Магнитная пленка. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитная пленка - слой магн. вещества (обычно ферро- или ферримагнетика) толщиной от долей нанометра до неск. микрометров с рядом особенностей атомно-кристаллич. структуры, магн., электрич. и др. физических свойств, отличающих плёнку от массивных магнетиков.

М. п.- удобный объект исследования свойств твёрдого тела (в т. ч. магнетизма), а также важный материал совр. техники (интегральной электроники, СВЧ-техни-ки и др. отраслей).

Плёнки получают электролитич. осаждением металлов и сплавов, вакуумным испарением и конденсацией вещества на подложке, катодным распылением мишени, выращиванием из раствора-расплава, методами газотранспортных реакций и др. методами.

Структура и свойства плёнок в сильной степени зависят от температуры испарения материала и температуры подложки, степени вакуума, чистоты подложки, скорости конденсации и угла падения молекулярного (атомного) пучка на подложку. В частности, состояние и чистота поверхности подложки определяют адгезию и прочность М. п.

При большом переохлаждении и пересыщении твёрдого раствора в М. п. возникают фазовая, структурная и субструктурная неравновесности: реализуются мета-стабильные состояния (см. Аморфные магнетики, Металлические стёкла), высокотемпературные модификации и фазы, сильно пересыщенные растворы, создаются большие макро- и микронапряжения (деформации), в поликристаллич. плёнках возникает очень высокая дисперсность кристаллитов и блоков, сильная разорнентация блоков, избыточная концентрация дефектов решётки (вакансий, дислокаций и др.). Большое влияние на свойства плёнок оказывают разномасштабные поры. Монокристаллич. плёнки с совершенной структурой получают выращиванием на монокристаллич. подложках с решёткой близкого структурного типа и с близкими значениями параметра решётки (молекуляр-но-лучевая эпитаксия ,газофазная, жидкофазная эпитаксия и др.).

При исследованиях М. п. из-за малого объёма магн. вещества обычно приходится применять высокочувствит. приборы и методы [феррозонд ,вибрац. магнитометр, магнитометр на эффекте Джозефсона (см. Сквид ),торсионный анизометр, методы магнитного резонанса на СВЧ и др.]. В то же время малая толщина М. п., их прозрачность или зеркальная поверхность позволяют применять для исследования плёнок оптич. и магнитооптич. методы (основанные на Керра эффекте и Фарадея эффекте), эллипсометрию, а также методы просвечивающей электронной микроскопии, обладающие высоким пространств. разрешением.

Принципиальным вопросом физики тонких плёнок является изучение т. н. размерных эффектов (изменение физ. свойств при уменьшении толщины плёнок по сравнению со свойствами массивного магнетика). Изучение температурной зависимости спонтанной намагниченности M_s сверхтонких М. п. позволяет проверять квантовую теорию обменного взаимодействия электронов в двумерных атомных решётках, выявлять поверхностный магнетизм, поверхностную магн. анизотропию. Прямое и косвенное обменное взаимодействие электронов изучается на специально приготовленных плёнках с "модулированной" атомной структурой (система чередующихся магн. и немагн. слоев толщиной в один или неск. нанометров).

Эксперименты показали, что заметное уменьшение М_sнаступает лишь в М. п. толщиной менее десятка атомных слоев (

нм) и у этих же плёнок обнаруживается век-рое снижение температуры Кюри. С области низких температур Т наблюдается переход от известного Блоха закона , выполняющегося для толстых ферромагн. плёнок, к почти линейному спаду намагниченности с температурой в сверхтонких М. п. Правда, такие "олигатомные" плёнки чаще всего уже не являются однородными, а имеют островковую структуру.

Спонтанная намагниченность M_s М. п. определяется не только хим. составом, но и фазовым состоянием конденсата, зависящим от условий осаждения.

Фундам. свойством М. п. является магнитная анизотропия ,характеризуемая типом симметрии, ориентацией осей лёгкого намагничивания, энергетич. константами или напряжённостью Н_А эффективного поля анизотропии. Наряду с магнитостатич. анизотропией формы и естеств. кристаллографич. магн. анизотропией в монокристаллич. М. п., в текстурированных поликри-сталлич. плёнках (Со, MnBi и др.) может существовать значит. наведённая анизотропия разл. природы: магнитоупругая (магнитострикционная) анизотропия; анизотропия направленного упорядочения атомов, осуществляющегося в процессе роста и термообработки М. п.; анизотропия направленного роста зёрен; ориентация вытянутых пор; анизотропия распределения магн. и немагн. примесей по границам зёрен и др. При осаждении плёнок после термич. испарения в вакууме в М. п. возникает анизотропия, вызванная наклонным падением атомов на подложку с образованием цепочек кристаллитов (механизм самозатенения), с наклонной столбчатой структурой. При эпитаксиальном росте М. п. из жидкой фазы со сложным ионным составом, напр. плёнок редкоземельных ферритов-гранатов, возникает ростовая анизотропия, обусловленная избират. осаждением разл. ионов в "открытые" додекаэдрич. позиции определённой плоскости роста.

Результирующая анизотропия определяет тип магнитной доменной структуры и характер процессов намагничивания М. п. В плёнках с преобладающей анизотропией формы (фактор качества

) спонтанная намагниченность лежит в плоскости образца, и в этом случае образуются вытянутые т. н. плоские магн. домены (ПМД). Осн. процессом перемагничивания таких М. п. вдоль оси лёгкого намагничивания является движение доменных стенок, наблюдается прямоугольная петля гистерезиса с коэрцитивной силой Н_с, равной полю старта необратимого смещения стенок (границ).

В плёнках с преобладающей перпендикулярной анизотропией (фактор качества

) ось лёгкого намагничивания (ОЛН) ориентирована по нормали к поверхности. В таких М. п. образуются круглые цилиндрические магнитные домены (ЦМД), плотная полосовая или лабиринтная доменная структура. В чистых, практически бездефектных плёнках петля гистерезиса очень узкая (

) и наклонённая. В определённом интервале значений внеш. поля H, приложенного вдоль ОЛН, наблюдаются равновесные ЦМД, к-рые легко передвигаются по плёнке под действием неоднородного магн. поля. Эти подвижные ЦМД в феррит-гранатовых М. п. используются в качестве носителей информации в магн. запоминающих устройствах (ЗУ).

К концу 1980-х годов достигнут значит. прогресс в эксперим. и теоретич исследовании М. п.- их магн. микроструктуры, статики и динамики доменной структуры и структуры междоменных стенок. Обнаружено сильное влияние тонкой структуры стенок ("скрученности", наличия в них т. н. Блоха линий и Блоха точек)на их поведение в импульсном и высокочастотном магн. поле. Присутствие линий Блоха, разделяющих разнопо-лярные участки стенки, во-первых, заметно снижает подвижность стенки из-за дополнит. рассеяния эл--магн. энергии, а во-вторых, вызывает рост эффективной массы "жёсткой" стенки вследствие накопления кинетич. энергии в линиях Блоха, перемещающихся вдоль движущейся стенки (см. Доменной стенки динамика ).Разрабатываются запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записанной информации, в к-рых битом является пара вертикальных линий Блоха, продвигающаяся вдоль замкнутой стенки полосового домена в феррит-гранатовых плёнках.

Тонкие М. п. нашли широкое применение в вычислит. технике и автоматике, в оптоэлектронике и интегр. оптике. На базе М. п. возникла новая отрасль науки и техники - магн. микроэлектроника. Плёночная (интегральная) технология позволяет решать актуальные задачи микроминиатюризации элементной базы и схемотехники ЭВМ.

М. п. пришли на смену таких дискретных магн. элементов логич. и запоминающих устройств, как ферритовые сердечники, трансфлюкторы и пластины с отверстиями. Вместо них было предложено использовать матрицы из пермаллоевых пятен толщиной ~100 нм или цилиндрич. М. п. (бронзовые проволоки, покрытые слоем пермаллоя толщиной ок. 1 мкм) с кольцевыми замкнутыми по окружности магн. доменами.

Созданы т. н. доменные ЗУ, в к-рых элементом памяти является магн. домен с определённой поляризацией спонтанной намагниченности. К ним относятся: устройства на плоских магн. доменах, продвигающихся в низкокоэрцитивных каналах; ЗУ на подвижных ЦМД диаметром ок. 1 мкм, на решётках ЦМД. Помимо записи, продвижения, хранения и считывания цифровой информации доменные устройства на М. п. обеспечивают производство осн. логич. операций (т. е. обработку информации). Твердотельные ЗУ на ЦМД обладают высокой надёжностью, компактностью, энергонезависимостью и малой чувствительностью к неблагоприятным внеш. воздействиям. Огромная информац. плотность и ёмкость ЦМД-микросхем делает их конкурентоспособными с ЗУ на магн. дисках и барабанах.

Др. перспективное направление развития информационно-вычислит. систем состоит в разработке магнитооптич. памяти на М. п. (магнитооптич. диски). Это направление предполагает использование лазеров, записи информации термомагн. способом, а считывание - с помощью магнитооптич. эффектов Керра или Фарадея. В качестве реверсивной среды - носителя информации служат М. п. из соединений типа TR (Т - переходный металл, В - редкоземельный элемент), обеспечивающие высокую плотность записи (

бит/см²) и надёжное магнитооптич. считывание. Плёнки с высокой магнитооптич. добротностью (напр., Bi-содержащие феррит-гранатовые плёнки) используются в оптич. дефлекторах и модуляторах, вентильных и переключат. устройствах волоконно-оптич. линий связи.

Магнитно-мягкие (пермаллоевые) плёнки используются при создании магнитопроводов, полюсных наконечников с узким зазором в многоканальных интегр. магн. головках для записи и индукц. считывания информации, для магниторезистивного считывания.

В СВЧ-технике М. п. применяются в виде фильтров поглощения и пропускания, фазовращателей и вентилей в интегр. исполнении. В этих устройствах используются такие явления, как ферромагн. резонанс, спин-волновые эффекты и магнитоакустич. колебания.

Литература по магнитным пленкам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.