30. Магнитных свойств тонких ферритовых пленок. Доменная структура.

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене нескомпенсированные спиновые (спонтанной) намагниченности, кото­рая происходит при температурах ниже некоторой так называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк = 768°С, никеля Тк = 358°С, кобальта T=1131 С. Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. До­мены имеют размеры около 0,001 — 10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В домен­ных границах происходит постепенное изменение направления век­тора намагниченности от одного домена к направлению вектора на­магниченности в соседнем домене.

Ферримагнетики, обладающие полупроводниковыми свойствами, называются ферритами.

Ферриты обладают высокой магнитной проницаемостью, малой ко­эрцитивной силой, большим значением индукции насыщения, но важ­нейшая их особенность состоит в том, что они обладают большим элек­трическим сопротивлением (р ~ 10³Ом•см). Это обстоятельство позво­ляет применять ферриты в области высоких частот, где обычные фер­ромагнетики обладают большими потерями, связанными с образовани­ем вихревых токов.

Для создания функциональных устройств наиболее перспективны ферриты в виде пленок. Специфика магнитных свойств тонких пленок определяется тем, что их линейные размеры в плоскости пленки значи­тельно превышают толщину. При определенной толщине пленка стано­вится однодоменной по толщине. В этом случае основным процессом перемагничивания будет однородное вращение, когда магнитные мо­менты одновременно поворачиваются по магнитному полю. Длитель-

2.14. Различные виды магнитного упорядочения. а — ферромагнетик; б— антиферромагнегик; в — ферримагнетик

ность этого процесса очень мала ~ 10^-9 с, что обеспечивает создание бы­стродействующих магнитных устройств. Магнитные пленки характеризуются также ярко выраженной маг­нитной анизотропией, которая определяется наличием в магнитной пленке двух осей намагничивания: ось легкого намагничивания, вдоль которой стремится установиться вектор намагничивания пленки, и ось трудного намагничивания, направленная перпендикулярно первой оси. Соответственно при перемагничивании по оси легкого намагничивания необходимо затратить существенно меньшую энергию, чем при пере­магничивании по оси трудного намагничивания. Энергия W_A, которую необходимо затратить, чтобы отклонить вектор намагниченности в плоскости пленки на угол θ от оси легкого намагничивания, определя­ется выражением W_A = Asin²Q, где А — константа анизотропии. При ма­лой толщине пленок направление легкого намагничивания обычно рас­положено в плоскости пленок, и образуются так называемые плоские домены, условно изображенные на рис. 2.15, а; ширина доменов из­меняется от долей до единиц микрон.

У некоторых ферритов наблюдается только одна ось легкого на­магничивания. Если поверхность монокристаллической пленки из тако­го материала перпендикулярна оси легкого намагничивания, то образуются домены другого вида — лабиринтного (см. рис. 2.15, б) с направ­лением спонтанной намагниченности, перпендикулярным поверхности пленки. Магнитное поле, нормальное к пленке, изменяет доменную структуру. Вначале уменьшается площадь доменов с вектором намагни­ченности, противоположным приложенному полю (см. рис. 2.15, в), и при некоторой величине поля они превращаются в цилиндры (см. рис. 2.15, г). Образуются устойчивые цилиндрические магнитные доме­ны (ЦМД) или «магнитные пузырьки». При дальнейшем росте внешнего магнитного поля диаметр ЦМД уменьшается, и, наконец, цилиндриче­ские домены исчезают и вся пленка намагничивается однородно.

Если в плоскости пленки создать неоднородное магнитное поле, то ЦМД будут перемещаться под его действием. Цилиндрические магнит­ные домены, существующие в определенных магнитных полях и управ­ляемые внешним полем, представляют особый интерес для создания логических и запоминающих функциональных устройств.

Все рассмотренные выше материалы, способные намагничиваться в магнитном поле, так называемые магнетики, можно разделить на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые.

К первым относятся магнитные материалы с малой коэрцитивной силой (H_с < 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. Они дос­тигают насыщения в слабых магнитных полях, имеют узкую петлю гис­терезиса и, следовательно, малые потери на перемагничивание.

К магнитотвердым материалам относятся материалы с большой ко­эрцитивной силой (H_с > 4 кА/м). Предельные значения величин коэрци­тивной силы для материалов первой группы составляют менее 1 А/м, а для материалов второй группы, магнитотвердых, коэрцитивная сила может превышать 500 кА/м.

В качестве магнитомягких материалов наиболее широко использу­ются никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, которые кри­сталлизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые рас­творы замещения NiO-Fe₂O₃-ZnO-Fe₂O₃ и MnO-Fe₂O₃-ZnO-Fe₂O₃. Ха­рактеристики некоторых марок ферритов представлены в табл. 2.2.