Д.ф.м.н. Рандошкин В.В.

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

Искажения доменной стенки при расширении доменов с обратной намагниченностью в эпитаксиальных пленках

феррит-гранатов с ориентацией (210)

Домены с обратной намагниченностью (ДОН), зарождающиеся при импульсном перемагничивании монокристаллических пленок феррит-гранатов (МПФГ) с ориентацией (210), обладают наибольшим разнообразием форм динамических форм динамических доменов [1-4] по сравнению с пленками с ориентациями (111) [5-8] и (110) [9].

Методом перемагничивания [10] с использованием высокоскоростной фотографии (ВСФ) [11] исследовали расширение доменов с обратной намагниченностью (ДОН), зарождающихся на точечном дефекте в МПФГ, выращенные на подложках (Gd,Ca)₃(Mg,Zr,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210). Параметры магнитной анизотропии измеряли методом [12]. Азимутальные зависимости критических значений поля смещения H_см*(j) и планарного магнитного поля H_пл*(j) при однородном зарождении цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) показаны на рис.1. Здесь же приведены ориентационные зависимости полей исчезновения доменной структуры H_нас и поворота плоскости поляризации H_Ф.

Введение Pr в МПФГ привело к многократному снижению одноосной магнитной анизотропии (в Pr-содержащих МПФГ даже при меньшей намагниченности насыщения поле Н_K ниже, чем в пленках без Pr). Как для Pr-содержащих МПФГ, так и для пленок без Pr поэтому скорость ДС является анизотропной величиной.

Параметры исследованных образцов сведены в таблицу, h – толщина пленки, w – равновесная ширина полосовых доменов в отсутствие поля смещения, 4πM_s – намагниченность насыщения, H_{пл мин} и H_{пл макс} – минимальное и максимальное значения планарной компоненты магнитного поля при однородном зарождении ЦМД.

Таблица.

Параметры МПФГ (Bi,R)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210)

Образец	R	h, мкм	w, мкм	4πMs, Гс	Hпл мин, кЭ	Hпл макс, кЭ
1.	Y	7.3	16.3	60	8.4	9.0
2.	YPr	13.1	18.6	99	2.0	4.8
3.	YLuPr	11.6	13/0	75	1.8	…
4.	YLuPr	9.2	13.8	79	1.6	2.50
5.	Y	11.5	12.8	112	2.6	4.05
6.	YLuPr	15.5	11.4	102	1.1	…
7.	YLuPr	12.7	20.2	89	0.59	2.7
8.	Y	6.3	6.5	180	0.72	2.9
9.	YLuPr	11.3	25.0	142	2.54	4.2
10.	YLuPr	9.2	13.9	70	1.6	2.68

Для Pr-содержащей МПФГ зависимость скорости ДС V от действующего магнитного поля H, на первый взгляд, имеет "классический" вид (рис.2, кривая 2), то есть, после начального линейного участка наблюдается пик, за которым следует участок, характеризующийся дифференциальной подвижностью ДС, много меньшей начальной. Однако первый участок, наблюдающийся в эксперименте (рис.2, кривая 2), не является начальным, поскольку в середине этого "линейного" участка ДС расширяющегося ДОН испытывает нерегулярные пространственные искажения, не повторяющиеся от импульса к импульсу.

Для МПФГ, не содержащих Pr, начальный линейный участок кривой V(H) не должен наблюдаться, поскольку в составе пленки отсутствуют быстрорелаксирующие ионы и a должно быть мало. В связи с этим неожиданной является высокая дифференциальная подвижность в диапазоне Н = 100 ¸ 200 Э, которой уместно быть при a ³ 10 ^-1. Это является аргументом в пользу того, что при наличии РМА возрастает затухание.

Рис.1. Ориентационные зависимости полей исчезновения доменной структуры H_нас (1) и поворота плоскости поляризации H_Ф (2), планарной H_пл* (3) и нормальной H_см* (4) компонент магнитного поля при однородном зарождении доменной структуры от угла j в плоскости МПФГ (Bi,Y,Lu)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец № 7 в таблице).

Характерным различием кривых 1 и 2 на рис.5 является большая разница значений V_макс (примерно в 20 раз), которая значительно превосходит возможное различие РМА. Если исходить из спин-волнового механизма движения ДС [14.15], то высокое значение V_макс в Pr-содержащих МПФГ обусловлено локальным вращением намагниченности вблизи движущейся ДС, вызываемым излучаемыми ею СВ [8].

На рис.3 – рис.5 приведены зависимости минимальной (1) и максимальной (2) скоростей ДС, полученных для Pr-содержащих МПФГ. Внизу на каждом из этих рисунков изображены характерные формы ДОН, наблюдающиеся при соответствующем значении Н.

Рис.2. Зависимости максимальной скорости ДС V_макс в МПФГ (Bi,Y)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ (1) и (Bi,Y,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ (2) от магнитного поля Н (номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице).

Рис.3. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2) скоростей ДС в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ (образец № 5 в таблице) от магнитного поля Н. Внизу показаны характерные формы ДОН.

Наличие максимума кривой V(H), когда Н > H_W (рис.5.1-5.3, 5.15-5.17) объясняется ограниченностью диапазона действующих магнитных полей, где имеет место излучение СВ.

Если РМА достаточно велика, такая ситуация, как в МПФГ с ориентацией (111), когда СВ излучаются одновременно всеми участками ДС ДОН, становится невозможной. Другими словами, при достаточно большой РМА нет ни одного значения действующего магнитного поля, когда для всех участков замкнутой ДС в МПФГ с ориентацией (210) имеются условия для излучения СВ. Это, с учетом зависимости глубины затухания СВ от параметра затухания, и приводит к многообразию форм динамических ДОН.

С целью компенсации или, наоборот, усиления влияния магнитной анизотропии в плоскости МПФГ прикладывали постоянное магнитное поле Н_пл. Для детального исследования была выбрана пленки с однонаправленной анизотропией скорости ДС (образец № 7 в таблице). Кривые H_см*(j) и H_пл*(j) для этого образца приведены на рис.1.

Рис.4. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2) скоростей ДС в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ (образец № 6 в таблице) от магнитного поля Н. Внизу показаны характерные формы ДОН.

Рис.5. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2) скоростей ДС в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ (образец № 7 в таблице) от магнитного поля Н. Внизу показаны характерные формы ДОН.

Для детального исследования была выбрана МПФГ с однонаправленной анизотропией скорости ДС (образец № 7 в таблице).

Поле H_пл вначале прикладывали вдоль того направления в плоскости пленки, где скорость ДС максимальна. Действующее магнитное поле Н = 160 Э выбирали таким, чтобы анизотропия скорости ДС была максимальной. регистрировали Зависимость V(H_пл) при фиксированном Н = 160 Э приведена на рис.6, где также показаны характерные формы ДОН соответствующие различным значениям H_пл. Видно, что кривая V(H_пл) сильно несимметрична относительно оси ординат. Процесс вращения намагниченности по всей поверхности МПФГ начинается (рис.6) при H_пл = - 300 Э и H_пл = +1500 Э (направление оси абсцисс выбрано условно).

Рис.6. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2, 3) скоростей участков ДС ДОН от планарного магнитного поля Н_пл, приложенного вдоль направления, где имеет место однонаправленное повышение скорости ДС при Н_пл = 0, в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец № 7 в таблице) при перемагничивающем поле Н = 160 Э.

Зависимости V_макс(H_пл) и V_мин(H_пл) для случая, когда планарное магнитное поле приложено перпендикулярно направлению, вдоль которого имеет место однонаправленное повышение скорости ДС, приведены на рис.7. Видно, что и в этом случае кривая V (H_пл) сильно несимметрична относительно оси ординат. Вращение намагниченности начинается при H_пл = - 1800 Э и H_пл = 260 Э.

Несимметричность кривых на рис.6 и рис.7 свидетельствует о том, что ни направление, для которого скорость ДС при H_пл = 0 максимальна, ни перпендикулярное к нему направление не совпадают с направлением плоскостной компоненты суммарного эффективного поля анизотропии. Из кривых на рис.1 можно сделать вывод, что суммарное эффективное поле анизотропии в плоскости пленки направлено под углом j = 53 ⁰ (233 ⁰), поскольку при таком j значение H_см* обращается в нуль.

Зависимости минимального и максимального значений скорости ДС от H_пл для j = 53⁰ приведена на рис.8. Видно, что кривые V(H_пл) практически симметричны относительно оси ординат, смена направления однонаправленного повышения скорости ДС происходит при очень малых значениях H_пл, а пороговые поля вращения намагниченности для противоположных направлений H_пл практически совпадают. При -200 Э < H_пл < 200 Э наблюдаются одностороннее повышение скорости ДС и формирование искажений на ограниченных участках ДС.

Рис.7. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2, 3) скоростей участков ДС ДОН от планарного магнитного поля Н_пл, приложенного перпендикулярно направлению, где имеет место однонаправленное повышение скорости ДС при Н_пл = 0, в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец № 7 в таблице) при перемагничивающем поле Н = 160 Э.

Рис.8. Зависимости минимальной V_мин (1) и максимальной V_макс (2,3) скоростей участков ДС ДОН от планарного магнитного поля Н_пл для азимутального угла j = 53 ⁰ (рис.1) в МПФГ (Bi,Y,Lu,Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец № 7 в таблице) при перемагничивающем поле Н = 160 Э.

Рис.9. Азимутальные зависимости порогового поля вращения намагниченности H_вр в МПФГ (Bi,Y,Lu, Pr)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210) (образец № 7 в таблице) при приложении планарного магнитного поля H_пл, Э: 0 (1), 100 (2) и 600 (3).

Основные особенности динамики ДС в Bi-содержащих МПФГ с ориентацией (210) находят объяснение в рамках спин-волнового механизма, если учесть анизотропию:

- порогового поля излучения СВ;

- анизотропию безразмерного параметра затухания.

Литература

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

2. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сажин Ю.Н. Импульсное перемагничивание эпитаксиальных пленок (Y,Lu,Pr,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ромбической анизотропией. Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, № 12, с. 68-72.

3. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сажин Ю.Н. Динамические домены в пленках (Y,Lu,Pr,Bi)₃(Fe,Ga)₅O₁₂ с ориентацией (210). ФТТ, 1990, т. 32, № 5, с. 1456-1460.

4. В.В.Рандошкин. Особенности проявления спин-волнового механизма движения доменных стенок в пленках ферритов-гранатов с ромбической магнитной анизотропией. ФТТ, 1997, т. 39, № 8, с. 1421-1427.

5. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. О механизме зарождения микродоменов вблизи движущейся доменной стенки. ФТТ, 1986, т. 28, № 5, с. 1522-1525.

6. Логунов М.В., Рандошкин В.В, Сигачев В.Б. Динамические доменные структуры при импульсном перемагничивании монокристаллических пленок феррит-гранатов. ФТТ, 1987, т. 29, № 8, с. 2247-2254.

7. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Динамика доменных стенок в тулий-содержащих пленках вблизи точки компенсации момента импульса. ФТТ, 1990, т. 32, № 1, с. 246-253.

8. Рандошкин В.В. Особенности движения доменных стенок с излучением спиновых волн. ФТТ, 1995, т. 37, № 10, с. 3056-3073

9. Рандошкин В.В., Сигачев В.Б., Чани В.И., Червоненкис А.Я. Динамика доменны стенок в пленках (Y,Lu)₁Bi₂(Fe,Ga)₅O₁₂ с орторомбической анизотропией. ФТТ, 1989, т. 31, № 7, с. 70-76.

10. Рандошкин В.В. Метод измерения скорости доменных стенок в пленках феррит-гранатов, ПТЭ, 1995, № 2, с.155-161.

11. Логунов М.В., Рандошкин В.В., Сигачев В.Б. Универсальная установка для исследования динамических свойств ЦМД-материалов. ПТЭ, 1985, № 5, с. 247-248.

12. Hubert A., Malozemoff A.P., De Luca J.C. Effect of cubic. tilted uniaxial, and orthorhombic anisotropies on homogeneous nucleation in a garnet bubble films. J. Appl. Phys., 1974, vol. 45, N 8, p. 3562-3571.

13. Ходенков Г.Е. Излучение спиновых волн при движении блоховской доменной границы в ферромагнетиках с большой константой анизотропии. ФММ, 1975, т. 39, № 3, с. 466-467.

14. Иванов Ю.В. Динамика доменной границы в спин-волновом приближении. ЖЭТФ, 1981, т. 81, № 2, с. 612-626.