WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 5 Исследование магнитных полей рассеяния малых линейных размеров магнитооптическими методами © Д.Е. Балабанов, С.А. Никитов, Московский физико-технический институт, 141700 Долгопрудный, Московская обл., Россия Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, 103907 Москва, Россия (Поступила в Редакцию 22 июля 1999 г.) Исследованы доменные структуры с плоскостной намагниченностью в магнитожестких пленках. Создана магнитооптическая установка для исследования магнитных полей рассеяния, сочетающая достоинства вибрационного магнитометра и магнитооптического способа регистрации сигнала. При этом чувствительность при измерении нормальной компоненты поля рассеяния составила 0.1 Oe. Установлены критерии выбора оптимальных параметров для магнитооптической среды считывания информации.

Выражаем благодарность РФФИ (грант № 99-02-17660) и Миннауки РФ (грант № 2.9.99, ”Поверхностные атомные структуры”) за частичное финансирование работы.

Измерение малых магнитных полей рассеяния являет- В предлагаемой работе описывается невизуальный ся весьма актуальной задачей в связи с необходимостью магнитооптический способ регистрации слабых магнитисследования доменной структуры (ДС) магнитных пле- ных полей, а также сформулированы принципы выбора нок, в которых вектор намагниченности лежит в плос- оптимальных параметров ЭФГП для использования в кости пленки. Основная проблема в исследовании таких качестве регистрирующей среды. Основной особеннообъектов заключается в невозможности использования стью предлагаемого метода измерений является сочетастандартных магнитооптических методов наблюдения ние вибрационного магнитометра с магнитооптическим ДС [1]. Это связано с тем, что в случае намагничиваспособом регистрации полезного сигнала.

ния в плоскости пленки значительно уменьшаются по величине как эффект Фарадея, так и полярный эффект 1. Эксперимент Керра, наличие которых является необходимым для наблюдения ДС [1]. Другие методы либо носят качественУстановка для исследования неоднородных магнитных ный характер (например, метод магнитной жидкости), полей создана на базе поляризационного микроскопа, либо являются очень сложными (например, электроннопричем в качестве осветителя применен лазер с длиной оптический) и непригодными для экспресс-анализа [2].

волны = 0.63 µm (рис. 1). Принцип измерения Одним из способов решения данной проблемы является заключается в следующем: луч лазера фокусируется использование промежуточной среды считывания [1,2], на висмутсодержащую ЭФГП, которая является средой которая обладает высокими магнитооптическими хараксчитывания, причем на обратную сторону пленки напытеристиками, с одной стороны, и является магнитостален светоотражающий слой алюминия толщиной 0.1 µm.

тически связанной с исследуемым объектом, с другой Под пленку ЭФГП помещается образец–среда записи стороны.

Наиболее перспективной средой для регистрации пространственнонеоднородных магнитных полей с характерным размером единиц микронов и более являются эпитаксиальные пленки висмутсодержащих ферритов-гранатов (ЭФГП) [1]. Кроме того, эти пленки являются наиболее пригодными в качестве магнитооптических головок считывания информации. Такие головки применяются в случаях, когда магнитооптические характеристики носителя информации не позволяют производить считывание непосредственно с самого носителя (например, из-за малой величины вращения Керра).

Известен способ визуализации и топографирования магнитных полей по конфигурациям доменных структур Bi-содержащих ЭФГП [2]. Однако этот способ имеет Рис. 1. Блок-схема измерительной установки. 1 — лазер, ограничения по величине исследуемого магнитного поля 2 — ЭФГП, 3 —образец, 4 — устройство смещения образи обладает существенной погрешностью в случае, когда ца, 5 — поляризатор, 6 — фотодетектор, 7 — усилитель, характерный пространственный размер измеряемого по8 — осциллограф, 9 — генератор, 10 — двухкоординатный ля сравним с периодом ДС регистрирующей среды.

стол.

Исследование магнитных полей рассеяния малых линейных размеров магнитооптическими методами оптическая система (рис. 2), суть работы которой заключается в следующем: к штоку вибратора крепится непрозрачная шторка, которая частично перекрывает поверхность фотодиода (1) при освещении последнего плоскопараллельным пучком света от осветителя (2).

Амплитуда фотоэдс пропорциональна амплитуде колебаний штока при условии, что амплитуда колебаний штока Рис. 2. Схема измерения амплитуды колебаний образца.

много меньше размера светочувствительной поверхно1 — устройство перемещения, 2 —шток, 3 — непрозрачная сти фотоприемника.

шторка, 4 —осветитель, 5 — фотоприемник, 6 —образец, На рис. 3 представлены результаты эксперименталь7 — держатель образца, 8 — ЭФГП.

ных исследований нормальной компоненты поля рассеяния от координаты для доменной структуры, вектор намагниченности которой лежит в плоскости пленки.

Исследуемый образец представляет собой стандартную магнитную ленту для звуковой записи, при этом на нее был записан тестовый сигнал частотой 500 Hz. В качестве регистрирующей среды использована ЭФГП состава (BiSmTm)3 (FeGa)5O12 с параметрами: толщина h = 6 µm размер домена P = 100 µm, поле насыщения Hs = 6Oe.

2. Расчет оптимальных параметров регистрирующей среды Важнейшими параметрами системы измерения слабых магнитных полей являются чувствительность и проРис. 3. Зависимость нормальной компоненты поля рассеяния странственная разрешенность. Чувствительность данноот координаты.

го метода определяется, прежде всего, магнитными параметрами регистрирующей ЭФГП (поле насыщения, коэрцитивная сила, фарадеевское вращение), а также чувствительностью системы регистрации магнитооптис ДС, магнитные поля рассеяния которой и надлежит измерить. Исследуемый образец механически приводит- ческого сигнала.

ся в движение параллельно ЭФГП. В результате че- Определим параметры материала, которые обеспечат максимальную чувствительность системы при прочих го ДС ЭФГП находится под воздействием переменных равных условиях. Это можно сделать из условия максиполей рассеяния исследуемого образца, что приводит к мума амплитуды магнитооптического сигнала при возпоявлению фарадеевского вращения при отражении луча действии внешнего магнитного поля H. Для амплитуды лазера от диэлектрического слоя. Регистрирующая симагнитооптического сигнала можно записать стема измеряет зависимость амплитуды магнитооптического сигнала, пропорциональной величине нормальной S = k0hW/Pn, (1) компоненты поля рассеяния образца в области пятна где 0 — удельная величина вращения Фарадея, h —толлазера, от координаты образца.

щина пленки, P —периодДС, W — изменения размера Для определения величины нормальной компоненты поля рассеяния используем метод сравнения, который применяется для измерения абсолютной величины намагниченности насыщения в вибрационных магнитометрах. Для этого располагаем калиброванную катушку так, чтобы пленка ЭФГП находилась в известном переменном магнитном поле такой же частоты, что и частоты колебаний вибратора. Сравнивая амплитуду магнитооптического сигнала от ДС вибрирующего образца с амплитудой магнитооптического сигнала, возникающего при воздействии магнитного поля от калиброванной катушки, можно определить амплитуду нормальной компоненты поля рассеяния от ДС исследуемого образца.

В качестве регистрирующей системы применен фотодиод ФД-7 с усилителeм–преобразователем УПИ-2. Для Рис. 4. Схематическое изображение домена при освещении измерения амплитуды колебаний образца используется лазера.

Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. 864 Д.Е. Балабанов, С.А. Никитов Рис. 5. Номограмма для определения оптимальных параметров одноосных материалов для магнитооптического считывания информации.

домена под действием внешнего магнитного поля H, Q = Ku/2Ms — фактор качества материала, Ku — n — количество доменных стенок в области пятна лазер- константа одноосной анизотропии.

ного излучения диаметром L (рис. 4) (L — характерный размер бита информации), M — намагниченность маdM/dH|H=0 = 4 1 + P/(h) териала, Ms — намагниченность насыщения материала, k — коэффициент, характеризующий чувствительность -системы считывания. Кроме того, можно записать (-1)n(1 - exp(-2h/P))/n. (5) W/P = M/Ms. (2) n Для величины магнитооптической восприимчивости mВ диапазоне 1 < P/h < 5 выражение (5) аппроксимируможно записать ется формулой m0 = dS/dH|H=0. (3) dM/dH|H=0 = 0.053 + 0.047P/h. (6) Очевидно, что m0 должна быть максимальна. Подставляя в формулу (1) выражения (2) и (3), получаем Кроме того, в том же диапазоне отношения P/h имеет m0 = k0h/Ms(dM/dH|H=0)(2L/P - 1). (4) место соотношение [4] Выражение dM/dH|H=0 можно найти из теории полосовой ДС [4] при условии M/Ms 1 и Q 1, где 1/h = -0.05 + 0.083P/h. (7) Физика твердого тела, 2000, том 42, вып. Исследование магнитных полей рассеяния малых линейных размеров магнитооптическими методами Для одноосных магнитных материалов имеют место Следует отметить, что толщина пленки h ограничена соотношения [3] величиной оптического поглощения материала. В случае использования лазера с длиной волны = 0.63 µm максимально возможная толщина ЭФГП h = 10 µm. Это Ms =(2QA/)1/2/l; l = 4(AKu)1/2/(4Ms ), означает, что если характерный размер исследуемого магнитного поля L h/0.346 = 26 µm, то наиболее где A — обменная константа; для ЭФГП она лежит в оптимальные параметры ЭФГП могут быть найдены из диапазоне 2 · 10-7-4 · 10-7 erg/cm3.

условия: m0/P = 0, при h = 10 µm, и P = L. Кроме Подставляя выражения (6) и (7) в выражение (4), потого, следует помнить, что величина коэрцитивной силы лучаем уравнение магнитооптической восприимчивости Hc 1/h и достигает 4 Oe при 1/h 1-2Oe [5].

в следующем виде:

Таким образом, при исследовании слабых магнитных полей с характерным периодом более 50 µm примене = k0h(-0.05h + 0.083P) ние ЭФГП ограничено вследствие роста коэрцитивной силы. Выходом из создавшейся ситуации может быть (0.053 + 0.047P/h)(2L/P - 1)(2QA/)-1/2.

увеличение толщины ЭФГП до оптимальной с соответНеобходимо определить, при каких значениях P и h m0 ствующим переходом в инфракрасную область спектра, где существенно уменьшается коэффициент оптического максимальна, т. е. решить систему уравнений поглощения (например, можно использовать лазер с длиной волны = 0.8 µm). Если же необходимо раm0/P = 0 2m0/P2 = ботать в видимой области спектра, то следует перейти к m0/h = 0, 2m0/h2 = 0.

использованию в качестве регистрирующей среды других магнитооптических материалов (например, ортоферриЭто условие имеет место при выполнении следующих тов).

соотношений: P/h = 2.585, P = L, l/h = 0.165.

Таким образом, созданная установка для измерения Эти соотношения определяют оптимальные параме- амплитуды нормальной компоненты поля рассеяния с тры материала для измерения слабых магнитных полей использованием промежуточной регистрирующей срес характерным размером L магнитооптическим мето- ды, в качестве которой применяются висмутсодержадом. Таким образом, если необходимо магнитооптиче- щие пленки ферритов-гранатов, позволяет определять ским методом считывать информацию с характерным параметры доменной структуры магнитных материаразмером бита записи L, то оптимальными параме- лов с плоскостным расположением вектора намагнитрами материала–среды считывания будут следующие. ченности. Проведенный теоретический анализ позво1) Bi-содержащая ЭФГП с максимально возможным ляет определить оптимальные параметры материала– содержанием ионов Bi. 2) Период ДС равен размеру регистрирующей среды при магнитооптическом считыбита информации P = L. 3) Диаметр пятна лазера вании информации в зависимости от размера бита (плотравен размеру бита информации. 5) Характеристическая ности записи).

длина материала l = 0.0637L. 6) Толщина пленки h = 0.387L или h = 6.07l. 7) 4Ms = 157(QA)0.5/L.

Список литературы 8) Ku = 1017Q2A/L2.

Кроме того, следует заметить, что m0 (QA)-1, [1] А.К. Звездин, В.А. Котов. Магнитооптика тонких пленок.

следовательно, Q должен быть минимален. Для удобства Наука (1988). 190 с.

определения необходимых параметров пленки на рис. [2] В.В. Рандошкин, А.Я. Червоненкис. Прикладная магнитоопприведена номограмма, которая позволяет определить тика. Энергоатомиздат, М. (1990). 318 с.

[3] А. Эшенфельдер А. Физика и техника цилиндрических оптимальные магнитные параметры ЭФГП. Принципы магнитных доменов. Мир, М. (1983). С. 496.

работы с подобными номограммами подробно описаны [4] C. Kooy, U. Enz. Phil. Res. Rept. 15, 1, 7 (1960).

в [3,4]. Последовательность определения параметров [5] Р.А. Айнетдинов, Д.Е. Балабанов, В.А. Котов, В.Г. Редьсостоит в следующем. Предположим, что характерный ко. Тезисы Всесоюзной школы-семинара ”Доменные и размер бита считываемой информации L. 1) Задаем магнитооптические запоминающие устройства”. Кобулети величину фактора качества материала Q. (Обычно Q (1987). С. 139.

лежит в диапазоне 1.5–10). 2) Выбираем величину обменной константы A, которая лежит в диапазоне 2 · 10-7-4 · 10-7 erg/cm3. 3) Отмечаем на диаграмме значение L, находим соответствующие ему значения толщины пленки h, размера домена P и характеристической длины материала l. 4) Зная Q и A, проводим горизонтальную линию до пересечения с прямой на номограмме. 5) Далее находим значения величин 4Ms и Ku, соответствующие этой точке (как показано на рис. 5).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.