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

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 174 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

величины	смещающего поля h или его компонент /гл и
Л т может	меняться в довольно широких пределах. Это

обстоятельство необходимо учитывать при исследовании различных устройств на основе Т Ф П , работающих со •смещающими и управляющими внешними полями раз личной величины и направления .

Д л я	больших амплитуд колебаний		необходимо учи
т ы в а т ь	д а ж е малые	нелинейности, так	как на	большом
интервале времени		по сравнению с периодом		колебаний

п р о я в л я ю т с я влияния малых отклонений системы от ли нейной. М а л ы е нелинейные члены оказывают коммуля - тивное действие. Из - за нелинейности нарушается прин цип суперпозиции, и отдельные гармоник? колебаний вступают во взаимодействие м е ж д у собой, вследствие чего становится невозможным индивидуальное рассмот

рение поведения к а ж д о й гармонической		составляющей
колебаний в отдельности.
Так как модель пленки, связанной	с внешними цепя
ми, о т р а ж а е т с я эквивалентной схемой с		сосредоточен
ными параметрами, то, очевидно, она	будет	справедлива

только в той области частотного диапазона, где геомет рические размеры пленки много меньше длимы волны колебаний, взаимодействующих с пленкой.

По определению, добротность есть умноженное на 2л отношение колебательной энергии резонатора к энергии, теряемой за период колебаний. Величина, обратная доб

ротности, называется затуханием . Оба эти			понятия, ха
рактеризующие	колебательные свойства	контура, будут
в случае малого	сигнала использованы	и	для эквива

лентной схемы ТФП . Добротность является важной ха рактеристикой пленки. В ы р а ж е н и е дл я добротности ко лебательной системы эквивалентной схемы имеет сле дующий вид:

Q =

pGT

% ( 1 + а * ) / -

1/2

(1.41)

От м/.дТ

где

р = VLXT/Ct.

Как

у ж е

отмечалось

выше,

доброт

ность

является параметром,

независимым от

характери

стик

внешних

цепей.

физической

литературе

потери

пленке

характе

ризуют или параметром

затухания Л

[11—13]

Л =

а т М

(1.42)

или

шириной

линии резонансного

поглощения

А Я =

2<ш/т =

2 Л / Т

2 М ,

(1.43)

где АН — величина, х а р а к т е р и з у ю щ а я полосу пропуска ния на уровне половинной мощности, когда при снятии

частотной зависимости варьируемой	величиной	являет
ся поле, а не частота.
Характер зависимости затухания	от частоты	имеет

первостепенное значение как с научной, так и с техни ческой точки зрения. В первом случае эта зависимость дает возможность проверить основные теоретические представления о механизме передачи энергии от спино вой системы к кристаллической решетке. Во втором — успешное техническое применение возможно лишь при условии, что затухание однородной прецессии не будет чрезмерным.

Во всех проводимых в настоящее время эксперимен тах, д а ю щ и х существенные для практических задач све дения, используют в основном две методики — измере ние ширины резонансной линии в широком интервале ча стот и исследование переходных процессов. Поэтому дл я практических целей в а ж н о установить связь между доб ротностью эквивалентной схемы пленки и ее физиче скими п а р а м е т р а м и , характеризующими потери в плен

ках. Эта связь позволит	относительно просто определить
экспериментальные значения величии Q и G дл я реаль
ных пленок. С учетом (1.41) — (1.43) имеем соотношение,
связывающее значения	ненагруженной добротности Q

с физическими	п а р а м е т р а м и	пленки:
	Q = co/A.				(1.44)
Главной проблемой в физике пленок остается до сих
пор объяснение	релаксационных		и	других	механизмов,
которыми определяется уширенне				кривой	ферромагнит
ного резонансного поглощения.			З а д а ч а увеличения ве
личины добротности связана		с	возможностью изготов

ления однородных монокристаллических пленок с нуле вой магнитострикцией, а т а к ж е с возможностью исполь зования магнитных металлов и сплавов с составом, даю щим малую ширину кривой поглощения. Пр и изготов лении пленок необходимо учитывать их толщину, так как однородность пленки в сильной степени зависит от

толщины	нанесенного слоя		[11]. С уменьшением		тол
щины возрастает влияние			несовершенств, а с увеличе
н и е м — возрастают		потери	на вихревые	токи. Д л я	уве
личения	магнитной	массы	используются	многослойные
пленки.

Существует однозначная связь между	п а р а м е т р а м и
эквивалентной схемы со, Q, G и физическими	параметра
ми пленки М, Нк и т. д.; с другой стороны, известна связь

перечисленных параметров М, Нк и других от техноло

гических (толщина,	однородность,	скорость	напыления
и т. п.) и внешних	(температура,	влажность,	величина
радиационного фона	и т. п.) факторов . Поэтому может

быть установлена связь непосредственно м е ж д у пара метрами эквивалентной схемы со, Q, G и п а р а м е т р а м и технологического процесса изготовления пленки, а т а к ж е условиями о к р у ж а ю щ е й среды. Это означает, что может быть решена задача изготовления пленки с требуемыми

i _

500 1000 1500 2000 d,A О	500	1UOO	1500 2000 d,A
а		6
Р и с .	1.12
п а р а м е т р а м и эквивалентной	схемы	путем	обеспечения

нужной технологии и предсказано влияние внешней сре ды на эти параметры .

На рис. 1.12, а, б приведены зависимости резонансной круговой частоты при нулевых внешних полях и потерь от толщины пленки. Подобные зависимости, характери зующие влияние технологических факторов на парамет ры эквивалентной схемы, можно получить и дл я темпе ратуры подложки при напылении, и дл я процентного со

става	пленки	и других факторов . Н а рис. 1.13			показаны
зависимости		тех ж е самых параметров от		температуры
о к р у ж а ю щ е й		среды.
Способность прогнозирования влияния технологиче
ских и внешних факторов на п а р а м е т р ы				эквивалентной
схемы	имеет	н е м а л о в а ж н о е практическое		значение, так
к а к в настоящее время наметилась			тенденция		использо
в а т ь	тонкие	ферромагнитные	пленки	в	качестве

устройств без дополнительных внешних элементов, т. е.

.32

при синтезе различных радиотехнических устройств ис пользуются функциональные свойства пленки как нели нейного управляемого резонатора [1] .

При использовании пленок в различных радиотехни ческих устройствах могут встретиться случаи, требующие учета дополнительных видов энергии, например энергии

двухосной	пленки,	энергии	размагничивающего поля
и др. Это	связано с конкретным применением пленок и
зависит от условий		и р е ж и м а	работы ТФП , ее геометрии,

рассеиваемых на ней мощностей и т. п. Чтобы при этом не возвращаться к решению исходной задачи — состав

лению уравнения

(1.21), можно воспользоваться следую

щей

методикой

учета

дополнительных

энергетических

компонент в

этом уравнении. И з

уравнения

(1.21)

сле

дует: LTK/LIVT

= dF/d<£>T.

Известно

т а к ж е

(приложение

1),

что

=-^g-coso,

о т к у д а окончательно

имеем

LnlL„

= d*EldV.

(1.45)

Необходимо отметить, что дополнительные

компонен

ты

энергии,

учитываемые

выражением

(1.45),

относятся

только

к модели

однородной пленки.

О б р а т н а я

величина

дифференциальной

индуктивно

сти

L R T

равна второй производной

по

Э от

общей энер

гии

Е. З н а я

компоненты общей энергии пленки Е, легко

перейти к дифференциальным индуктивностям

уравнения

(1.21)

схемы замещения . Д л я определенных

режимов

ра

боты

пленки

(сюда

относятся и

р е ж и м

переключения)

следует

учитывать

неоднородности

последней.

Заказ

№ 247

1.8. ВЛИЯНИЕ	НЕОДНОРОДНОСТИ ПЛЕНОК
Р а с с м о т р е н н ая выше эквивалентная схема		Т Ф П бы
л а получена в	предположении, что пленка	однородна.

Такое предположение допустимо для значительного чис


л а	задач	исследования			радиотехнических				устройств
с Т Ф П . Однако в ряде				случаев неоднородность						пленки
существенно влияет			на	ее поведение			в	схеме, и она
д о л ж н а учитываться			при		определении		параметров			экви
валентной		схемы. Н а и б о л ь ш е е влияние					неодиородностей
пленок сказывается			при	рабочих		р е ж и м а х ,		когда		внеш
ние	поля,	приложенные		к	пленке,	находятся			в области,

где зависимости дифференциальных эквивалентных индуктивностей от внешних полей характеризуются раз рывными функциями .

В этом п а р а г р а ф е рассмотрим влияние, неодиород ностей пленки на ее параметры . Многочисленные экспе рименты по резонансному поглощению радио- и высоко частотного полей подтверждают значительное влияние

неодиородностей пленки на ее физические п а р а м е т р ы

[11].

П р и этом наблюдается

аномальный

рост

постоянной

затухания

Л а н д а у — Л и ф ш и ц а

(пересчитанной

из

ши

рины линии

резонансного

поглощения

АН)

при

умень

шении

частоты

изменения

поля

а.

Н а б л ю д а е м о е

явле

ние связывают с наличием дисперсии

поля анизотро

пии

# к

по

величине АНК

и направлению б,

которая

вы

зывает разброс и соответствующее расширение

резо

нансных

кривых. Это

объяснение

справедливо

только

д л я

пленок

с очень

большой дисперсией,

о б л а д а ю щ и х

так

называемой

«блочной» структурой

[19]. Д л я

пленок

с малыми

Д Я К

у к а з а н н а я

модель

не

объясняет

н а б л ю

даемой частотной зависимости ширины линии резонанс

ного	поглощения.	Эта зависимость качественно		м о ж е т
быть	объяснена	наличием в пленке	неодиородностей,
размеры которых		меньше эффективных	радиусов	обмен

ного и дипольного взаимодействий. Неоднородности приводят к тому, что эффективные магнитные поля в различных участках пленки не одинаковы и, следова тельно, меняют локальные условия резонанса. При этом

векторы	намагниченности	отдельных участков д о л ж н ы
были бы	осциллировать	(при наличии внешнего пере

менного поля) с разными амплитудами и фазами . Одна ко обменное и дипольное взаимодействия не позволяют векторам намагниченности соседних участков расходить -

ся на большие углы, т. е. они о б л а д а		ю т	«фильтрующим»
свойством",	с г л а ж и в а я эффективные	магнитные поля,
созданные	неоднородностямн. Степень		с г л а ж и в а н и я

зависит от эффективных радиусов взаимодействий, ко

торые,	в	свою очередь, зависят от	смещающего поля.
М о	ж н о	считать установленным,	что на расширение

резонансной кривой оказывают влияние как неоднород ности, размеры которых превышают эффективные радиу

сы обменного	и	дипольного	взаимодействия, — крупно
м а с ш т а б н ы е	неоднородности,		так	и мелкомасштабные
неоднородности,		имеющие размеры,		меньше указанных

радиусов. Это разделение соответствует физической при

роде	пленок.
Источниками		макронеоднородностей	служат: конеч
ность	размеров	пленки, в ы з ы в а ю щ а я	образование раз

магничивающих полей во время напыления пленки, и, следовательно, «скосы» легкой оси; крупные дефекты, которых особенно много на краях пленки; напряжения,


возникающие	в процессе		осаждения	и	остывания плен
ки; неоднородности		толщины пленки;			неоднородность
нагрева подложки;		неоднородность		химического состава
в разных участках пленки и т. п.
Существует	большое		количество	причин, вызываю

щих микровариации магнитной структуры пленки: маг нитная анизотропия кристаллитов, оси симметрии кото рых ориентированы случайным образом; изотропные на пряжения, преобразующиеся анизотропной магнитострикцией каждого кристаллита в энергию анизотропии; слу чайно ориентированные анизотропные напряжения: ва риации одноосной индуцированной анизотропии по ве личине и направлению на расстояниях порядка разме ров кристаллитов; царапины, неровности подложки; пу стоты и немагнитные включения, имеющие большее маг

нитное сопротивление, чем		основной		материал,		и застав
л я ю щ и е магнитные	силовые		линии	изгибаться		при их
обходе; остаточные	газы	и	водяные	пары;	химическая
неоднородность сплава и другие причины.
Первой и наиболее естественной попыткой						описания
•физической системы	было		бы механическое			описание,
т. е. описание движения всех областей на					основе зако
нов классической механики.			Действительно,			состояние

•системы известно, если известны положение и движение

всех областей, входящих в систему. З н а я положение	и
движение отдельных областей в данный момент, по	за-
2*	35

конам механики м о ж н о определить их дальнейшее из менение. Таким образом можно определить не только

состояние	системы в	данный момент, но и проследить
за изменением этого		состояния со	временем.	Д р у г и м и
словами,	для описания поведения		системы	требуется

определить движение всех областей, составляющих си стему. Это чисто механический подход к описанию фи


зической системы. Такой подход тем		более естествен,
что в теоретической	механике р а з р а б о т а н ы		методы ре
шения задач о движении систем многих		частиц.
К а з а л о с ь бы, что	нужно только решить		определенное

число уравнений и найти соответствующее число началь ных условий. Однако д л я любого практически интерес ного случая мы имеем огромное число уравнений. По нятно, что решить такое число уравнений, найти и учесть


примерно			такое	ж е	число начальных условий практи
чески	невозможно .				Второй принципиальной					трудностью
является то, что уравнения системы, как правило,											я в л я
ются	нелинейными.				Очевидно, д л я			решения		подобной
задачи		д о л ж е н быть			использован статистический подход.
Д л я		пленки,		содержащей			большое		количество		обла
стей,	з а д а ч а учета				влияния		неоднородное!ей			на	пара
метры		эквивалентной				схемы	магнитосвязанной				пленки
была решена с введением ряда у п р о щ а ю щ и х										предполо
жений		[ 2 0 ] . В предположении, что к а ж д а я отдельная л о
к а л ь н а я			область	Т Ф П		действует как		однородная			плен
ка, была			получена		ее	математическая			модель.		З а т е м

найдены взвешенные средние значения индуктивных па

раметров эквивалентной	схемы.
В общем случае эта	з а д а ч а не р а з р е ш и м а . Поэтому-

более подробно был рассмотрен частный случай д л я об ласти внешних полей Л л = 0, fh=l, где наблюдается наи большее расхождение модели идеальной пленки с ре зультатами экспериментальных исследований. В случае


модели	идеальной пленки при значениях относительных
полей	/гл = 0 и / г Т = 1 зависимость величины				индуктивно
сти 1 Л 2 от		поля равна бесконечности		(рис.	1.8, б ) , а	за
висимость		индуктивности L t 2	имеет р а з р ы в		(рис. 1 . 8 , 6 ) .
Н а самом		деле д л я реальных	пленок	индуктивность		Ьл2

незначительно превышает собственное начальное значе


ние,	а индуктивность		L t 2	имеет конечное	значение,	мень
шее	начального.
Средние		значения	индуктивных дифференциальных
параметров		(обозначим	их	относительные	величины	соот-

ветственно через 1Л и						/ т ) определяются			при	помощи	вы
ражений			[20]
							1	, Am i ' 2Д„		1-Лк	*Г
	\	2	L7K/		2Дот	1 +	ь М - г	+		1-Лк	*Г
л
										(1.46}
	; T	=	/	i	£ i l \ =	^ _ _ ^ L _ _ )				(1.47)
			\		2 Л т к /	2 -	3 0 д ^ ^ 6 Д т		, 2 Д т	V	1
где	Д,„ — максимальное значение							разброса поля анизотро
пии	НК\		Ьт	— наибольший			угол	отклонения		легкой	оси

локальной области от направления средней легкой оси пленки при использовании в качестве функций плотности вероятности соответственно направления и амплитуды

равномерных законов	распределения.
Можно показать,	что 8 г а ^ о 9 0	и	Д п с ~ Д 9 0 , где	угол
89 0 определяется таким образом,		что	90% пленки	имеет

локальные легкие оси, отклоненные в пределах 89 0 гра

дусов от средней легкой оси, и		величина		Д 9 0 — 90%
пленки имеет значение 77к	в пределах		(Нк	— Д 9 0 ) н -
Уравнения (1.46) и (1.47)	могут	быть	использованы

для оценки конечных значений дифференциальных ин

дуктивных		параметров по экспериментально			определен
ным 89 0	и	Д 9 0 .	Так,	например, для 89 0 = 3°	и Д 9 0 = 0,3
получим	/ л 2 4		, 3 и	/ т х = : 0 , 5 .

Общее решение задачи было проведено при помощи численных методов с использованием Э Ц В М . Н а рис. 1.14 сплошной линией показаны рассчитанные на Э Ц В М тео ретические зависимости / л и / т . Н а этом ж е рисунке д л я сравнения нанесены экспериментально снятые зависимо сти соответствующих дифференциальных индуктивностей после первого цикла перемагничивания. Полученные ре зультаты могут быть использованы для оценки области применимости модели идеальной пленки. Наиболее про стой способ заключается в следующем. Н а и б о л ь ш е е рас хождение в зависимостях дифференциальных индуктив ностей от внешних полей присуще кривой, соответствую

щей кл = 0. Поэтому,		проводя на	г р а ф и к е рис. 1.8, а го
ризонтальную прямую		на уровне	/ л , определенного	из
(1.46) дл я	экспериментальных значений осэо и Ддо, нахо
дим точки	пересечения	этой прямой с зависимостью		от-

0,0	0,8	}t2	ft6	2,0	2,4	2,8 А
			6

Ри с . 1.14

носительной дифференциальной индуктивности, соответ

ствующей	/гл =	0,. откуда определяем значения полей
& т 2 ^ Ат ^	/гц	приближенно	с точностью определения	/ л
неоднородной		пленки (рис.	1.15). З а ш т р и х о в а н н ы й	на

рисунке участок соответствует области полей, где модель однородной пленки неприменима. С уменьшением ago и Ago этот участок будет уменьшаться .

Более строгий подход к исследованию влияния неоднородностей пленок на параметры их комплексной вос-

приимчивости и эквивалентной схемы был осуществлен в работах Е. М. Злочевского [21—22]. В этих работах тео

ретически	получены и экспериментально подтверждены
в ы р а ж е н и я	д л я среднего значения комплексной воспри

имчивости, учитывающие влияние неоднородностей двух,


существенно		различных		масштабов,	присутствующих
в магнитных		пленках. Оба вида неоднородностей имеют
размеры, много меньшие длины волны					электромагнитных
колебаний		диапазона		дециметровых	и сантиметровых
волн.	Поэтому		полученные
значения		восприимчивости
можно	использовать			как
м а к р о п а р а м е т р ы			материа
ла, из	которого		изготовлена t 4

магнитная пленка.

Ксоставлению эквива


лентной	схемы		неоднород
ной пленки		был	применен
несколько	иной подход,			ис
пользующий		не	дифферен
циальные	уравнения, а			вы
р а ж е н и я	для	средней		вос	Р и с . 1.15

приимчивости	неоднородной
пленки. З а д а ч а	учета влияния неоднородностей Т Ф П на

п а р а м е т р ы эквивалентной схемы была решена более строго.

Эквивалентная схема однородной пленки представ ляет собой индуктивно связанный с внешними цепями

резонансный контур,	параметры	которого, так	ж е к а к и
параметры связи (коэффициенты		взаимоиндукции), яв
ляются функциями	величины и	ориентации	внешнего

смещающего поля (или системы полей) . Однако полу ченные в ы р а ж е н и я д л я восприимчивости п о к а з ы в а ю т , что параметры эквивалентной схемы неоднородной плен


ки д о л ж н ы	зависеть, кроме		того,	и	от параметров			неод
нородностей	и	частоты, так	как	значение		Л3 ф, опреде
л я ю щ е е потери		в пленке, является			функцией		расстрой
ки [22]. Ферромагнитная среда является, таким							о б р а з о м ,
дисперсной,	и	л ю б а я эквивалентная			схема	пленки, со
д е р ж а щ а я сосредоточенные			индуктивности, емкости					и со

противления, справедлива только в диапазоне частот, в котором можно пренебречь зависимостью параметров от частоты. Д и а п а з о н этот тем уже, чем более существенно влияние неоднородностей.

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 174 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ