WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1 Однонаправленная анизотропия и шероховатость границы раздела ферромагнетик–антиферромагнетик © В.Д. Левченко, А.И. Морозов, А.С. Сигов Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук, 125047 Москва, Россия Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет), 117454 Москва, Россия E-mail: morosov@eot.mirea.ru (Поступила в Редакцию 18 мая 2001 г.) Исследованы кривые намагничивания ферромагнитной пленки на антиферромагнитной подложке при наличии фрустраций, вызванных шероховатостью границы раздела. Определены условия возникновения однонаправленной анизотропии и найдена зависимость ее величины от степени шероховатости границы пленка–подложка.

Данная рабора поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 00-02-17162 и программой Минобразования РФ ”Университеты России”.

Однонаправленная анизотропия проявляется в сме- Попытка учета неидеальности границы раздела при щении кривой намагничения ферромагнитной пленки, расчете однонаправленной анизотропии была сделана в нанесенной на поверхность антифферомагнетика (на- работе [5]. При этом предполагалось, что антиферромагпример, NiFe/FeMn, NiFe/CoO, Ni/NiO, Fe/FeF2 Fe/Cr).

нетик представляет собой набор невзаимодействующих Исследованию эффекта однонаправленной анизотропии между собой гранул.

посвящено большое число работ (см., например, обМеханизмы возникновения однонаправленной анизозор [1]).

тропии в случае, когда спины атомной плоскости анИзучим вначале случай, когда спины атомной плоскотиферромагнетика, параллельной границе раздела, скомсти антифферомагнетика, параллельной границе раздепенсированы, рассмотрены в работах [2,6]. В модели, ла ферромагнетик–антиферромагнетик, нескомпенсиропредложенной в [2], предполагается, что однонаправленваны. В рамках простой модели, предполагающей граниная анизотропия обусловлена флуктуациями обменного цу раздела идеально гладкой, обменное взаимодействие поля на границе раздела, порождаемыми ее шероховамежду спинами пленки и подложки приводит к появлетостью и приводящими к разбиению приповерхностной нию выделенного направления намагниченности пленобласти антиферромагнетика на микродомены с харакки. Перемагничение пленки во внешнем поле вызывает терным размером порядка ширины доменной стенки.

образование в антиферромагнитной подложке доменной В модели [6] степень шероховатости границы раздела стенки [2,3].

не играет существенной роли, а однонаправленная аниНеобходимость энергетических затрат на образование зотропия возникает вследствие явления, аналогичного стенки приводит к смещению кривой из симметричного спин-флоп переходу в антиферромагнетике, но происхопо полю положения на величину [2,3] дящего в обменном поле, сосредоточенном на границе (Aaf Kaf )1/2S2 раздела.

af BE, (1) Данная работа посвящена изучению процессов наMa магничения и нахождению зависимости величины одногде B — магнитная индукция, Aaf — обменная жесткость направленной анизотропии от степени шероховатости антиферромагнетика, Kaf — его константа анизотропии в фрустрированной системе ферромагнитная пленка– в плоскости, параллельной границе раздела пленка– антиферромагнитная подложка.

подложка, M — намагниченность ферромагнитной пленки, a —ее толщина.

Конечно, реальная граница раздела не является иде1. Описание модели ально гладкой, а содержит атомные ступени, изменяющие толщину подложки на один атомный слой.

При нахождении распределений параметров порядка По разные стороны ступени ориентация спинов верхнев пленке и подложке мы предполагали, что и вектор го атомного слоя антиферромагнетика противоположна.

Поэтому независимо от знака обменного интеграла Jf,af намагниченности, и вектор антиферромагнетизма лежат в плоскости, параллельной границе раздела, и характеримежду спинами пленки и подложки наличие ступеней на границе раздела ведет к фрустрациям. Фазовая диаграм- зуются углом i (i = f, af ), который параметр порядка ма такой фрустрированной системы была изучена нами образует с выделенной осью в этой плоскости. Условие в работе [4] в рамках континуальной модели. минимальности обменной энергии в системе пленка– Однонаправленная анизотропия и шероховатость границы раздела... подложка приводит к уравнениям i = 0 (2) с граничными условиями f а) f - = 0 (3) n на свободной поверхности пленки, где — двумерный лапласиан в плоскости пленки, — производная в n направлении внешней нормали к слою;

i Jf,af Si+ б) i - = ± sin(i - i+1) (4) n JiSi на границе пленка–подложка, где Ji — интеграл обмена между спинами, а Si — среднее значение спина в i-м слое:

в) af = 0 в глубине подложки, вдали от границы раздела. Все расстояния обезразмерены на постоянную решетки b, которую мы считаем практически одинаковой в обоих веществах.

Рис. 1. Распределение параметров порядка в вихревой фазе (a) Решение системы (2) с граничными условиями (3), и в доменной стенке (b). Границе раздела пленка–подложка (4), дающее распределение параметров порядка в исслесоответствует ордината, равная нулю. Все расстояния даны в дуемой структуре, находилось численными методами для постоянных решетки. Соотношение между типом штриховки и случая периодически расположенных параллельных друг величиной i, выраженной в радианах, показано на вставке.

другу прямолинейных ступеней. Ось x системы координат лежала в плоскости слоев и была перпендикулярна краям ступеней, а ось z — перпендикулярна плоскости слоев (двухмерный случай). Искомые функции i(x, z) где находились в области |x| < L с периодическими граничJf,af S f =, (8) ными условиями путем разложения в ряд Фурье по пеJaf Saf ременной x. В результате моделирования была получена фазовая диаграмма ”толщина пленки–шероховатость”. вокруг края ступени значение f - af на границе раздела не соотвествует своему оптимальному значению (0 — по одну сторону ступени и — по другую), 2. Фазовая диаграмма минимизирующему поверхностную энергию. На всей af остальной части плоскости раздела шириной R 0, Атомные ступени разбивают всю поверхность раздела углы f - af равны оптимальным значениям. Если знапленка–подложка на области двух типов. В областях чение af на границе отлично от нуля, то на характерном первого типа граничная энергия минимальна, если феррасстоянии R в глубь подложки происходит постепенное ромагнитный и антиферромагнитный параметры порядка изменение af от граничного значения до нулевого.

параллельны, а в областях второго типа — если антипаЕсли характерное расстояние между ступенями больраллельны.

ше критического (R > Rc), то пленка разбивается Если характерное расстояние R между ступенями на границе раздела меньше некоторого критического значе- на микродомены, границы которых совпадают с краями атомных ступеней. Направление намагниченностей ния Rc = f a, (5) в соседних доменах противоположно и соответствует минимальной граничной энергии. Важно отметить, что где ширина доменной стенки f в случае a 10-Jf Sf = 1, (6) существенно меньше ширины обычной доменной стенJaf Saf ки, поскольку величина f определяется конкуренцией то пленка остается в монодоменном состоянии, а вбли- обменных взаимодействий, а не энергий обмена и анизози границы раздела в подложке возникают статические тропии.

спиновые вихри (рис. 1, a).

Как видно из рис. 1, b, доменная стенка имеет сложВихрь характеризуется двумя пространственными масную структуру: наряду с разворотом намагниченности в штабами. В области шириной порядка пленке существуют вихревые искажения антиферромагнитного параметра порядка с характерным размером f.

(1 + )b af 0 b, (7) Как и в случае R < Rc, значение f -af на границе 9 Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 130 В.Д. Левченко, А.И. Морозов, А.С. Сигов раздела отличается от своего оптимального значения в af области шириной 0 вблизи края ступени.

Рассмотрим процесс перемагничения в каждой из фаз.

3. Монодоменная фаза Пусть намагниченность пленки образует угол с вектором антиферромагнитного параметра порядка в глубине подложки. Тогда в областях первого типа вдали от краев ступеней на границе раздела af =, и происходит вращение антиферромагнитного параметра порядка от поверхности в глубь подложки на угол -.

В областях второго типа af на границе равно -, и вращение происходит на угол -.

Аналогично модели ”магнитной близости” Слончевского [7] можно записать энергию взаимодействия пленка–подложка в виде W1 = C12 + C2( - )2 /2, (9) где Jaf S2 j af C Cj, (10) j Rb j — площадь, занимаемая областями j-го типа, j = 1, 2.

При оценке величин C в формуле (13) работы [4] Рис. 2. Вид кривой намагничения в монодоменной фазе.

j допущена неточность. Дело в том, что область, близкая Магнитное поле приложено перпендикулярно (a) и параллельно (b) спонтанной намагниченности пленки.

к краю ступеней, вносит вклад в энергию вихря, который R содержит большой параметр ln, но этот логарифaf мический вклад не зависит от величины.

намагничения имеет симметричный вид (рис. 2, a), а хаЕсли 1 = 2, то минимуму энергии в отсутствие рактерное поле, в котором происходит разворот вектора внешнего поля отвечает значение = [4]. Подобный намагниченности, соответствует значению вывод был сделан в работе [6] для случая компенсированной поверхности антиферромагнетика. В присутствии Jaf Saf внешнего поля с индукцией B0, направленного парал- B. (14) MaRb лельно пленке под углом к выделенной оси, суммарная энергия системы пленка–подложка в расчете на единицу Легко видеть, что величина B существенно зависит от площади пленки принимает вид параметра R, характеризующего степень шероховатости границы раздела.

C ( - )2 В области полей B0 B величина B-1 вплоть w = + - B0aM cos( - ). (11) 2 2 до значения Bs f, при котором происходит спин-флоп переход в антиферромагнитной подложке. Дальнейшее Значение, отвечающее минимуму энергии, а также зависит от знака Jf,af. При ферромагнитном обмене величины M = M cos( - ) и M = M sin( - ) легко между спинами пленки и подложки скачком становится находятся из уравнения равным нулю или (в зависимости от знака B0), намагниченность пленки достигает максимальной величины, = = sin( - ), (12) а намагниченность системы растет за счет намагниченности подложки. При противоположном знаке обмена возникает конкуренция между обменным взаимодействигде безразмерный параметр равен ем, ориентирующим векторы намагниченности пленки B0Ma B0MaRb и подложки антипараллельно, и действием магнитного =. (13) C Jaf S2 поля, которое стремится сориентировать их параллельно af направлению поля. С этим эффектом может быть связан Если приложить магнитное поле перпендикулярно положительный сдвиг кривой намагничения в пленках спонтанной намагниченности пленки ( = 0), то кривая FeF2/Fe, охлажденных в сильных магнитных полях [1].

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Однонаправленная анизотропия и шероховатость границы раздела... При дальнейшем рассмотрении ограничимся областью место кроссовер между этими двумя зависимостями.

полей B0 < Bs f и будем пренебрегать намагниченностью При этом спиновый вихрь перемещается из подложки в подложки.

пленку. Обнаруженная в [11] зависимость поверхностной Если же внешнее магнитное поле параллельно спон- энергии M1/2 длядвухслойнойсистемыCo–Ni/FeMn танной намагниченности =, то при -1 велиможет быть объяснена тем, что данному образцу соот чина = и M = M. При <-1, || -1 1 имеет ветствует значение 1.

1/ место корневая особенность: - = 6(|| -1).

Величина M обращается в нуль при = -, так что кривая намагничения смещена в область отрицательных 4. Полидоменная фаза полей (рис. 2, b). Значение поля однонаправленной анизотропии равно В этой фазе в отсутствие внешнего магнитного поC ля искажения в подложке захватывают только область BE = B. (15) 2Ma доменной стенки шириной порядка f, расположенную Как и в случае = 0, при || 1, < 0 значение M вблизи края ступени (рис. 1, b). Пусть во внешнем поле намагниченность в домене отклоняется от первостремится к насыщению, т. е. к значению -M, как |B0|-1.

начального направления на некоторый угол, вектор Вид кривых намагничения, изобарженных на рис. 2, b, антиферромагнитизма на поверхности подложки отклокачественно согласуется с видом экспериментальных няется вслед за ней, и в подложке возникает статический петель гистерезиса в бислоях CoO/Co [8], первихрь, в котором антиферромагнитный параметр порядка маллой/FeMn [9,10] и CoNi/FeMn [11], а зависиразворачивается на угол. Связанная с этим энергия в мость BE R-1, следующая из (15), объясняет нарасчете на единицу площади пленки с логарифмической блюдавшуюся в [12] обратно пропорциональную завиточностью равна симость BE от размера кристаллитов CoO в системе пермаллой/CoO.

В перемагниченном состоянии разворот антиферроJaf S2 || R af w1 = ln, (16) магнитного параметра порядка в областях одного типа 2Rb f происходит на угол, а в областях другого типа — на.

2 Такое состояние является метастабильным. Для перехода где R f.

к основному состоянию в областях с углом разворота Энергия доменных стенок на единицу площади с антиферромагнитный параметр порядка должен проверучетом их концентрации R-1 равна нуться на один оборот (от и -3 ). Но для этого долж2 но произойти виртуальное разрушение порядка на поверхности, которую по аналогии со сверхпроводниками Jf S2a Jaf S2 f f af w2 + ln, (17) af можно назвать плоскостью проскальзывания фазы, т. е.

2f Rb 2 bR система должна квантовым или классическим образом преодолеть потенциальный барьер.

где — угол разворота намагниченности в доменной Разность энергий метастабильного и стабильного состенке.

стояний в насыщении превосходит энергию образования Во внешнем поле направления векторов намагничендоменной стенки, поэтому в антиферромагнетике можности в соседних доменах сближаются, и значение но возникнуть доменная стенка, параллельная границе стремится к нулю (тип 1), либо к 2 (тип 2) в зависимораздела, что приведет к развороту на угол вектора ансти от первоначального направления вращения вектора тиферромагнитного параметра порядка вблизи границы намагниченности в доменной стенке (рис. 3).

раздела и к уменьшению энергий вихрей.

Все предыдущее рассмотрение было проведено для При изменении направления поля на противоположслучая 1. Если же 1, антиферромагнитный ное в доменных стенках первого типа угол разворота параметр порядка в подложке остается практически одстремится к 2, а в доменнаых стенках второго типа — нородным, а наличие фрустраций приводит к искажениям к нулю.

параметра порядка в ферромагнитной пленке [13]. При Вообще говоря, вид кривой намагничения зависит от этом монодоменное состояние возникает при a R, доменных стенок каждого типа.

Pages:     || 2 |



© 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.