CC BY
35
УДК 538.221
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОИ АНИЗОТРОПИИ ТИПА «ЛЕГКАЯ ПЛОСКОСТЬ» И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ ФЕРРИТ-ГРАНАТОВ С ОРИЕНТАЦИЕЙ (100)
E.H. Ильичева!, Ю.А. Дурасова, Е.И. Ильяшенко, A.B. Матюнин,
В. В. Рандошкин
(.кафедра общей физики) E-mail: randoshkin_v_v@hotbox.ru
Исследованы моножристалличесжие пленжи (ВиЬи)з (Ре,0а)5012 и (ВиТт)з (Те,Оа)5 О {■> с анизотропией типа «легжая плосжость», выращенные методом жиджофазной эпитажсии из переохлажденного раствора-расплава на подложжах 0<1з0а5 012 с ориентацией (100). Обнаружено наличие двухосной магнитной анизотропии в плосжости пленжи с осями, совпадающими с жристаллографичесжими направлениями [110] и [100]. Определены углы отжлонения «легжой плосжости» от плосжости пленжи.
В настоящее время открываются интересные возможности применения ВЬеодержащих монокристаллических пленок ферритов-гранатов (Вс-МПФГ) с анизотропией типа «легкая плоскость». Удачное сочетание гигантского фарадеевского вращения и относительно малой намагниченности насыщения (4-7ГМ8 ~ 200 Гс) в таких пленках позволяет с их помощью решать целый ряд практических задач интегральной оптики, использовать их для визуализации полей рассеяния магнитных носителей информации и сверхпроводников, диагностики дефектов в металлических средах [1-3].
Вс-МПФГ составов (В1,Ьи)3 (Ре,0а)5012 и (В1,Тгп)з(Ре,0а)5 012 были выращены методом жидкофазной эпитаксии из переохлажденного раствора-расплава на подложках ОёзОабО^ с ориентацией (100). В процессе эпитаксиального роста в пленке формируется индуцированная ростовая магнитная анизотропия, причем константа одноосной анизотропии Ки отрицательна. В этом случае вектор намагниченности М3 имеет планарную ориентацию и изотропное распределение в плоскости пленки. Под воздействием поля Н>. перпендикулярного плоскости пленки, угол ¡3 между М3 и полем Нг меняется по закону
где Яд = 2ки/м8 — поле одноосной магнитной анизотропии. Угол поворота плоскости поляризации Ф линейно растет с увеличением значения Нг вплоть до значения Ф = Фх при Нг = Нк ■ В ранее выполненной работе [4] было установлено, что исследуемые пленки действительно имеют достаточно протяженный линейный участок на кривой Ф(Нг).
Для решения многих вопросов практического применения исследуемых пленок, а также понимания особенностей динамического поведения намагниченности в них необходимо более подробное изучение магнитной анизотропии в плоскости пленки и ее влияния на ориентацию векторов намагниченности, влияния плоскостных магнитных полей Нх и Ну на чувствительность пленки к воздействию внешнего поля Нг.
Исследованию этих проблем и посвящена настоящая работа.
Эксперимент
Методика исследования основана на магнитооптическом эффекте Фарадея. Комплекс измерительной аппаратуры позволял проводить наблюдение доменной структуры, регистрировать петли гистерезиса на экране осциллографа и снимать кривую намагничивания мг(нг).
Процессы квазистатического намагничивания и перемагничивания были исследованы на магнитооптической установке, состоящей из Не-№ лазера, электромеханического модулятора света, анализатора и поляризатора, намагничивающих устройств, которые создают однородные в объеме образца магнитные поля Нг. нх я Ну, я фотодетектора [5]. Образец мог вращаться в плоскости, перпендикулярной полю Нг. Азимутальный угол поворота <р отечитывалея по лимбу, жестко связанному с пере-магничивающим устройством. Начало отсчета совпадало с одним из направлений осей [110]. При снятии кривых намагничивания мг(Нг) в больших полях (до 4.5 кЭ) использовался электромагнит с продольным каналом для прохождения лазерного луча. Для создания относительно слабых полей (до 200 Э) применяли две ортогональные пары
катушек Гельмгольца, создающие нормальное Н2 и планарное Нх магнитные поля. Пленка вместе с перемагничивающим устройством могла вращаться вокруг вертикальной оси; при этом нормаль к пленке, оставаясь в горизонтальной плоскости, образовывала угол ф с волновым вектором к. Угол поворота анализатора отсчитывался с точностью до 0.1°, а степень гашения света парой анализатор-поляризатор составляет 3 х 105.
Доменную структуру наблюдали с помощью поляризационного микроскопа. Для повышения контраста доменной структуры использовали конденсор косого освещения [6].
Параметры некоторых из исследованных пленок приведены в таблице, где Н — толщина пленки, во — угол выхода векторов намагниченности из плоскости пленки, а = Ф//Ф5, где Ф/ — угол фа-радеевского вращения в конце линейного участка кривой Ф(Нг).
Параметры Вс-МПФГ (В1,К)3(Ре,0а)5012 с ориентацией (100)
Образец № R h, MKM Ф*. град во, град Нк, Э а
1 Lu 1.0 1.0 — 500 1.0
2 Lu 4.0 4.8 4.67 580 0.75
3 Lu 1.8 1.5 3.17 430 0.99
4 Lu 3.9 4.0 1.3 500 0.90
5 Lu 2.3 2.25 1.3 440 0.80
6 Lu 2.0 2.0 — 700 0.75
7 Lu 6.0 6.0 1.77 820 0.83
8 Tm 4.8 4.6 2.83 700 0.60
9 Tm 4.0 3.6 7.0 630 0.70
10 Tm, Lu 3.0 2.8 4.5 400 0.60
И Tm 4.2 4.1 5.1 600 0.60
Доменная структура
Доменная структура, наблюдаемая в состоянии остаточной намагниченности, имеет слабый контраст и представляет собой макродомены, разделенные прямыми доменными стенками (ДС) с углами между ними 90 и 135° (рис. 1). Направления ДС соответствуют направлениям кристаллографических осей [100] и [110] в кубическом кристалле. Для рассматриваемого случая отрицательной константы кубической анизотропии (К\ < 0) направление [110] соответствует промежуточной оси легкого намагничивания (ОЛН), а направление [100] — оси трудного намагничивания (ОТН). 180-градусные ДС направлены вдоль ОЛН, а 90-градусные — вдоль ОТН.
Слабый контраст доменной структуры указывает на то, что вектор М8 ориентирован близко к плоскости пленки, отклоняясь от нее на небольшой угол Наиболее вероятное пространственное
[100]
[010]
[110]
Рис. 1. Доменная структура (а) и распределение компоненты Мх вектора намагниченности (б) для образца № 9
[110]
Рис. 2. Пространственная ориентация вектора намагниченности Ms для исследованных пленок
распределение векторов намагниченности, вытекающее из условия замыкания магнитного потока, для исследуемых пленок представлено на рис. 2. По обе стороны ДС, параллельной оси типа [110], компоненты Мх вектора намагниченности противоположны по знаку, а компоненты Mz не изменяются. Отсюда следует, что ДС, направленные вдоль ОЛН, являются (180 — 2#о)-градусными. По обе стороны ДС, параллельной оси типа [100], компоненты Mz вектора намагниченности противоположны по знаку, а угол между компонентами Мх равен 90°.
Петли гистерезиса
Наличие магнитной анизотропии типа «легкая плоскость» проявляется также на поперечных петлях гистерезиса Мг(Нх,ф). Характерной особенностью этих петель является многообразие их форм при изменении угла (р. При некоторых характерных углах ср на экране осциллографа появлялась горизонтальная линия с однополярными сигналами пе-ремагничивания (рис. 3, а). Эта горизонтальная линия соответствует состоянию насыщения полем Нх,
mz А
mz
XXX
hx
Рис. 3. Поперечные петли гистерезиса Мг(Нх) для образца № 8 при амплитуде переменного поля Нх = 7.5 Э и разных азимутальных углах ¡р\ 0 (а);
+2° (б) и -2° (в)
а точки 1 и 2 — переходу через размагниченное состояние. Направления, которым соответствует рис. 3, а, повторяются примерно через 90°, и согласно рис. 2 их можно отождествить с направлениями ОЛН, т.е. с осями типа [110]. Если бы перемагни-чивание происходило смещением только 180-градусных ДС, то на экране наблюдалась бы горизонтальная линия. Наблюдаемый сигнал (рис. 3, а, точки 1 и 2) обусловлен смещением 90-градусных ДС, которые имеются в клиновидных доменах, возникающих в процессе перемагничивания.
При малом отклонении от ОЛН (±2°) (рис. 3,6,в) петля гистерезиса становится биполярной и меняет фазу при переходе через <р = 0. Столь резкое изменение формы петли гистерезиса позволяет легко определить ориентацию ОЛН с точностью ±1°.
При углах <р, близких к 45°, петля гистерезиса является прямоугольной. Переход через размагниченное состояние происходит в отрицательном поле коэрцитивной силы Нх одним или несколькими скачками. Перемагничивание осуществляется в основном смещением 90-градусных ДС, параллельных кристаллографическим направлениям [100].
Наблюдаемая в остаточном состоянии доменная структура, а также петли гистерезиса Мг(Нх,<р) указывают на то, что в плоскости пленки существует двухосная анизотропия, характерная для плоскости (100) кубического кристалла.
Заметим при этом, что для наблюдения петли гистерезиса Мг(Нх) очень важно, чтобы нормаль к пленке (ось г) была ориентирована строго по лазерному лучу (ф = 0). При основной вклад
в фарадеевский сигнал будет давать большая плоскостная компонента Мх.
При перемагничивании пленки в присутствии постоянного магнитного поля Нг<^Нк петли гистерезиса Мг(Нх) сдвигаются по полю Нх без изменения амплитуды петли и ее формы в ту или иную сторону в зависимости от направления поля Нг. Исключение представляет случай перемагничивания вдоль ОЛН (<¿2 = 0), когда форма петли гистерезиса меняется. При этом малые неустойчивые сигналы перемагничивания (рис. 4, а, точки 1 и 2) преобразуются в две прямоугольные однополярные петли гистерезиса (рис. 4,б,г), а сами петли смещаются
Mz
А
h,
1 2 а
Mz
А
8 1
5 4 H
mz
А
7\2 63 б Mz
4 5 18 H
81
h
7 2
mz
А
1ÜJ *
3 6 2 7
г
27
h,
Рис. 4. Поперечные петли гистерезиса Мг(Нх) для образца № 8 при амплитуде переменного поля Нх = 7.5 Э и азимутальном угле ¡р = 0 при различных значениях постоянного магнитного поля Нг: 0 (а), +60 (б), +70 (в), ^60 (г) и ^70 Э (д). Цифрами показана последовательность изменения сигнала перемагничивания
по полю Нх. Первая ветвь (1-2-7-8) и вторая ветвь (5-6-3-4) прямоугольных петель разделены горизонтальной ступенькой, которая соответствует размагниченному состоянию образца. Каждому значению поля Нг соответствует поле Нх{0), при котором процесс перехода из размагниченного в состояние насыщения еще не происходит; вторая ветвь 3-4-5-6 на рис. 4, в,д в отличие от рис. А,б,г отсутствует. Другими словами, перемагничивание происходит по частному циклу.
Критические кривые перемагничивания
Наблюдение доменной структуры показывает, что малое поле Hz <С Нк вызывает смещение ДС, при этом контраст не меняется, т.е. вращения вектора Ms не происходит. Петля гистерезиса Мг(Нх) под воздействием поля Нг смещается по полю Нх, при этом форма петли остается неизменной. Это важное обстоятельство связано с движением ДС и отсутствием вращения вектора Ms в доменах.
В нашем случае вектор Ms ориентирован в плоскости (х, г) так, что
Мх = Ms eos 0q, Му = 0, Mz = Ms sin во.
Изменение компонент намагниченности определяется тензором восприимчивости процесса смещения
доменных стенок
(хи 0 Х13
Х(1 = 0 0 0
\Х31 0 Хзз.
поскольку восприимчивость процесса вращения вектора намагниченности
М8
Хг = 4тг
Н>
¡0.1-5-0.2
к
значительно
меньше.
Здесь
и.
= дмь/днп
Н] — и1¥Ц/иЛ1П
XI 1 =Ххх, Х13 = Ххг , Х31 = Хгх , ХЗЗ = Хгг •
Тогда изменения компонент намагниченности составляют:
А М2 = ХгхНх+ХггНг, (1)
А Мх=ХххНх+ХхгНг. (2)
Путем несложных преобразований из (1) и (2) получаем, что
Хгг = Хгх^00. (3)
Легко измеряемой характеристикой сдвига петли гистерезиса является критическое поле Нх{0) = = /(Яг) и (0) =/(#*) перехода намагниченности через нуль (размагниченное состояние), ДЛ1г = 0. Из (1) и (3) получаем
нх(0У
АМг = ХгхНх + ХггНг = Хгг
нг{0)+
tg6,o ]
= 0,
так что
№о\ =
нх(0)
(4)
(5)
Нг(0У
Критические кривые для двух образцов приведены на рис. 5 и 6. Видно, что на каждом рисунке все прямые имеют практически одинаковый наклон. Рассчитанные по критическим кривым значения угла во составляют 1.77° ±0.12° для образца № 7 и 2.83° ±0.12° для образца № 8. В предположении, что вектор М8 лежит в «легкой плоскости», угол во можно рассматривать как угол отклонения «легкой плоскости» от плоскости пленки. Значения во для всех исследованных образцов даны в таблице.
Необходимо отметить, что на образцах № 2 и № 3 (см. таблицу) были проведены исследования переходных процессов, вызываемых магнитными полями, параллельными плоскости пленки [7]. Оказалось, что характер этих процессов зависит от направления плоскостных полей. В данных экспериментах были выявлены два направления ОЛН и ОТН, которые с достаточной точностью совпадают с направлениями, определенными магнитооптическим методом в настоящей работе.
Изучение частотной зависимости свободных колебаний, возбуждаемых импульсом плоскостного поля от напряженности постоянного поля [8], позволило найти в этих же пленках поле анизотропии в плоскости пленки, которое оказалось равным (40.0 ±0.4) Э.
нх, э ► 1 • 2
6 - ■3
4 Ж
I 2 | I |
-100 -50 0 50 100
-2 - Н2, э
^ -4 -
-6 -
Рис. 5. Критические кривые Нх(0)=}(Нг) перехода через размагниченное состояние при азимутальном угле (р = 45° (кривые 1 и 2) и критическая кривая Нх{0) = [(Н2) зарождения второй ветви петли гистерезиса при азимутальном угле ср = 0 (кривая 3) для образца № 7
Нх, Э
Рис. 6. Критические кривые Нх(0)=}(Нг) перехода через размагниченное состояние при ср = +20° (кривые 1 и 2) и (р = —20° (кривые 3 и 4) и критическая кривая Нх{0) = [(Н2) зарождения второй ветви петли гистерезиса (кривая 5) для образца № 8. Показана форма петель гистерезиса и точки 1-4, положение которых отслеживали при варьировании постоянного магнитного поля Нг
Выводы
и Тт-содер-с ориентаци-
Проведенные исследования Ьи-жащих эпитаксиальных Вс-МПФГ ей (100) показали следующее.
1. Вектор намагниченности М8 отклоняется от плоскости пленки на малый угол во, а доменные
стенки, параллельные оси типа [110], являются (180 — 2$о)-градусными.
2. Предложены достаточно точные методы (не хуже ±1°) определения ориентации ОЛН в плоскости пленки и угла вq.
3. Зависимости критических полей нх(0) =f(hz) перехода через размагниченное состояние являются линейными с тангенсом угла наклона
. а мг нх(0)
1ево=ж=ш-
4. Обнаружено, что угол 9q отклонения «легкой плоскости» от плоскости пленки лежит в пределах 1.5° -т- 5.0°.
Авторы выражают искреннюю благодарность
0. С. Колотову за обсуждение результатов работы и ценные замечания.
Литература
1. Antonov А.V., Gusev M.U., Il'yashenko E.I. et al. 11 Digests of Int. Symp. on Magnetooptics (ISMO-91). Kharkov (USSR), 1991. P. 70.
2. К lank M., Hagedorn О., Shamonin M. et al. // J. Appl. Phys. 2002. 92, N 11. P. 6484.
3. Рандошкин B.B., Гусев МАО., Козлов Ю.Ф., Hey строев Н.С. Ц ЖТФ. 2002. 70, № 8. С. 19.
4. Дурасова ¡O.A., Ильичева E.H., Клушина A.B. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001. 67, № 7. С. 27.
5. Goa Е., Hauglin Н., Baziljevich М. et al. 11 Supercond. Sei. Techn. 2001. 14. P. 729.
6. Il'iycheva E.N., Il'yashenko E.I., Nyenhuis J.A. et al. 11 МММ Conference, Miami, Florida, USA, November 1998. Paper DU-03.
7. Дурасова ¡O.A., Ильичева E.H., Ильяшенко Е.И. и др. // Сб. тр. XVIII междунар. школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники». М., 2002. С. 477.
8. Ильичева E.H., Ильяшенко E.H., Колотое О.С. и др. // ФТТ. 2002. 45, № 6. С. 1037.
Поступила в редакцию 07.07.05
