ф П определяется		областью
справедливости исходных уравнений.

Внастоящей главе получены эквивалентные элек

трические схемы	д л я	тонкой	ферромагнитной	пленки,
магннтосвязанной	с внешними		радиотехническими цепя
ми. Установлена	количественная связь м е ж д у			парамет
рами эквивалентной		схемы и	физическими характери

стиками пленки. Обоснованы и описаны методы экспери ментального определения таких параметров .

1.2. КРАТКИЕ	СВЕДЕНИЯ О	ФИЗИЧЕСКИХ	СВОЙСТВАХ	ТФП
Основными методами получения			магнитных	пле
нок являются	1) вакуумное	напыление	металла на	под

л о ж к у ; 2) электролитическое осаждение на немагнит ные металлические или диэлектрические подложки с ме таллическим подслоем; 3) термическое разложение металлоорганических соединений на нагретой поверхно сти подложки; 4) катодное напыление; 5) химическое восстановление металлов из раствора солеи. Наиболее широко распространен метод вакуумного напыления. Он состоит в следующем: в вакууме производится ис парение материала, т а к что образуется поток молекул, которые о с а ж д а ю т с я на подложку, изготовленную обыч но из стекла или кварца . При электролитическом осаж дении пленки формируются методом электролиза . При

катодном напылении	стекло	или	кварц покрываются
пермаллоем в тлеющем р а з р я д е низкого давления .
Физические свойства тонких			ферромагнитных пле
нок исчерпывающе	освещены	в	литературе [11—15],

поэтому ниже приводятся только те сведения, которые будут необходимы д л я обоснования эквивалентной схе мы. Наибольшее техническое применение пока находят пленки железо - никелевого сплава, содержащего при

мерно	80%	N i	и 20% Fe (пермаллой 80—20). У сплава
такого	состава		магнитострнкция	очень	м а л а и дает	пре
небрежимо малый в к л а д в одноосную анизотропию						пер-
маллоевых		пленок (последняя		д о л ж н а	быть сведена к
минимуму		для	уменьшения	энергии	управляющего

по л я ) .

Вслучае магнитных пленок термин «тонкая пленка»

относится к пленкам, верхняя граница толщины		кото
рых лежит м е ж д у Ю - 4 и	Ю - 3 см [11] . Л е н т ы д л я	звуко
записи, которые-состоят	из подложек с нанесенными на

них тонкими слоями порошка, обычно (независимо от их

толщины) относят	не к	тонким пленкам, а	к порошко
вым м а т е р и а л а м .	П р и	определении пленок,	кроме тол

щины слоя, играют роль еще и другие факторы, т. е.

чтобы решить вопрос о том, можно ли назвать	пленку
«тонкой», следует, очевидно, не только у к а з а т ь	ее пре

дельную толщину, но п принять во внимание дополни тельные факторы . Рассмотрим их.

«Ферромагнитными» считают	только,	такие пленки,
в которых атомные магнитные	моменты	участвуют в

обменном взаимодействии. Поведение тонких ферро магнитных пленок отличается от поведения массивных магнитных материалов в силу двух основных причин. Во-первых, в противоположность внутренним .электрон


ным	спинам	поверхностные спины	находятся		в струк
туре	с более низкой симметрией, т а к		как они	имеют со
седей только со стороны пленки. Во-вторых,				расположе
ние	атомов	в нескольких слоях, б л и ж а й ш и х к		подложке,
зависит от природы подложки и температуры,					которую
она	имела при осаждении пленки. П о д л о ж к а м и				для по-

ликристаллическнх пленок обычно с л у ж а т аморфные ве щества, например стекло или кварц, которые не могут су щественно влиять на кристаллическую структуру пленки. Тем не менее неизбежные несовершенства и неровности этих подложек будут до некоторой степени определять равновесные расположения по крайней мере нескольких


первых	слоев		атомов	во время осаждения . Д р у г а я ж е
сторона		пленки подвержена			действию остаточных	газов
во время		напыления,		а впоследствии — и воздуха. Вслед
ствие	этого		может происходить окисление поверхност
ных слоев, что в дальнейшем					т а к ж е сказывается на	свой
ствах тонких			пленок.

Из сказанного ясно, что если поверхностные спины составляют значительную часть общего числа всех спи нов в образце, как это имеет место в большинстве тонких пленок, то свойства такого образца могут отличаться от свойств массивного материала . Действительно, при неко торых обстоятельствах тонкие пленки м о ж н о рассматри вать как особое состояние вещества [12] . М о ж н о привес ти и другие факторы, свидетельствующие о существен ном отличии свойств тонких пленок от массивных мате риалов, например, существенное отличие кристалличе ской структуры пленок от структуры массивных материа

лов и	т. п. О д н а к о у ж е и	так ясно, что термин «тонкая
пленка» кроме геометрических особенностей пленок			(тол
щина,	площадь) о т р а ж а е т	т а к ж е и их существенные	фи

зические особенности по отношению к магнитным мас

сивным м а т	е р и а л а м .
Р е а л ь н а я	тонкая ферромагнитная пленка состоит из

множества областей, н а з ы в а е м ы х доменами (или облас

тями самопроизвольной		намагниченности), к а ж д ы й из ко
торых	намагничен до	насыщения,	т._е. внутри	к а ж д о г о
домена	все магнитные	моменты	располагаются	п а р а л
лельно.	Намагниченность пленки		в целом представляет

1 / 171 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ