🗊Презентация Свойство тонких ферромагнитных плёнок и их использование в элементах

Свойство тонких ферромагнитных плёнок и их использование в элементах

Метод термического испарения в вакууме Метод термического испарения в вакууме Этот метод заключается в испарен металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложка). 1)Сплав или металл, который должен быть осаждён на подложку(1) . 2) Сплав помещают на испаритель(2) ( имеет форму лодочки). 3)Через него пропускают электрический ток, пока он не приобретёт достаточную температуру, при которой исходный материал начнёт плавиться. Пары от расплавленного металла в виде атомарного пучка, распространяются от лодочки, попадают на подложку и осаждаются на её поверхности, образуя слой в виде тонкой плёнки. 4)Если подложку предварительно поместить на пластинку (маску) с отверстиями (3), Например круглыми, то в процессе конденсации на подложке образуется плёнки, имеющие форму в виде круглых пятен, то есть в соответствии с формой отверстий в маске (3) 5)Этот прибор помещают в вакуумную камеру (6) т.к необходимо, чтобы атомы металла не сталкивались с молекулами остаточного газа при движении к подложке, то есть их траектория должна быть прямолинейна.

Данный метод позволяет получать плёнки разной толщен. В зависимости от температуры могут реализоваться различные механизмы конденсации, которые в большей степени определяют структурное состояние и магнитные свойства плёнок. В частности при повышении температуры подложки от 200 до 500°C наблюдается заметное изменение магнитной проницаемости и величины внешнего магнитного поля Hs, в котором происходит насыщение ферромагнитной среды

Магнитные свойства тонких плёнок Магнитные свойства тонких плёнок Магнитная анизотропия Рассмотрим поликристаллические плёнки полученные из ферромагнетиков (железо, никель, кобальт) и их сплавов. Физические свойства плёнки могут существенно отличаться от свойств этого вещества в обычном(массивном) состоянии.

Следует отметить, что плёнки можно рассматривать как образцы обладающие двумерной геометрией, то есть малым отношением толщены плёнки d к её линейным размерам Следует отметить, что плёнки можно рассматривать как образцы обладающие двумерной геометрией, то есть малым отношением толщены плёнки d к её линейным размерам Возьмём диаметр круглой плёнки D = 1 мм, А толщину d = 100 нм () Отношение будет равно = При такой геометрической форме образца энергитически выгодным становиться состояние плёнки, при котором векторы намагниченности при отсутствии внешнего магнитного поля лежат в плоскости пленки

Благодаря этому для намагничивания плёнки в её плоскости необходимо приложить магнитное поле, значение напряжённости которого значительно меньше, чем для случая, когда плёнка намагничивается по нормали к её плоскости То есть процесс намагничивания тонких пленок существенно зависит от направления, в котором приложено внешнее магнитное поле. Таким образом, специфика геометрической формы пленок приводит к образованию анизотропии формы. При этом все направления в плоскости пленок эквивалентны (пленка обладает плоскостной магнитной анизотропией). В пленках наряду с анизотропией формы существуют и другие виды анизотропии, создание которых обусловлено рядом причин. Если к пленке в процессе ее формирования приложить магнитное поле, то в ней возникает одноосная магнитная анизотропия. В плоскости поликристаллической пленки, например имеющей форму круглого пятна, становится энергетически выгодной не любая ориентация векторов намагниченности, а только такая, при которой намагниченность пленки направлена вдоль одного преимущественного направления. Ось, совпадающая с этим направлением, называется осью легкого намагничивания (ОЛН).

При этом векторы намагниченности M могут ориентироваться вдоль ОЛН как в одном, так и в противоположном направлении. Оба эти направления являются одинаково устойчивыми. ОЛН, как правило, совпадает с направлением намагниченности пленки, которое определяется ориентацией внешнего магнитного поля, приложенного в процессе формирования пленки. На анизотропию влияют различные факторы: кристаллическая структура пленки, упругие напряжения, преимущественная ориентация пар атомов определенного сорта в сплаве, например пар атомов железа в железоникелевом сплаве.

При отклонении магнитного момента намагниченной пленки от ОЛН ее энергия возрастает. Изменение энергии Е пленки при отклонении намагниченности от ОЛН. где Е – энергия анизотропии, Ku – среднее значение константы анизотропии, ϕ – угол между направлением намагниченности и ОЛН, V – объем пленки.

Ось, перпендикулярная ОЛН (ϕ = 90°), называется осью трудного намагничивания (ОТН) Ось, перпендикулярная ОЛН (ϕ = 90°), называется осью трудного намагничивания (ОТН) Анизотропия является важнейшим свойством ферромагнитных материалов и оказывает существенное влияние на процессы перемагничивания, коэрцитивную силу и другие физические характеристики пленок. В пленках при некоторых условиях (наличие ориентированных упругих напряжений, столбчатой структуры и др.) может сформироваться ОЛН, направленная перпендикулярно к ее плоскости. Анизотропия таких пленок называется перпендикулярной. Пленки с перпендикулярной анизотропией могут использоваться в запоминающих устройствах с вертикальным способом записи. В этом случае локальные участки пленки, выполняющей роль рабочего слоя магнитного носителя, перемагничиваются не в ее плоскости, а в направлении, перпендикулярном к поверхности носителя.

Последовательность таких локальных участков малого размера представляет записанную цифровую информацию. Ориентация намагниченности по нормали к плоскости пленки обеспечивает малые размеры перемагниченных участков и, следовательно, высокую информационную емкость магнитных носителей. Таким образом, в пленках могут возникнуть различные виды анизотропии, которые существенно влияют на процессы перемагничивания тонкопленочных образцов

Доменная структура тонких ферримагнитных плёнок Доменная структура тонких ферримагнитных плёнок Ферромагнитные образцы состоят из большого числа намагниченных до насыщения областей, векторы намагниченности в которых направлены в разные стороны. Если векторы намагниченности доменов ориентированы хаотически, то их векторная сумма будет равна нулю. Это состояние образца называется размагниченным. Такой ферромагнетик при отсутствии внешнего магнитного поля будет казаться ненамагниченным, хотя отдельные области самопроизвольной намагниченности сохраняются. При переходе от одного домена к соседнему происходит изменение направления намагниченности. Оно осуществляется не скачком, а постепенно, в пределах некоторого промежуточного слоя определенной ширины. Слой между соседними доменами называется доменной границей (ДГ) или стенкой. В зависимости от толщины пленок в них встречаются разные типы ДГ. На рис. 2 показано распределение векторов намагниченности в границах, которые наблюдаются в пленках толщиной более 100 нм и массивных монокристаллах, где имеются антипараллельные домены.

Такая модель границы была предложена Блохом. В блоховской границе происходит постепенный поворот векторов M в плоскостях, параллельных плоскости доменной границы, пока направление намагниченности не изменится на противоположное. При этом в M границе возникают отличные от нуля проекции M на нормаль к плоскости пленки (рис. 2). В центральной части ДГ вектор M оказывается направленным перпендикулярно к поверхности пленки. В результате на пересечении ДГ с поверхностью пленки возникают магнитные поля. При уменьшении толщины пленок энергия этих полей, а соответственно и полная энергия блоховских границ возрастает. Такая модель границы была предложена Блохом. В блоховской границе происходит постепенный поворот векторов M в плоскостях, параллельных плоскости доменной границы, пока направление намагниченности не изменится на противоположное. При этом в M границе возникают отличные от нуля проекции M на нормаль к плоскости пленки (рис. 2). В центральной части ДГ вектор M оказывается направленным перпендикулярно к поверхности пленки. В результате на пересечении ДГ с поверхностью пленки возникают магнитные поля. При уменьшении толщины пленок энергия этих полей, а соответственно и полная энергия блоховских границ возрастает.

Рассмотрим причины образования доменов в ферромагнетиках. Пусть имеется анизотропный ферромагнитный образец, намагниченный вдоль ОЛН (рис. 3, а). В этом состоянии он представляет собой постоянный магнит с двумя полюсами и является источником магнитного поля в окружающем пространстве. Это поле обладает достаточно большой энергией. Значит, намагниченное состояние образца является энергетически невыгодным. Поэтому система образец–магнитостатическое поле стремится перейти в состояние с меньшей энергией. Это может осуществиться, если образец разбить на отдельные домены (рис. 3, б). В соседних доменах векторы намагниченности будут иметь противоположные направления, так что в целом тело окажется размагниченным. Рассмотрим причины образования доменов в ферромагнетиках. Пусть имеется анизотропный ферромагнитный образец, намагниченный вдоль ОЛН (рис. 3, а). В этом состоянии он представляет собой постоянный магнит с двумя полюсами и является источником магнитного поля в окружающем пространстве. Это поле обладает достаточно большой энергией. Значит, намагниченное состояние образца является энергетически невыгодным. Поэтому система образец–магнитостатическое поле стремится перейти в состояние с меньшей энергией. Это может осуществиться, если образец разбить на отдельные домены (рис. 3, б). В соседних доменах векторы намагниченности будут иметь противоположные направления, так что в целом тело окажется размагниченным.

В этом случае магнитные потоки соседних доменов замыкаются. В результате магнитное поле убывает при удалении от поверхности образца быстрее, чем в случае, показанном на рис. 3, а, и энергия магнитного поля оказывается меньше . Ферромагнетик переходит в более устойчивое состояние. Энергия магнитного поля пропорциональна ширине доменов : В этом случае магнитные потоки соседних доменов замыкаются. В результате магнитное поле убывает при удалении от поверхности образца быстрее, чем в случае, показанном на рис. 3, а, и энергия магнитного поля оказывается меньше . Ферромагнетик переходит в более устойчивое состояние. Энергия магнитного поля пропорциональна ширине доменов : , где Eм – энергия магнитного поля ферромагнетика, Ms – намагниченность насыщения, b – ширина домена, S – площадь поверхности, перпендикулярной ОЛН образца. Как следует из (4), чем уже домен, ´ тем меньше энергия ферромагнетика, то есть разбиение ферромагнетика на большое число доменов энергетически выгодно. Однако процесс деления на домены не может продолжаться беспредельно, так как при этом возрастает число доменных границ, а следовательно, увеличивается их полная энергия Е . Поэтому ферромагнетик разбивается на такое число доменов, при котором сумма двух энергий Eм и Е минимальна.