CC BY
126
С.А. Чигиринский, Н.О. Мамкина, 2007
© Р.М. Гречишкин, М.Ю. Гусев, С.Е. Ильяшенко, Л.Е. Афанасьева,
УДК 537.63+538.61
Р.М. Гречишкин, М.Ю. Гусев, С.А. Чигиринский,
С.Е. Ильяшенко, Л.Е. Афанасьева, Н.О. Мамкина
МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ СРЕДЫ И ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Метрология магнитных полей наряду с традиционными задачами оценки значений однородного поля в одной или нескольких точках пространства включает в себя задачу исследования неоднородного распределения вектора магнитной индукции. Контроль распределения магнитного поля необходим при разработке устройств, основной характеристикой которых является магнитное поле заданной конфигурации - магнитные головки, носители информации, приводы, системы на постоянных магнитах, а также при решении обратных задач магнитометрии - определения внутренней структуры источника по его внешнему полю.
Из всех методов исследования сложных микрораспределений магнитного поля особый интерес представляют методы визуального контроля. Необходимое условие визуализации состоит в существовании магнитоактивного оптического материала - индикатора поля. Наиболее распространен метод визуализации с помощью мелких (5-20 нм) магнитных частиц, диспергированных в различных средах (магнитные жидкости) [1-3]. Оптический контраст создается благодаря концентрации магнитных частиц в участках с наибольшими градиентами магнитного поля, а также благодаря оптической анизотропии, возникающей под действием магнитного поля [4, 5].
Интересной разновидностью магнитных жидкостей являются суспензии магнетита Fe3O4 в твердой среде (парафине) [6]. В таких средах запись информации об измеряемом поле производится при расплавлении парафиновой матрицы, а её затвердевание при охлаждении обеспечивает фиксацию изображения. Магнитные жидкости могут при определённых условиях обеспечить разрешающую способность вплоть до десятых долей микрометра и чувствительность к полям порядка десятых долей эрстеда, но они дают лишь качественную оценку исследуемого распределения поля. Известно также применение в качестве индикаторной среды полимерной плёнки, содержащей магнитную жидкость в виде микрокапсул [7]. Такая плёнка проста в использовании и обладает сравнительно высокой чувствительностью к внешним полям. Однако её серьёзным недостатком является низкая разрешающая способность (порядка 0,2 мм)
Многие недостатки упомянутых методов могут быть устранены при использовании в качестве индикаторной среды тонких магнитных плёнок - твердотельных магнитооптических индикаторных сред с высокой добротностью. Импульс в развитии таких сред в основном был инициирован потребностями в исследовании свойств высокотемпературных сверхпроводников. Обзор работ, опубликованных по этому направлению до 1995 г., дан в работе [8]. К числу последних публикаций относятся [15-20]. Настоящая работа ограничена изложением некоторых результатов авторов, связанных с развитием методов визуализации микрораспределений магнитного поля и их технических применений.
Феррит-гранатовые магнитооптические индикаторные плёнки
Магнитооптическая визуализация основана на использовании магнитооптических эффектов -изменении оптических свойств вещества под действием магнитного поля, что позволяет получить изображение пространственного распределения магнитного поля в специальной индикаторной среде, заполняющей исследуемую область. Для большинства известных материалов значения магнитооптических эффектов относительно невелики, что до недавнего времени ограничивало практические возможности метода. Положение изменилось благодаря достижениям технологии выращивания высококачественных висмутсодержащих плёнок ферритов-гранатов с высокими значениями удельного фарадеевского вращения и малым оптическим поглощением.
Индикаторные висмутсодержащие монокристаллические плёнки ферритов-гранатов (ВкФГ пленки) представляют собой прозрачные монокристаллические слои, выращиваемые методом жидкофазной эпитаксии на немагнитной подложке. Магнитные и магнитооптические свойства ВкФГ пленок можно регулировать в широких пределах путем изменений состава, условий
получения и последующей обработки. Оптимальным индикаторным материалом является висмутсодержащий феррит-гранат R3_xBixFe5_y Му012, где R - комбинация редкоземельных элементов, М - Ga, А1 и микродобавки элементов с незаполненной d-оболочкой. Рабочий слой ВкФГ толщиной 1..10 мкм выращивается на жесткой плоской прозрачной пластине (подложке) немагнитного гадолиний-галлиевого граната Gd3Ga5Ol2 толщиной порядка 0,5 мм. На рабочую поверхность преобразователя наносится зеркальный слой серебра или алюминия. Отражение поляризованного света от зеркального слоя обеспечивает удвоение фарадеевского вращения. Для защиты от повреждений на зеркальный слой наносится износостойкое покрытие.
ВкФГ пленки обладают аномально большим удельным вращением плоскости поляризации света и высокой прозрачностью. Магнитооптические свойства ВкФГ определяются в основном содержанием висмута. Параметром, определяющим величину оптического сигнала, является магнитооптическая добротность ^ = 2№/а, где а - коэффициент оптического поглощения. Зависимость ^(х) имеет широкий максимум и практически не меняется в диапазоне значений х —0,8.. 1,1.
Важнейшей характеристикой индикаторных ВкФГ пленок является их магнитная анизотропия [9-11]. Положение направлений легкого намагничивания в плёнке определяется минимумом анизотропной части свободной энергии, включающей в себя энергию кубической анизотропии Ес, одноосной анизотропии Еи, энергии взаимодействия магнетика с внешним магнитным полем Ет = -(М^Н) и энергии магнетика в собственном размагничивающем поле Ей = -(M■Hd)/2, где Нй -собственное размагничивающее поле. Для тонких плёнок при ориентации вектора М вдоль нормали к плоскости плёнки значение Ей максимально (Ей(тах) = 2лМк2) и близко к нулю при ориентации М в плоскости образца. Константу одноосной анизотропии Ки обычно представляют магнитоупругим компонентом КД возникающим из-за рассогласования параметров решётки плёнки и подложки, и ростовым компонентом К/, возникающим в процессе роста плёнки из-за нестатистического распределения ионов в магнитных подрешётках.
Технологические возможности метода жидкофазной эпи-таксии позволяют получать ВкФГ пленки с разными типами эф-фективной магнитной анизотропии [12]. В зависимости от соотношений между соответствующими константами анизотропии для плёнок с ориентацией (111) возможно получение анизотропии типа лёгкая ось, лёгкий конус и лёгкая плоскость, которые характеризуются существованием в нулевом магнитном поле равновесной доменной структуры с двумя, шестью и двенадцатью магнитными фазами соответственно.
Плёнки с преимущественно одноосной магнитной анизо-тропией обладают в равновесном состоянии лабиринтной структурой магнитных доменов (фаз) 180-градусного типа с ориентацией векторов намагниченности соседних доменов ±М вдоль нормали г к плоскости плёнки. Для задач визуализации толщину доменных границ (ДГ) можно считать бесконечно малой, соответственно направление М изменяющимся скачкообразно при переходе через ДГ. Смещение ДГ происходит под воздействием z-компоненты внешнего магнитного поля, при этом в случае высоких значений константы одноосной анизотропии Ки > 2лМ82 можно считать, что направление векторов М1,2 соседних 180-градусных доменов не изменяется под действием плоскостных х- и у-компонент изучаемого неоднородного поля.
Анализ конфигураций доменной структуры одноосных плёнок, образующихся при воздействии изучаемого внешнего магнитного поля позволяет при определённых условиях получить информацию о распределении ^-компоненты этого поля в плоскости плёнки [13]. Для одноосных пленок можно выделить два основных типа конфигураций доменов, определяемых значениями градиента внешнего поля. Если на пленку, ле-жащую в плоскости ху, воздействует внешнее неоднородное поле вида Нг(х) = Рх, то при значениях р, больших некоторого критического градиента рс, вдоль оси у образуется плоская изо-лиро-ванная ДГ. При р < рс возникает так называемая синусоидальная нестабильность - волнообразные искривления формы ДГ [14]. Критический градиент рс зависит от намагниченности
Рис. 1. Визуализация распределения магнитного поля многополюсного микроротора (внешний диаметр 8 мм) с помощью одноосной БиФГ плёнки. Внизу - увеличенный фрагмент левого изображения, иллюстрирующий развитие синусоидальной нестабильности доменной границы при уменьшении градиента изучаемого поля.
насыщения М8, толщины пленки h и характеристической длины материала 1с = а/4тсМ82, где а - поверхностная плотность энергии доменной границы.
На рис. 2 представлено специфическое изображение полей плёночных постоянных магнитов, полученное за счёт модуляции размеров цилиндрических магнитных доменов одноосной В1:ФГ плёнки.
Особенности процесса магнитооптической
визуализации с помощью одноосных индикаторных В1:ФГ пленок требует максимальных полей одноосной анизотропии и минимальной коэрцитивности доменных границ. Высокие поля одноосной анизотропии необходимы для минимизации эффектов кубической анизотропии, в противном случае возникает анизотропия ДС в плоскости плёнки, создающая погрешность в определении формы изолиний изучаемых полей. Г истерезис и коэрцитивность доменных границ являются основным и трудно устранимым источником систематических погрешностей при топографировании неоднородных полей с помощью одноосных В1:ФГ пленок.
Ряд ограничений и недостатков одноосных В1:ФГ пленок устраняется при использовании квазиизотропных пленок с минимизированной кубической и наведённой анизотропией. В этом случае из-за анизотропии формы в нулевом внешнем поле
Рис. 2. Визуализация полей плёночных постоянных магнитов с помощью цилиндрических магнитных доменов
вектора намагниченности лежат в плоскости плёнки и в геометрии Фарадея являются невидимыми, контраст же возникает только при выходе вектора намагниченности из плоскости образца. Поскольку фарадеевский контраст зависит только от нормальной компоненты намагниченности Mz и не зависит от азимутального угла вектора М в плоскости плёнки, то, вообще говоря, результат визуализации не зависит от наличия собственной плоскостной ДС. Отрицательное влияние этой ДС состоит в возникновении контраста ДГ.
На рис. 3 для сравнения представлены кривые намагничивания одноосных и планарных плёнок. Из этих данных видно, что при малых приведённых толщинах й и прочих равных условиях чувствительность одноосных плёнок выше, чем у планарных; кривая намагничивания планарной плёнки совпадает с кривой намагничивания одноосной в случае й = да. Коэрцитивность планарной плёнки при намагничивании в плоскости весьма мала (менее 20 мкТ).
На рис. 4 представлены Рис. 3. (а) Кривые намагничивания
одноосной плёнки в направлении оси лёгкого намагничивания (нормаль к плоскости) для разных приведённых толщин d,=d/l ^ - фактическая толщина, I - характеристическая длина материала [9-11]; (б) кривая намагничивания планарной плёнки (пунктир - теория, сплошная линия эксперимент); (в) петля гистерезиса в плоскости планарной плёнки (эксперимент).
для сравнения результаты визуализации одного и того же участка трёхдюймового флоппи-диска с помощью планарной и одноосной плёнки.
В данном случае наглядно проявляются различия в прин-ципах магнитооптической визуализации с помощью одноосных и плоскостных ВкФГ пленок. Одноосные пленки создают бинарные двухградационные изображения, дающие информацию о положении изолиний нулевого поля изучаемого объекта. Эти изображения формируются путём смещения 180-градусных доменных границ, сопровождающегося явлениями гистерезиса и коэрцитивности; в областях с малым или нулевым внешним полем (в пространстве между дорожками записи данных) в одноосной плёнке формируется собственная доменная структура, затрудняющая интерпретацию изображения.
Что касается плоскостных пленок, то в них благодаря обратимым безгистерезисным
Рис. 4. Визуализация магнитного поля дорожек записи на гибком магнитном диске с помощью планарной (а) и одноосной БиФГ пленок (Ъ)
ей
Y, мм
X, мм
Рис. 5. Количественная оценка распределения нормальной компоненты поля на расстоянии 100 мкм от поверхности многополюсного постоянного магнита
процессам вращения намагниченности образуется аналоговое полутоновое изображение, локальная яркость которого является непрерывной функцией нормальной компоненты внешнего поля. Это важное свойство плоскостных плёнок обеспечивает возможность количественной
оценки микрораспределений поля (рис. 5). Геометрическое разрешение планарных плёнок близко к пределам разрешения оптических микроскопов (рис. 6).
Рис. 6. Визуализация экспериментальной цифровой магнитной записи высокой плотности
Аморфные металлические индикаторные плёнки
В работе изучены возможности использования в качестве магнитооптической индикаторной среды тонких аморфных металлических плёнок на основе редкоземельных металлов. Технология получения таких плёнок была разработана в 70-е годы в связи с технологией цилиндрических магнитных доменов и магнитооптических дисков [9-11, 21]. Требования к свойствам этих материалов практически совпадают с требованиями, предъявляемым к магнитооптическим индикаторным средам. Методом магнетронного распыления на стеклянные и гибкие полиимидные и полиэтиленфталатные подложки были получены низкокоэрцитивные плёнки сплавов Gd-Co и высококоэрцитивные плёнки сплавов Тв-Ре-Со. Первые использовались как одноосные индикаторные плёнки по аналогии с одноосными ВкФГ плёнками, а при использовании вторых применялась технология термомагнитной записи с радиационным нагревом от импульсного источника излучения.
На рис. 7 и рис. 8 представлены изображения тест-объек-та, полученные с помощью металлических индикаторных плёнок. Одним из достоинств таких плёнок является их низкая (по сравнению с монокристаллическими ВкФГ плёнками) стоимость.
Рис. 7. Доменная структура (ДС) тест-объекта (монокристалла SmCo5), наблюдаемая с помощью полярного эффекта Керра (а); собственная ДС аморфной плёнки Gd-Co (Ь); визуализация структуры (а) с помощью планарной Ві: ФГ плёнки и плёнки Gd-Co (кадры (с) и (ф) соответственно.
Рис. 8. Визуализация тест-объекта с помощью термомагнитной высококоэрцитивной высокоанизотропной плёнки Tb-Fe-Co (a) и аморфной плёнки Gd-Fe с фактором качества Q &1
При использовании гибких подложек такие плёнки можно плотно прижимать к неровным поверхностям, что повышает разрешение. Толщина аморфных плёнок много меньше толщины плёнок гранатов, что также способствует повышению разрешения. Можно также отметить, что при использовании составов с субмикронной доменной структурой, а также с низким Q-фактором металлические плёнки дают возможность получения полутоновой визуализации распределений магнитного поля.
Заключение
Несмотря на развитие за последние несколько десятилетий новых мощных методов исследования пространственных микрораспределений магнитного поля (электронно-микроскопических, зондовых, рентгеновских, синхротронных, нейтронных и др.) техника визуализации с помощью твердотельных индикаторных сред находит своё развитие и расширяет сферу своего приложения, находя такие применения, в которых использование других методов затруднено, нецелесообразно или невозможно. С учётом современного быстрого развития нанотехнологий следует ожидать дальнейшего улучшения параметров магнитооптических материалов и расширения их функциональных возможностей.
-------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Freeman M.R. and Choi B.C. Advances in magnetic microscopy //Science 2001. V. 294. P. 1484-1488 (2001).
2. DahlbergE.D. andProksch R. Magnetic microscopies: the new addition //J. Magn. Magn. Mater. 1999. V. 200. P. 720728.
3. Hubert A. and R. Schafer, Magnetic domains. (Berlin, Springer, 1998).
4. Hartmann U. and Mende H.H. The stray-field induced birefringence of ferrofluids applied to the study of magnetic domains //J. Magn. Magn. Mater. 1984. V.41. P. 244-246.
5. Jones G.A., Lacey E. T.M., and Puchalska I.B. Bitter patterns in polarized light: a probe for microfields //J. Appl. Phys. 1982. V. 53. P. 7870-7872.
6. Monosov Y.A., Doev V.S., Kabytchenkov A.F., Koledov V.V., Piurbeev A.D., Tulaikova A.A., Shavrov V.G., and Shakhunov V.A. Recording of optical information on magnetic suspension //IEEE Trans. Magn. 1983. V. 19(3). P. 1474-1476.
7. Ardizzzone V.A. Viewing film for dc magnetic fields //www.magnerite.com.
8. Koblishka M.R. and Wijngaarden R.J. Magnetooptical investigations of superconductors //Supercond. Sci. Technol. 1995. V. 8. P. 199-213.
9. Звездин А.К., КотовВ.А. Магнитооптика тонких плёнок. М.: Наука, 1988.
10. Элементы и устройства на ЦМД: Справочник / А. М. Балбашов, Ф.В.Лисовский, В.К.Раев и др.; Под ред. Н.Н. Евтихиева, Б.Н.Наумова. М.: Радио и связь, 1987. 488 с.
11. Eschenfelder A.H. Magnetic Bubble Technology. Berlin-Heidelberg-New York: Springer Verlag, 1980. 320 p.
12. ГусевМ.Ю., Гречишкин Р.М., КозловЮ.Ф., Неустроев Н.С. Магнитооптическая визуализация магнитного поля с помощью монокристаллических плёнок ферритов-гранатов //Изв. Вузов. Материалы электронной техники. 2000. №1. С. 27-37.
13. Кубраков Н.Ф. Метод магнитооптической визуализации и топографирования пространственно-неоднородных магнитных полей // Тр. ИОФАН, т. 35. М.: Наука, 1992. С. 136 - 164.
14. Hagedorn F.B. Instability of an isolated straight magnetic domain wall //J. Appl. Phys. 1970. V. 41(3). P. 1161-1162.
15. Goa P.E., Hauglin H., Olsen A.A.F., Baziljevich M., and Johansen T.H. Magneto-optical setup for single vortex observation //Rev. Sci. Instrum. 2003. V. 74(1). P. 141-146.
16. Helseth L.E., Solovyev A.G., Hansen R.W., Il’yashenko E.I., Baziljevich M., and Johansen T.H. Faraday rotation and sensitivity of (100) bismuth-substituted ferrite garnet films //Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P. 064405.
17. Hansen R.W., Helseth L.E., Solovyev A., Il’yashenko E., and Johansen T.H. Growth and characterization of (100) garnets for imaging //J. Magn. Magn. Mater. 2004. V. 272-276. P. 2247-2249.
18. Fratello V.J., Minushkina I., Licht S.J., and Abbott R.R Growth and characterization of magnetooptic garnet films with planar uniaxial anisotropy //Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2005. V. 834. P. J6.2.1-J6.2.12.
19. Kabanov Yu., Zhukov A., Chulkova V., and Gonzales J. Magnetic domain structure of wires studied by using the magneto-optical indicator film method //Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. P. 142507 1-3.
20. Hansteen F., Helseth L.E., Johansen T.H., Hunderi O., Kirilyuk A., Rasing T. Optical and magnetooptical properties of bismuth and gallium substituted iron garnet films //Thin Solid Films 2004. V. 455-456. P. 429-432.
21. Merchant A.A., Kryder M.H. Investigation of coercive squareness in TbFeCo films //IEEE Trans. Magn. 1991. V. 27. P.3690-3696.
— Коротко об авторах -------------------------------------
Гречишкин Р.М., Гусев М.Ю., Чигиринский С.А., Ильяшенко С.Е., Афанасьева Л.Е., Мамкина Н.О. - Тверской государственный университет, Россия.
