Магнитоупругое взаимодействие и доменная структура ферромагнитных пластинок с наклонной анизотропией

Присутствие взаимодействий обменного характера, спин-орбитального, диполь-дипольного, упругого и магитоупругого типов при конденсировании сред приводит к возникновению магнитноупорядоченных кристаллов. В зависимости от знака параметра обменного взаимодействия они разбиваются на ферро- (ферри-), антиферромагнетики. При этом спин-орбитальные и диполь-дипольные взаимодействия обуславливают в упорядоченном расположении магнитных моментов частиц вещества (атомов, ионов) анизотропный характер.

Спин-орбитальное взаимодействие определяет ориентацию спина магнитного атома относительно орбитального момента, ориентация которого определяется симметрией ближайшего к магнитному атому кристаллографического окружения. Диполь-дипольное взаимодействие — к зависимости от конкретной магнитной симметрии. Таким образом, энергия релятивистских взаимодействий зависит от ориентации атомного магнитных моментов относительно кристаллографических направлений. И в ферромагнетиках их анизотропный характер проявляется в наличии оси легкого намагничивания вдоль которых магнитное насыщение достигается при малых внешних полях. При этом мерой магнитной анизотропии служит плотность энергии, которая для n-подрешеточного магнитного кристалла имеет вид ряда по четным степеням компонент вектора намагниченности магнитных подрешеток М-.

Ввиду относительной малости энергий релятивистских взаимодействий по сравнению с обменной энергией члены ряда быстро убывают с увеличением степени М. Коэффициенты разложения в ряд называются константами анизотропии. При этом OJ1H характеризуется тензорами констант анизотропии, которые определяются кристаллографической и магнитной симметрией.

Упругая и магнитоупругая энергии (влияние магнитоупругого взаимодействия в широком смысле слова — магнитострикция) определяются симметрией кристалла и выражают зависимость энергии магнитного взаимодействия (релятивистского) от ориентации М в кристалле, от компонент тензора упругих деформаций решетки и от внешних упругих напряжений. При возможных изменениях ориентации М в кристалле изменяются равновесные расстояния между узлами решетки. Поэтому возникают самопроизвольные магнитострикционные деформации [1−3]. В работе [1] этот вопрос рассматривается воедино как свободная энергия магнитного состояния, приводящая к результирующим константам магнитной анизотропии, которые в монокристалле выявляют эффективную ОЛН[1,2].

При этом проблема магнитоупругого взаимодействия занимает важное место как с точки зрения изучения природы магнетизма, так и с точки зрения различных технических применений этого воздействия, и является одной из актуальных в настоящее время задач физики конденсированного состояния. На сегодняшний день наиболее плодотворными в решении этой проблемы при исследовании гамильтонианов, описывающих системы различного типа: феррои антиферромагнетики, кристаллические системы, системы сверхтекучих и сверхпроводящих состояний и т. п., оказались методы вторичного квантования и канонических преобразований Н. Н. Боголюбова [411]. Широко известный ныне метод приближенного вторичного квантования [6−8] и метод квазичастичных канонических преобразований Н. Н. Боголюбова, с помощью которых были выяснены важнейшие вопросы сверхтекучих и сверхпроводящих состояний [12−17], решают проблему определения энергетического спектра слабовозбужденных состояний и представляют важный инструмент при исследовании модельных задач [18, 19]. С помощью методов вторичного квантования и канонических преобразований Н. Н. Боголюбова теоретически был установлен эффект обменного усиления магнитоупругой связи при исследовании связанных магнитоупругих волн в одноосных двухподрешеточных антиферромагнетиках в работах М. А. Савченко [20] и М. Х. Харрасова и др. [21−27]. Также М. Х. Харрасовым развита теория динамических обменных взаимодействий в конденсированных средах на основе консептуальных положений и математических методов, сформулированных Н. Н. Боголюбовым при исследовании систем многих частиц, и построена последовательная теория спин-фононного, магнитоэлектрического и электронфононного взаимодействий в антиферромагнитных кристаллах типа перовскита с учетом их пространственной симметрии. Исследование основополагающих идей и статистических методов, развитых Н. Н. Боголюбовым при исследовании модельных гамильтонианов, в значительной степени определило прогресс статистической теории взаимодействующих многих частиц в последние годы [19]. Так, применительно к магнитоупорядоченным системам этот метод известен как метод спиновых волн. Точный гамильтониан системы в представлении вторичного квантования в этом случае заменяется модельным с помощью ортогонализации исходной системы атомных волновых функций (в одноэлектронной трактовке) с отбрасыванием высших порядков появляющихся «интегралов неортогональности» [7] и при фактическом вычислении учитывается лишь часть атомных волновых функций. Подобная аппроксимация может быть оправдана тем, что для низшей области спектра энергий всей системы наиболее существенный вклад вносят атомные волновые функции в низших незаполненных оболочках. «Фиктивное» предположение о соответствии фермиевским оператором модельного гамильтониана определенных классических величин и исследование задачи на минимум соответствующей классической формы позволяют найти эффективные замены переменных, которые впоследствии проводятся с уже явным учетом фермиевских коммутационных свойств квантовых операторов [6]. При этом оказывается, что новые операторы, являющиеся квадратичными относительно исходных фермиевских операторов, приближенно (с точностью до высших порядков «интегралов неортогональности») удовлетворяют бозевским перестановочным соотношениям. Применение канонических преобразований Н. Н. Боголюбова к полученной квадратичной форме новых приближенных бозе-операторов выделяет квазичастичные возбуждения и, тем самым, решает вопрос нахождения нижней части энергетического спектра.

Данный метод расчета энергетического спектра слабовозбужденных состояний был применен Н. Н. Боголюбовым к теории феррои антиферромагнетиков. Например, в случае ферромагнетика развитая методика привела к известным результатам теории спиновых волн Блоха, в которых возбужденные состояния электронов в ферромагнетике представляются в виде суперпозиции спиновых волн, распространяющихся по кристаллу [6, 8].

Хорошо известно, что в ферромагнитных монокристаллах между спинами и движением ионов кристаллической решетки существует связь, благодаря которой колебание спинов сопровождается колебаниями ионов, а колебания ионов — колебаниями спинов. Иными словами, спиновые волны в ферромагнетиках должны сопровождаться упругими волнами и упругие волны — спиновыми волнами [28−32]. Выражаясь более точно, можно сказать, что в магнитоупругих кристаллах должны распространяться не чисто магнитные и не чисто упругие, а связанные магнитоупругие волны [29, 33]. Однако связь между спиновыми и упругими волнами в общем случае достаточно мала и характерезуется безразмерным параметром ^ = (mq/ps2)i/2, где М0- магнитный момент единицы объема, рплотность вещества, sскорость звука, Но существуют такие ситуации, когда связь между магнитной и упругой подсистемами является определяющей. В условиях магнитоакустического резонанса, когда частоты и волновые векторы спиновой и звуковой волн совпадают, происходит перепутывание ветвей энергетического спектра ферромагнетика, а поправки к частотам оказываются пропорциональными Следовательно, связь между упругими и спиновыми волнами в ферромагнетике наиболее сильно проявляется в условиях магнитоакустического резонанса [3].

Магнитоупругое взаимодействие играет важную роль в формировании многих свойств магнитоупорядоченных кристаллов. Помимо известного и широко используемого магнитоакустического резонанса, можно говорить о существенном влиянии этого взаимодействия на процессы магнитной релаксации, квазистатического перемагничивания, нелинейную динамику магнетиков и т. п. 1, 3, 35].

Магнитоупругие волны представляют большой интерес для функциональной электроники, используются в линиях задержки, перестраиваемых резонаторах и фильтрах, фазовых модуляторах, анализаторах спектра и в других устройствах. Кроме того, исследование магнитоупругого взаимодействия позволяет изучать магнитные и упругие свойства магнетиков, а также изменение этих свойств в результате внешних воздействий и в результате магнитных переходов. Таким образом, благодаря широкой области применения магнитоупругих воздействий, исследование данной проблемы остается актуальным.

С практической точки зрения в настоящее время большой интерес приобретает исследование магнитоупругого взаимодействия в ферромагнитных образцах ограниченных размеров в виде стержней или тонких пластин. Как известно из экспериментальных работ [36−38], динамические магнитные и упругие свойства пластин могут существенно отличатся от таковых свойств безграничной среды. Форма дисперсионных кривых, а также их раздвижка в области взаимодействия волн существенно зависят от толщины пластины [36]. В частности, величина раздвижки дисперсионных кривых, в тонких пластинах может несколько раз превосходить соответствующую величину в безграничном образце [36,37].

К настоящему времени достаточно детально изучено магнитоупругое взаимодействие в ферромагнетиках с перпендикулярной осью легкого намагничивания (ОЛН) к поверхности образца. Исследования магнитоупругих волн проводились макроскопическими феноменологическими) и микроскопическими (вторичного квантования и канонических преобразований) методами. Как правило, магнитоупругое взаимодействие в таких ферромагнетиках характеризуется определенным значением магнитной щели, одним значением частоты магнитоупругого резонанса и параметром магнитоупругой связи [3,30,39]. Частоты магнитоупругого резонанса лежат в области ультра — и гиперзвука — в пределах Ю10 — 10° Гц, что немаловажно для создания генераторов гиперзвука. Результаты экспериментальной работы Моока (Н.А.Моок) и Пауля (D.McK.Paul) [40] по исследованию спин — волнового спектра Ni также утверждают, что если для направления [ЮО] наблюдается одно значение частоты магнитоупругого резонанса с определенной величиной магнитной щели, то для направления [ill] характерно отсутствие магнитоупругого взаимодействия.

С другой стороны, проблема ферромагнетизма занимает в современной науке заметное место как один из важных разделов физики твердого тела. Однако теория ферромагнетизма имеет и вполне самостоятельный интерес как физическая основа создания новых магнитных материалов [1−3]. Возможность использования магнитных пленок при конструировании новых устройств и приборов (запоминающие и логические элементы ЭВМ, дифракционные решетки, элементы СВЧ — устройств и т. д.) определила необходимость разрешения ряда проблем физики твердого тела и физики магнитных явлений. Поиск путей создания нужного вида доменных конфигураций в пленках с заданной совокупностью статических и динамических свойств привел к необходимости глубокого экспериментального и теоретического изучения их доменной структуры. В связи с этим в последние годы интенсивно изучаются магнитные свойства пленок, процессы их перемагничивания, выясняются условия возникновения анизотропии, стабильность доменных границ и доменной структуры и другие. Магнитное равновесие, тип и параметры доменной структуры в пленках, в основном, определяются магнитной анизотропией. В тонких пленках могут существовать различные типы анизотропии: в монокристаллических пленках существует обычная кристаллографическая анизотропия [1,2], в поликристаллических пленках — наведенная анизотропия, которая зависит от формы, текстуры кристаллов и процессов упорядочения при легировании [41]. В зависимости от ориентации оси легкого намагничивания относительно поверхности пленки их можно разделить на три группы: пленки, ось легкого намагничивания которых лежит в плоскости (плоскостная анизотропия) — пленки, одна из осей легкого намагничивания в которых образуют некоторый угол с поверхностно (наклонная анизотропия), пленки с перпендикулярной к поверхности осью легкого намагничивания (перпендикулярная анизотропия).

К настоящему времени экспериментально и теоретически более подробно изучены первая и третья группы пленок. Это обусловлено тем, что с пленками, обладающими плоскостной анизотропией, связано начало развития теории доменной структуры пленок, а третья группа интересна реализацией в них цилиндрических магнитных доменов. Такие пленки используются в качестве магнитной среды в запоминающих устройствах. В области теории доменных структур в ферромагнитных пленках первой и третьей групп достигнуты значительные успехи [42−52]. По изучению свойств пленок второй группы имеется значительное количество экспериментальных работ [41, 53−95], многие из которых связаны также с изучением пленок с перпендикулярной анизотропией. В них установлено сильное влияние на доменную структуру угла наклона оси легкого намагничивания. Кроме того, наличие наклона приводит:

— к многоступенчатым петлям гистерезиса;

— к изменению знака анизотропии;

— к повороту вектора намагничивания как целого от одного направления к другому и развороту доменных границ на 90°. При этом доменные границы также претерпевают определенные изменения;

— к немонотонному изменению ширины доменов (Ду) с ростом наклона;

— к изменению характеристик пленок с цилиндрическими магнитными доменами: диаметра, плотности доменов и их динамических свойств;

— к выстраиванию доменных границ параллельно проекции оси легкого намагничивания на плоскость при любой ориентации внешнего поля в ней;

— к многообразию типов реализуемых доменных структур независимо от состава и способа получения пленки: известны кроме полосовых, «сильные» полосовые, наклонные полосовые, кинжаловидные, сотовые, гексагональные типы доменных структур, наклонные цилиндрические магнитные домены (ЦМД) и наклонные ЦМД решеток различного типа;

— к изменению типа реализуемой доменной структуры в зависимости от угла наклона и температуры независимо от состава пленки: от обыкновенной вейссовской, характерной для малых углов, до полосовых, ЦМД и нерегулярной доменной структуры при больших углах. Аналогичные закономерности в изменении доменной структуры наблюдаются при уменьшении толщины и изменении температуры, хотя толщина пленки оказывает меньшее влияние на характер перестройки доменной структуры, чем температура. При этом ширина доменов своеобразно зависит от угла наклона оси легкого намагничивания.

Причем тенденция к образованию полосовой доменной структуры увеличивается при уменьшении отношения поля анизотропии к 47гМ5.

Исследования доменной структуры с наклонной осью легкого намагничивания из магнитоплюмбита, кососрезанных тонких слоев кобальта, косоосажденных пленок (Со, Ni, FeNi) и также контрольные эксперименты в эпитаксиальных пленках ферритов-гранатов с наклонной осью легкого намагничивания, отличной по направлению от <111> подтвердили, что их структура и субструктура не оказывают влияния на характер формирования и перестройки доменной структуры в них. Основной причиной характера формирования и перестройки доменной структуры является магнитная «одноосность» и значительное отклонение одной из оси легкого намагничивания от нормали к поверхности. Кроме того, результаты по измерению спин-волнового спектра Ni показали, что для направления <100> наблюдается магнитоупругое взаимодействие с одним значением частоты магнитоупругого взаимодействия, определенной величиной магнитоупругой щели и параметром магнитоупругой связи. Однако для направления <111> характерно отсутствие магнитоупругого взаимодействия в спектре, что также вызывает не меньший интерес с практической точки зрения.

Выше перечисленные экспериментальные результаты, в свою очередь, требуют разрешения ряда проблем физики конденсированного состояния и физики магнитных явлений.

Однако последовательные теоретические исследования магнитоупругого взаимодействия в многоосных ферромагнетиках с наклонной анизотропией и их доменной структуры, доменных границ, характера их перестройки с анализом магнитоупругого взаимодействия отсутствуют.

С другой стороны недостаточная изученность свойств доменной структуры и структуры доменных границ в пленках с наклонной осью легкого намагничивания является одной из причин, скрывающих сущность процессов перемагничивания [80−83, 85, 86, 91, 92].

Любое отклонение оси легкого намагничивания от нормали к поверхности приводит к изменению характеристик пленок с цилиндрическими магнитными доменами. В зависимости от угла наклона изменяются диаметр, плотность доменов, их динамические свойства, появляется наклон цилиндрических доменов [80, 83, 86, 91, 92].

Возможность использования сложной структуры доменных границ как носителя информации, также требует более детального исследования тонкой структуры доменных границ при отклонении одной из осей легкого намагничивания от нормали к пленке [2,45,96].

Изучение свойств доменной структуры, доменных границ и характера их изменения и перестройки в магнитных пленках с наклонной осью легкого намагничивания представляет также самостоятельный интерес для физики магнитных явлений, поскольку существующая в них ориентация оси легкого намагничивания является промежуточной. Таким образом, теоретическое исследование магнитоупругого взаимодействия и доменной структуры, доменных границ и характера их изменения в магнитно неодноосных пленках с наклонной анизотропией является весьма актуальным. Данная работа затрагивает ряд важных и интенсивно развивающихся областей физики твердого тела и конденсированного состояния: спектр магнитоупругих волн в ферромагнетиках, имеющих наклонную анизотропиюих магнитное состояние и доменную структуруориентационные фазовые переходы в них.

Целью работы является теоретическое исследование магнитоупругого взаимодействия и доменной структуры, доменных границ и характера их изменения и перестройки в магнитнонеодноосных пластинках (пленках) с наклонной анизотропией при изменении угла наклона одной из осей легкого намагничивания, толщины пленки, температурыизучить влияние внешних воздействий (внешних механических напряжений типа сжатия и растяжения и магнитного поля).

В работе ставились следующие задачи:

1. Исследовать магнитоупругое взаимодействие в многоосных ферромагнетиках с наклонной анизотропией с учетом угла наклона одной из осей легкого намагничивания (OJTH) относительно нормали к плоскости образца, толщины образца и плоскостной анизотропии: вывести дисперсионное уравнение, определяющее спектр магнитоупругих волн многоосных ферромагнетиков с наклонной анизотропией на основе методов вторичного квантования и канонических преобразований Н. Н. Боголюбова.

2. Выявить поведение связанных магнитоупругих волн в многоосных ферромагнитных массивных образцах (толстые пластинки), пластинках и пленках кубической и орторомбической симметрий в зависимости от угла наклона OJIH относительно нормали к плоскости образца с учетом плоскостной анизотропии. Исследовать влияние толщины образца на магнитоупругое взаимодействие в многоосных ферромагнетиках кубической симметрии с наклонной анизотропией. Установить зависимость магнитоупругого взаимодействия в многоосных ферромагнетиках кубической симметрии с наклонной анизотропией от типа плоскостной анизотропии. Исследовать характер перестройки вида спектра магнитоупругих волн при изменении температуры. Выявить влияние внешних факторов: напряжений и магнитного поля на вид спектра магнитоупругих волн многоосных ферромагнетиков кубической симметрии с наклонной анизотропией. Получить численные результаты характеристик, описывающие поведение спектра связанных магнитоупругих волн многоосных ферромагнетиков.

3. Рассмотреть ориентационные фазовые переходы в пластинках с наклонной анизотропией.

4. Получить теоретическое представление о доменной структуре магнитнонеодноосных ферромагнитных пластинок с наклонной анизотропией, учитывающее толщину, магнитострикцию (в том числе и спонтанную) и плоскостную анизотропию.

5. Определить область стабильности существующих типов доменных структур и доменных границ в зависимости от магнитных параметров пластинки при изменении угла наклона оси легкого намагничивания, температуры и внешних факторов (напряжение, магнитное поле) при различных толщинах.

6. Исследовать характер изменения и перестройки доменной структуры многоосных ферромагнетиков с наклонной анизотропией при изменении угла наклона одной из OJIH, температуры и толщины пластинки, также при воздействии внешних напряжений типа сжатия и растяжения и внешнего магнитного поля.

Научная новизна. Развита квантовая теория связанных магнитоупругих волн ферромагнетиков с произвольным расположением одной из ОЛН относительно нормали к плоскости пластинки. Результаты теоретических исследований магнитоупругого взаимодействия в многоосных ферромагнитных пластинках с наклонной анизотропией с помощью методов вторичного квантования и канонических преобразований Н. Н. Боголюбова позволили впервые выявить закономерность в изменении вида спектра магнитоупругих волн ориентационным фазовым переходом (ОФП), выражающаяся возникновением второго значения частоты магнитоупругого резонанса, появлением запрещенной зоны для спиновой волны, отсутствием магнитоупругого взаимодействия волн и эффектом мягкого рождения спиновой волны при изменении угла наклона одной из ОЛН, температуры и уменьшении толщины пленки независимо от вида магнитокристаллической решетки. Механизм возникновения этой закономерности — эффект спонтанной магнитострикции, впоследствии приводящий к отсутствию магнитоупругого взаимодействия волн зарождением доменной структуры (ДС) за счет магнитоупругой энергии и эффекту мягкого рождения спиновой волны распадом этой ДС. Кроме того, свой вклад вносят размагничивающий фактор пленки, плоскостная анизотропия и угол наклона OJIH. Экспериментально область отсутствия магнитоупругого взаимодействия обнаружена авторами Mook Н.А., McK Paul D.

Показана зависимость параметра магнитоупругой связи от толщины образцавыявлен диапазон возможных видов спектров магнитоупругих волн многоосных ферромагнитных массивных образцов, пластинок и пленок кубической симметрии с наклонной анизотропией, дающий системную основу для классификации экспериментальных данных в зависимости от магнитных параметров, толщины образца и угла наклона OJIH.

Показано впервые, что такая закономерность в изменении вида спектра магнитоупругих волн в рассматриваемых ферромагнетиках выявляется также при воздействии внешних напряжений типа сжатия и растяжения, внешнего магнитного поля и при изменении плоскостной анизотропии.

Проведено впервые последовательное исследование полосовой доменной структуры, доменных границ и характера их изменения и перестройки в магнитнонеодноосных ферромагнитных пленках с наклонной анизотропией с учетом толщины и магнитострикции, когда ось легкого намагничивания наклонной анизотропии образует острый угол с осью легкого намагничивания в плоскости и когда они ортогональны. Показано, что им свойственно существование устойчивых полосовых (вида Широбокова — кЛ ~ 1), отрицательных полосовых (Strip, O. SS^k^O.Ql), сильных полосовых (360° ДС) ДС (наблюдаемых экспериментально), и нестабильных, но наблюдаемых экспериментально, полосовых нерегулярной и регулярной периодичности (180°- 360° и вложенных друг в друга 180°- и чередующихся 180° и 360°), также и наклонных ДС.

Впервые проведена полная классификация возможных типов доменных границ. Установлена связь между периодом тонкой структуры в доменных границах и магнитными параметрами пленок, углом наклона оси легкого намагничивания и толщины пленки. Впервые изучены периодические границы Нееля, периодические наклонные границы и получено выражение критической толщины образования двойных доменных границ как функция от магнитных параметров пленок, угла наклона оси легкого намагничивания (имеет качественное согласие с экспериментом).

Определена впервые область существования доменной структуры нерегулярной периодичности, доменных структур с наклонными границами в зависимости от магнитных параметров, угла наклона оси легкого намагничивания, толщины пленки. Впервые показано, что изменение угла наклона оси легкого намагничивания, влияние внешних напряжений, температуры и магнитного поля в пленках могут привести к изменению в доменных структурах, сопровождающиеся поворотом доменных границ на 90°.

Исследованы ориентационные фазовые переходы в пленках с наклонной анизотропией, вызванные изменением угла наклона, температуры и толщины пластинки. Впервые показано, что эти ориентационные фазовые переходы в сильноанизотропных пленках протекают по типу фазовых переходов первого рода и характерным для этих пленок является наличие в областях метастабильности промежуточных ориентационных фазовых переходов по типу фазового перехода второго рода с образованием угловых фаз, нестабильных доменных структур при температурах, соответствующих фазовым переходам (имеет согласие с экспериментом). Ориентационные фазовые переходы в слабоанизотропных пленках протекают по типу ФП второго рода. Определены области существования фазовых переходов с поворотом плоскости переориентации намагниченности на 90° (имеет качественное соответствие с экспериментом).

Научная ценность работы. Впервые построена теоретическая основа исследования магнитоупругого взаимодействия в многоосных ферромагнетиках с наклонной анизотропией и выяснены механизмы эффективного управления упругими и магнитными свойствами этих материалов, что имеет важное значение при создании новых функциональных элементов современной микроэлектроники. Показана зависимость параметра магнитоупругой связи от геометрических размеров образца.

Впервые показано, что в пленках с наклонной анизотропией реализуется многообразие полосовых доменных структур (стабильных 7 фаз), доменных границ и определены условия их существования. Проведено последовательное теоретическое исследование влияния на вид доменной структуры, на тип и структуру доменных границ и на перестройку доменной структуры угла наклона одной из осей легкого намагничивания, температуры, толщины, внешних напряжений и внешнего магнитного поля в плоскости параллельно эффективной OJIH. Полученные результаты позволяют провести прогноз качества магнитных пленок. Впервые изучены ориентационные фазовые переходы в этих пленках и выяснен характер протекания ориентационных фазовых переходов в зависимости от магнитных параметров и толщины пленки и их связь с магнитоупругим взаимодействием.

На основе строгой теории микромагнетизма с учетом энергии обменного взаимодействия, наклонной и плоскостной анизотропий, энергии магнитостатики, упругой и магнитоупругой энергий впервые показано, что наиболее важные параметры ДС, условия ее формирования, а также тип формирующейся ДС и характер протекания ориентационных фазовых переходов в рассматриваемых ферромагнетиках однозначно определяются конечным числом очень простых характеристических функций, выражающихся только через фундаментальные характеристики материала, и их соотношениями. Они играют роль констант эффективной анизотропии.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных по изучению магнитоупругого взаимодействия в многоосных ферромагнетиках с произвольной OJTH. Построена теоретическая основа исследования магнитоупругого взаимодействия в многоосных ферромагнетиках с наклонной анизотропией. Выяснены механизмы эффективного управления упругими и магнитными свойствами этих материалов, что имеет важное значение при создании новых функциональных элементов современной микроэлектроники.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке новых запоминающих приборов и устройств на магнитной основе, то есть на доменах и доменных границах и при создании магнитострикционных преобразователей.

Привлекая экспериментальные данные по зависимости констант от толщины, угла наклона, температуры и внешних условий, удается целостно с единой точки зрения объяснить имеющийся богатый экспериментальный материал по изменению ДС, включая ее кардинальные перестройки на широком классе магнитных материалов. В том числе кардинальное изменение законов дисперсии квазичастиц, что в свою очередь приводит к появлению новых физических свойств, существенно отличающихся от свойств массивных образцов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложена и обоснована модель многоосного ферромагнетика с наклонной анизотропией с учетом квантового характера кооперативного явления ферромагнетизма.

2. Качественный характер формирования и перестройки вида спектра связанных магнитоупругих волн многоосных ферромагнетиков с наклонной анизотропией не зависит от типа симметрии кристаллической решетки (орторомбической, кубической) и протекает одинаково при изменении углах наклона оси легкого намагничивания |/ (0<7t/2) относительно нормали к плоскости образца, его толщины D (IOOOOa-7-IOI а), температуры Т (20 С0 -г- 500 С0) и определяется величиной, а также знаком полученных в работе эффективных констант анизотропии (для орторомбической их три, для кубической тоже три, но другие), представляющих параметры модели.

3. Получены значения параметров модели, при которых возникает вторая резонансная частота, запрещенная зона для спиновой волны, область отсутствия магнитоупругого взаимодействия и эффект мягкого рождения спиновой волны, а также предъявлен механизм возникновения запрещенной зоны, исчезновения связанной магнитоупругой волны и эффекта мягкого рождения спиновой волны (имеется согласие с экспериментом).

4. Выявлено, что расстояние между дисперсионной фононной кривой и магнонной (раздвижка) увеличивается с уменьшением толщины образца (согласуется с экспериментом).

5. Указаны границы в пространстве параметров при пересечении которых происходит фазовый переход первого рода, а также значения параметров для переходов второго рода, выявляющий выше рассмотренный спектр магнитоупругих волн при изменении угла наклона, температуры и толщины (согласуется с экспериментом).

6. Установлено каким образом меняется доменная структура (в том числе виды доменной структуры), структура и ориентация (появляется две ориентации относительно проекции наклонной оси легкого намагничивания на плоскость образца) доменных границ (типы доменных границ, их периодическая тонкая структура и наклон в том числе) в зависимости от полученных в модели эффективных констант (качественно согласуется с экспериментом).

7. Результаты п. 3−6 имеют место при воздействии на образец внешних механических напряжений (типа сжатия и растяжения) в предположении, что результирующая эффективная и индуцированная анизотропии связаны неравенством Кэфф^, а также в слабых магнитных полях, меньших чем эффективное магнитное поле образца (Нэфф > Н) (имеет качественное соответствие с экспериментом).

Работа проводилась в рамках выполнения научно-исследовательских работ кафедры теоретической физики БашГУ «Изучение физических свойств ферро-антиферромагнетиков с магнитными неоднородностями», государственный регистрационный номер 79 017 328, Федеральной целевой программы «Интеграция» по проекту «Создание и развитие совместного центра «Математическое моделирование и физика нелинейных процессов в конденсированных средах» БашГУ — ИФМК УНЦ РАН, per. № 676 и А0002 (1997;2001 гг.), программы № 5 АН РБ «Фундаментальные проблемы физики, математики и механики: эксперимент, теория, математическое моделирование» по теме № 1.2.5 «Структурные свойства, динамические и статические характеристики кристаллических структур» (1996;1998 гг.), программы № 6 АН РБ «Физико-математические основы наукоемких технологий РБ по теме № 99−1.4 «Теоретическое исследование материалов для микроэлектроники (1999;2001 гг.), Инициативной программы Минобразования РФ по теме № 01.2001 № 14 351 «Математические методы статистической физики, исследование спектра спин-фононного взаимодействия в конденсированных средах и композиционных материалах» (2001;2005 гг.) кафедры РФС БашГУ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предложенная нами модельная теория многоосного ферромагнетика с наклонной анизотропией с учетом квантового характера кооперативного явления ферромагнетизма, выведенное дисперсионное уравнение, определяющее спектр магнитоупругих волн многоосных ферромагнетиков с наклонной анизотропией с помощью методов вторичного квантования и канонических преобразований Н. Н. Боголюбова и созданная на основе строгой теории микромагнетизма теория их полосовой доменной структуры привели к следующим выводам:

1. Установлено, что характер формирования и перестройки вида спектра магнитоупругих волн многоосных ферромагнетиков с наклонной анизотропией не зависит от типа кристаллической решетки и протекает качественно одинаково при изменениях угла наклона ОЛН относительно нормали к плоскости образца, толщины образца и температурыпричем, характер формирования и перестройки вида спектра магнитоупругих волн определяется знаком и величиной определенных эффективных констант анизотропии (орторомбических — их три, кубических также три, но другие), представляющие параметры модели поставленной задачи, описывающие ориентационный фазовый переход. Например, для ферромагнетиков t кубической симметрии: mx (y/, l, D), mx (y/, T, D), C (j/, T, D) и их отношением К (цг, Т, Т>), содержащих в себе все магнитные параметры, толщину образца, угол наклона ОЛН и играющих роль эффективных констант анизотропии.

2. Наличие угла наклона ОЛН относительно нормали к плоскости образца независимо от толщины образца выявляет в магнитоупругом взаимодействии в данных ферромагнетиках следующие закономерности:

— при угле наклона ОЛН vj/=0° им свойственно магнитоупругое взаимодействие с одним значением частоты магнитоупругого резонанса;

— в случае, если r < l, mi<0, С<0, магнитоупругое взаимодействие характеризуется двумя значениями частоты магнитоупругого резонанса;

— когда r = mi=0, С<0, в магнитоупругом взаимодействии появляется диффузионный характер спиновой волны;

— если R —"оо, С=0, mi>0, спектру характерно отсутствие магнитоупругого взаимодействия;

— при r > 1, mi>0, ОО, в магнитоупругом взаимодействии обнаруживается эффект мягкого рождения спиновой волны, проявляя бифуркационный характер. К аналогичным перестройкам приводит уменьшение по величине значения константы плоскостной (в том числе наведенной) анизотропии типа «легкая ось» и изменение ее знака, изменение температуры, угла наклона, воздействие внешних механических напряжений типа сжатия или растяжения, и внешнего магнитного поля.

3. Одна из основных причин возникновения такой закономерности — эффект спонтанной магнитострикции, приводящий к возникновению запрещенной зоны для магнитной волны и отсутствию магнитоупругого взаимодействия волн зарождением угловой фазы и также нестабильной доменной структуры (наблюдается экспериментально) и эффекту мягкого рождения спиновой волны ее распадом при последующем изменении температуры, а также угла наклона ОЛН и толщины с переходом к стабильному магнитному состоянию. Кроме того, свой вклад вносит размагничивающий фактор пленки, плоскостная анизотропия и угол наклона ОЛН (имеет согласие с экспериментом).

4. На магнитоупругое взаимодействие в данных ферромагнетиках существенное значение оказывает толщина образца: параметр магнитоупругой связи в пленках больше, чем в массивных образцах и пластинках (имеет соответствие с экспериментом).

5. Ферромагнетики с наклонной анизотропией отличаются тем, что в них имеется сильная тенденция к протеканию ориентационных фазовых переходов по типу ФП первого рода и характерным для этих пленок является наличие в областях метастабильности промежуточных ориентационных фазовых переходов по типу ФП второго рода с образованием угловых фаз, стабильных при некоторых значениях температуры (что находится в согласии с экспериментом). В ряде случаев ФП сопровождаются поворотом плоскости переориентации на л/2 по отношению к первоначальной плоскости переориентации вектора намагниченности. В переходных областях выявляются фазы промежуточного типа, играющие роль буфера и способствующие непрерывности протекания ФП первого рода как ФП второго рода. Они представляют собой ДС нерегулярной и регулярной периодичности и Вейсса, вектор намагниченности в которых образует с плоскостью пленки угол 45°, (45°+ц/) (подтвержден экспериментально).

6. Исходя из уравнений Ландау-Лифшица с учетом периодичности (Широбоков) впервые проведенный теоретический анализ ДС на основе выбранной нами модели в многоосных ферромагнетиках с учетом магнитострикции и толщины привел к следующему: 1) как вид возникающей ДС, так и ориентация ДГ однозначно определяются параметрами выбранной нами модели, выражающихся через магнитные и геометрические параметры пленки, а также через угол наклона ОЛН к плоскости пленки- 2) независимо от расположения ОЛН в плоскости относительно ОЛН наклонной анизотропии, им свойственно существование следующих полосовых ДС (наблюдаемых экспериментально): 180° вида Широбокова Strip (отрицательная полосовая) структура (0.55< k*.<0.91), вида сильной полосовой (360° ДС) регулярной периодичности и Вейсса, различающиеся между собой периодом, углом выхода вектора намагниченности из плоскости пленки в доменах, видом (Блоха, Нееля, двойные и др.), типом (однородные, периодические), полярностью и ориентацией ДГ относительно нормали к пленке и проекции наклонной ОЛН на плоскость пленки (параллельно или перпендикулярно) — 3) нестабильной полосовой структуры регулярной и нерегулярной периодичности, вектор намагниченности которых в домене образует 45°, (45° +vj/) и также наклонной полосовой ДС- 4) закритических и обычных полосовых ДС (наблюдаемые экспериментально).

7. Впервые получены аналитические выражения, описывающие распределение намагниченности как в перпендикулярных, так и в наклонных однородных и периодических ДГ: Блоха, Нееля, также однородных и периодических ДГ, намагниченность которых вращается в плоскости, перпендикулярной плоскости ДГ (квазинееля), которые позволили определить условия их формирования, а также двойных ДГ. Структура периодической тонкой структуры [блоховских линий (БЛ)], ширина (лобл), полярность и плотность определяются параметрами нашей модели через модули эллиптических интегралов I и II рода К (к) и Е (к) при выполнении достаточных условий, так называемых нами фактором тонкой структуры, соответствующих стабильности второй резонансной частоты магнитоупругой волны.

8. Впервые в рамках развиваемого подхода показано, что ДС многоосных ферромагнетиков с наклонной анизотропией при изменении угла наклона ОЛН, толщины и температуры претерпевает аналогичные перестройки: на первом этапе изменяется угол выхода намагниченности из плоскости пленки в домене, что сопровождается расширением (сужением) ДГ, а также возникновением (уничтожением) периодической тонкой структуры в ДГ, изменением ее полярности и плотности, и завершается полным разрушением ДС. Этот процесс протекает без изменения ориентации ДГ. На втором этапе через переориентацию намагниченности на 90° в домене формируются новые фазы. Они отличаются от первоначальных полярностью ДГ, их ориентацией относительно проекции наклонной ОЛН на плоскость, а также видом, типом ДГ и ДС. Определены условия, при которых этот процесс происходит через формирование «буферных» фаз, представляющих собой ДС нерегулярной периодичности (соответствует эксперименту). При этом реализуемая ДС в зависимости от угла наклона и температуры независимо от состава пленки меняется от обыкновенной вейссовской до полосовой (вида Широбокова, отрицательной полосовой — Strip), сильной полосовой, нерегулярной полосовой ДС и наклонной полосовой ДС, ширина доменов которых своеобразно зависит от угла наклона ОЛН.

9. Основной причиной формирования и перестройки ДС, ОФП и спектра связанных магнитоупругих волн является магнитная «одноосность» (эффективная ось) образцов и значительное отклонение ОЛН от нормали к поверхности образца и присутствие стабильных значений резонансных частот связанных магнитоупругих волн. Полученные результаты позволяют выяснить механизм эффективного управления упругими и магнитными свойствами магнитоупорядоченных материалов внешними факторами (угла наклона, толщины и температуры), что имеет важное значение при создании новых функциональных элементов современной микроэлектроники. Наличие наклонной анизотропии в образце позволяет регулировать и создавать стабильную полосу частот магнитоупругих волн, что немаловажно при создании генераторов гиперзвука.

В заключении выражаю искреннюю благодарность своему научному консультанту — д. ф.-м.н. профессору М. Х. Харрасову, членам кафедры квантовой статистики и теории поля МГУ им. Ломоносова и коллегам д. ф.-м.н. профессору Бахтизину Р. З., д. т.н. профессору Мулюкову Х. Я., доц. Балапанову М. Х., доц. Биккуловой Н. Н., аспирантам Асылгужиной Г. Н. и Узбекову И.Р.