6.6. Тонкие магнитные пленки

Магнитные пленки представляют собой слои магнитного вещества толщиной 0,1 – 1 мкм, нанесенные на немагнитную подложку (стекло, ситалл, кварцевые пластины, немагнитные металлы) методами вакуумного термического испарения, катодного или ионноплазменного распыления. В качестве магнитного материала пленок применяются сплавы Fe-Ni, Fe-Ni-Co, Mn-Bi и др.

Если нанесение пленки на подложку производится в постоянном магнитном поле, действующем в плоскости пленки, то пленка приобретает одноосную магнитную анизотропию с осью легкого намагничивания, направленной вдоль поля. Пленка с одноосной магнитной анизотропией, намагниченная вдоль оси легкого намагничивания, имеет прямоугольную петлю гистерезиса с двумя устойчивыми состояниями +B_r и - B_r при B_r/B_s = 0,9. При намагничивании пленки вдоль оси трудного намагничивания гистерезис не имеет места.

Интерес к магнитным пленкам обусловлен тем, ято на их основе могут быть разработаны запоминающие устройства (ЗУ) для ЭВМ, обладающие рядом преимуществ перед ЗУ на ферритовых сердечниках.

К таким преимуществам, в частности, относятся следующие: перемагничивание пленок требует гораздо меньшей энерги, чем перемагничивание сердечников; трудоемкая операция «называния» отдельных сердечников заменяется напылением одновременно большего числа ячеек со всеми необходимыми шинами и соединениями; использование когерентного вращения вектора намагниченности в одновременных по толщине пленках позволяет заметно увеличить быстродействие ЗУ.

Магнитные пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) представляют собой монокристаллическую магнитную пленку толщиной 0,1 – 10 мкм, нанесенную на подложку из немагнитного материала монокристаллической структуры. Если плоскость пленки перпендикулярна оси легкого намагничивания, то в отсутствии внешнего магнитного поля в пленке возникает лабиринтная доменная структура, в которой домены (темные и светлые на рис 6.19, в) имеют противоположную направленность намагниченности J_s (рис. 6.19, а).

Внешнее магнитное поле, перпендикулярное плоскости пленки, изменяет геометрию доменной структуры. При включении внешнего магнитного поля Н_а определенной величины, магнитные домены, в которых намагниченность J_s совпадает с направлением внешнего поля Н_а, будут увеличиваться, а с противоположной уменьшаться. По мере увеличения напряженности поля сначала происходит разрыв лабиринтной структуры, а затем образуются цилиндрические магнитные домены (ЦМД), или «магнитные пузырьки» (рис. 6.19, б).

а)	б)	в)

Рис. 6.19. Схема возникновения ЦМД в монокристаллических пленках: а – поперечный разрез пленки (1 – магнитная пленка; 2 – монокристаллическая немагнитная подложка J_s – направление намагниченности доменов); б – цилиндрические магнитные домены, возникающие под действием внешнего магнитного поля Н_а; в –лабиринтная структура пленки.

При дальнейшем увеличении Н_а размер ЦМД будет уменьшаться, а при некотором критическом значении напряженности внешнего поля цилиндрические домены исчезают и вся пленка становится однородно намагниченной. Если в плоскости пленки создать неоднородное магнитное поле, то можно перемещать ЦМД под действием этого поля. В настоящее время разработаны способы, позволяющие генерировать и уничтожать домены, управлять их перемещением, фиксировать их наличие или отсутствие в заданной точке. Это отвечает соответственно записи, передаче, хранению и стиранию информации. Для направленного перемещения ЦМД можно использовать:

последовательность токовых импульсов, подаваемых в систему проводников;

внешние вращающиеся магнитные поля, которые перемещают ЦМД по пермаллоевым пленкам (аппликациям);

взаимодействие пульсирующего ЦМД с пермаллоевыми пленочными структурами;

пермаллоевые аппликации и синусоидальный ток.

Считывание информации осуществляется с помощью датчиков Холла, магниторезисторов или оптических датчиков. Принцип действия последних основан на поляризации света, проходящего через датчик.

Впервые цилиндрические магнитные домены были обнаружены в монокристаллах ортоферрита с химической формулой MeFeO₃, где Ме – трехвалентный ион иттрия или редкоземельного элемента. Диаметр ЦМД, полученный в эпитаксиальных пленках ортоферритов, составляет около 10 мкм, что ограничивает применении их в запоминающих устройствах из-за больших размеров доменов. Меньшние размеры доменов (1-5 мкм) получены в монокристаллах феррита-граната состава Me₃Fe₅O₁₂, где Ме – элемент Y или редкоземельые металлы Sm, Eu, Ho, Er. Методом эпитаксиального выращивания пленок из жидкой фазы получают пленки площадью до 40 см² с коэрцитивной силой Н_с около 24 А/м и размером ЦМД 1мкм. В качестве подложки при этом применяют немагнитный монокристалл гадолиний-галлиевого граната (Gd₃Ga₅O₁₂).

Для изготовления монокристаллических пленок с ЦМД применяют также гексаферриты BaFe₁₂O₁₉ и феррошпинели Mg_хMn_1-xFe₂O₃.

При диаметре доменов около 5 мкм при изготовлении пермаллоевых структур (аппликаций) для управления и регистрации ЦМД используются методы фотолитографии. При этом в запоминающих устройствах плотность записи информации составляет примерно 10⁵ – 10⁶ бит/см². При использовании материалов с размером доменов около 1 мкм плотность записи доходит до 10⁷ бит/см². Но при этом необходимо применять методы электронно-лучевой литографии для получения необходимых размеров элементов схем.

В аморфных магнитных пленках на основе сплавов переходных металлов с редкоземельными элементами (сплавы типа GdCo, GdFe) получены ЦМД с диаметром доменов меньше 1 мкм, что позволяет получить плотность записи информации до 10⁹ бит/см².