Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

Институт общей физики им. А.М.Прохорова Российской академии наук, Москва, Россия

Примесные ионы Ca²⁺ в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов как причина аномальной магнитной вязкости

В монокристаллических пленках феррит-гранатов (МПФГ) магнитная вязкость (отставание изменения намагниченности от изменения магнитного поля) обычно обусловлена следующими причинами: конечной скоростью движения доменных стенок (ДС) (характерное время релаксации t_r ~ 10^-7 ¸10^-2 с); задержкой образования зародышей с обратной намагниченностью t_r ~ 10^-7 ¸10^-6 с); динамическими преобразованиями структуры ДС, обусловливающими эффект баллистического последействия (t_r ~ 10^-8 ¸10^-6 с) [1,2].

В МПФГ с относительно малой намагниченностью насыщения, выращенных из бессвинцового раствора-расплава, наблюдается аномальная магнитная вязкость со временем релаксации 10¹ ¸ 10³ с, впервые обнаруженная в МПФГ Bi_0,4Y_2,6Fe_3,75Ga_1,25O₁₂ с толщиной h = 9,6 мкм, намагниченностью насыщения 4pM_s = 30 Гс и характеристической длиной l = 4,5 мкм, выращенной на подложке Gd₃Ga₅O₁₂ с ориентацией (111) из раствора-расплава на основе Bi₂O₃ – CaO [3,4].

На рис. 1 показаны фотографии доменной структуры в исследованной МПФГ с аномальной вязкостью в разные моменты времени после выключения магнитного поля. В исходном состоянии образец находился в поле, меньшем поля насыщения, так что в нем существовала доменная структура (в предварительно насыщенном образце после выключения магнитного поля она появлялась через время, превышающее иногда 10³ с). Из рис. 1 видно, что доменная структура медленно "прорастает", причем ее результирующая конфигурация устанавливается за время около 60 с.

Рис. 1. Доменная структура в МПФГ Bi_0,4Y_2,6Fe_3,75Ga_1,25O₁₂ с аномальной магнитной вязкостью при комнатной температуре в различные моменты времени t после выключения поля смещения Н_см = 6 Э; t, с: а - 0; б - 20; в - 40; г - 60.

Для относительно больших изменения поля смещения DНсм временной спад намагниченности М, обусловленный "прорастанием" доменной структуры, (рис. 1) включает два разных процесса: обычное быстрое изменение намагниченности М с характерным временем t_r £ 10^-2 с и аномально медленное изменение М с характерным временем t_r ³ 10¹ с. При уменьшении DН_см первый процесс перестает проявляться, а аномальная магнитная вязкость увеличивается. Характерное время спада намагниченности t_r (промежуток между моментами времени, в которые относительная намагниченность M/M_s принимает значения 0.1 и 0.9) увеличивается с ростом температуры.

В МПФГ, выращенных из раствора-расплава на основе Bi₂O₃ - CaO, но имеющих более высокую 4pM_s (~ 300 Гс), а также в пленках, близких по составу, но выращенных из раствора-расплава на основе Bi₂O₃ - Na₂O, аномальная магнитная вязкость не наблюдается.

Сравнение оптических спектров поглощения МПФГ, выращенных из растворов-расплавов на основе Bi₂O₃ - CaO и Bi₂O₃ - Na₂O, показывает, что МПФГ с аномальной магнитной вязкостью характеризуются дополнительным поглощением с максимумом в области 10000 см^-1, который хорошо согласуется с разрешенным по спину для ионов Fe⁴⁺ переходом ⁵T₂ → ⁵Е в кристаллическом поле. Появление примесей ионов Fe⁴⁺ в МПФГ, выращенных из раствора-расплава на основе Bi₂O₃ - Na₂O, не наблюдается, поскольку крупные ионы Na⁺ практически не внедряются в структуру граната.

Взаимодействие ДС с такими дефектами как примеси магнитных ионов и ионные вакансии в решетке кристаллов смешанных нестехиометрических составов приводит к необратимым эффектам и диссипации при движении ДС в малых полях [5]. Неоднородная ориентация намагниченности в ДС обусловливает пространственную неоднородность диффузионного распределения концентрации примесей и вакансий в окрестности ДС и, как следствие, возникновение наведенной локальной магнитной анизотропии, а также появление стабилизирующих потенциальных барьеров, закрепляющих ДС. При движении ДС с малыми амплитудами кинетические процессы релаксации примесей и вакансий должны проявляются как задержка начала движения ДС под действием импульсных магнитных полей.

Такая особенность в динамике ДС в МПФГ с аномальной магнитной вязкостью была обнаружена под действием следующих с частотой f_p периодических импульсов поля с амплитудой Н_p, приложенных в том же направлении, что и поле смещения Н_b. [3,4]. Начало движения ДС было отделено от начала импульса поля промежутком времени t_з ~10^-7 с, уменьшающимся с ростом Н_p. Кроме того, при малой Н_p имеет место эффект баллистического последействия. Заметим, что из-за аномальной магнитной вязкости диаметр ЦМД за промежуток времени между последовательными импульсами поля (~0,1 с) не успевает достичь равновесного значениях (d = 28,5 мкм). Время задержки t_d начала движения ДС после приложения импульса поля убывает с его амплитудой. Из-за большой задержки t_d (меньшего времени движения во время действия импульса магнитного поля) изменение диаметра ЦМД Dd за это время увеличивается с ростом Н_и Увеличение скорости релаксации ДС с ростом амплитуды импульса не обеспечивает компенсации такого изменения Dd в промежуток времени между соседними импульса магнитного поля, поэтому диаметр ЦМД d_f перед приложением импульса поля снижается с ростом Н_и.

Экспериментальные результаты позволяют предложить следующую модель движения ДС в МПФГ с аномальной магнитной вязкостью. Примеси и вакансии вблизи ДС перераспределяются таким образом, что создают потенциальную яму, закрепляющую ДС. При квазистатическом изменении магнитного поля давление на ДС, обусловленное магнитостатическим взаимодействием, мало (малы как 4pM_s, так и Н_b), и ДС не может покинуть эту потенциальную яму. Однако, за счет термических флуктуаций конфигурация и глубина потенциальной ямы непрерывно меняется, а при больших, но крайне редких флуктуациях ДС скачком изменяет свое местоположение, что обусловливает эффект аномальной магнитной вязкости. При изменении внешнего магнитного поля происходит диффузионное перераспределение примесей и вакансий вблизи ДС (каждый тип примесей характеризуется своей энергией активации и характерным временем релаксации), меняется глубина потенциальной ямы и, как следствие, величина аномальной магнитной вязкости. Тот факт, что задержка начала движения ДС имеет место при Н_р > 4pM_s [4], свидетельствует о большой глубине потенциальной ямы. При достаточно большой Н_р > 20 Э диффузия примесей протекает относительно быстро (за время t_з ~10^-7 с), тем не менее, движение ДС начинается не сразу после приложения импульса поля, а с задержкой. Возвращение ДС в исходное положение после окончания импульса поля проходит сначала путем обычного движения ДС, а затем - за счет механизма аномальной магнитной вязкости.

В МПФГ с малой намагниченностью насыщения и высокой коэрцитивностью аномальная магнитная вязкость не наблюдается, а ДС, выведенная из положения равновесия импульсом магнитного поля, не возвращается в исходное состояние после окончания его действия из-за подавления коэрцитивностью упругих сил [6]. Как следствие, при воздействии периодического импульсного магнитного поля происходит сползание ДС.

Литература

1. Владимир Рандошкин. Динамика однохиральных доменных стенок. Импульсное перемагничивание пленок феррит-гранатов. Lambert Academic Publishing, 2011, 400 с.

2. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990, 320 с.

3. Телеснин Р.В., Балбашов А.М., Мартынов А.Ф., Рандошкин В.В., Чероненуис, Черкасов А.П. Аномальная магнитная вязкость в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов ЖТФ, 1981, т. 7, № 16, с. 1001-1004.

4. Рандошкин В.В., Мартынов А.Ф., Червоненкис А.Я. О динамике доменных стенок в пленках феррит-гранатов вблизи точки компенсации магнитного момента. ФТТ, 1996, т. 38, № 5, с. 1592-1595.

5. Великов Л.В., Ляшенко Е.И., Маркианов С.С. Динамика малых колебаний доменных границ. Магнитное последействие в пленках ферритов-гранатов. ЖЭТФ, 1983, т. 84, № 2, с. 783-791.

6. Балбашов А.М., Николаев Л.В., Червоненкис А.Я. Влияние коэрцитивности в гранатовых пленках. Письма в ЖТФ, 1982, т. 8, № 6, с. 348-352.