Материал: Физика тонких пленок. Современное состояние исследований и технические применения. Т. 6

Фиг. 37. Критическая кривая для двух пленок с «умеренной» связью [164].

ннчивания.

Заштрихована область последовательных переключений.

восприимчивости, достигающие величины 10е. Применение таких структур обсуждается в разд. IV.

Весь проведенный анализ основан на моделях вращения, по­ скольку направление спинов считается постоянным по крайней мере внутри слоя. Такая модель подтверждается для простого случая, показанного на фиг. 35, но, вообще говоря, может быть неверной из-за участия различных других эффектов перемагничивания (см., например, [60]), обсужденных в разд. 11,1 и в ряде других мест. К настоящему времени опубликовано сравни­ тельно мало экспериментальных работ, ставивших своей целью подтвердить описанные выше результаты.

Другой структурой, привлекшей определенное внимание, яв­ ляется ферромагнитная — антиферромагнитная система с обмен­ ной анизотропией. Используя описанный выше метод слоев, Андре [170] получил петли гистерезиса для изотропной ферро­ магнитной пленки, наложенной на одноосную антиферромагнитную пленку. Более обширные результаты получил Неель [64], который рассчитал кривые вращающих моментов для ферро­ магнитных пленок с одноосной анизотропией, наложенных на

о

а

Шленкер [76] при исследовании колебательного гистерезиса (разд. 11,2). Она получила превосходное согласие теории с экс­ периментом, что показано на фиг. 38. Однако наряду с хорошим согласием для отдельных рассматриваемых свойств согласие между теорией вращения и экспериментом для большинства свойств структур с обменной анизотропией, как уже отмечалось, было плохим. Это обусловлено влиянием локальных изменений свойств, на что уже указывалось ранее. Полная теория должна была бы учитывать все вариации намагниченности: по толщине и по положению на поверхности пленки. Однако никто еще не пытался решать столь трудную задачу.

Так лее как и в случаях, относящихся к двум связанным ферромагнитным пленкам, рассмотренных в разд. II, 1 и III, 1, связь сравнительно мягкой ферромагнитной пленки с антиферромагнитной пленкой увеличивает для ферромагнетика порог смещения доменных стенок и порог вращения. Действительно, Глазер и сотр. [55] обнаружили, что анизотропия структуры из пермаллоя с диффузионным слоем увеличилась лишь незначи­ тельно, а коэрцитивная сила возросла намного. Эффект был подтвержден Валэном и сотр. [171], которые ввели диффузией марганец в NiFeCo. Затем эти авторы изучили влияние такой процедуры на элементы, применяемые в системах памяти. В этих системах слой NiFeCo, используемый как элемент с неразрушаемой записью, связан со слоем NiFe, являющимся эле­ ментом считывания. Эти вопросы будут еще обсуждаться в разд. IV. В экспериментах такого типа желательно делать раз­ личие между полем анизотропии, определенным из измерений

вращающих моментов, и кажущимся полем анизотропии, полу­ ченным из измерений поперечной восприимчивости [39]. Обычно имеется в виду последняя величина, которая более важна для применений в системах памяти.

3. ИМПУЛЬСНОЕ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ

Решение проблемы квазистатического перемагничивания со­ стоит в определении устойчивых состояний магнитной системы при заданных внешних полях с указанием того, в каком именно состоянии система окажется через достаточно продолжительное время.

В настоящем разделе мы займемся изучением динамики си­ стемы, т. е. будем интересоваться процессом перехода намагни­ ченности из одного состояния в другое. Для экспериментатора это обычно означает, что проводятся некоторые импульсные из­ мерения и при этом интересуются быстрым изменением потока магнитной индукции. Для теоретика дело сводится к решению феноменологической системы уравнений Ландау — Лифшица для пленочной структуры. Это уравнение (его обоснование и применение к отдельной пленке приведено в обзоре Смита [57]) имеет вид

где у — гиромагнитное отношение, %— фенологический параметр

затухания в форме Ландау — Лифшица, а Т — вращающий мо­ мент, определяемый соотношением

но направления вектора IW. Величина намагниченности считает­ ся постоянной, так что снова имеем дело, по крайней мере в данном пункте, с моделью когерентного вращения, об ограниче­ ниях которой говорилось ранее.

Формально переход от уравнения (26), записанного для от­ дельных пленок, к уравнению для многослойных пленок очень прост. Для пленок, в которых намагниченность постоянна в каждом слое, достаточно добавить в Е энергию связи. Для си­

стем, в которых направление намагниченности изменяется непрерывно в каждом слое, ситуация несколько усложняется. Все же вывод корректных уравнений оказывается сравнительно простым и непосредственным, чего нельзя, однако, сказать об их решении.

Для структуры с постоянной намагниченностью в каждом слое легко показать, следуя Смиту [57], что уравнение (26) в

обозначениях фиг. 39 можно преобразовать к виду..

Mi cos i|)t- (dyi/dt) = — уг {дЕ/dtyi) — (VM ,) (1/cos ф,) {дЕ/д<p,),

(<Эф,/<Э/) ---- Yi( 1/cos ф,) (дЕ/дФ<) - (li/Mi) (dE/d^t). (28)

До сих пор все расчеты, выполненные с использованием урав­ нений (28), были сделаны для системы из двух пленок с одина­ ковыми толщинами, намагниченностями и константами затуха­

ты Сыотса и Пью [83] указывают на то, что пленки, связанные полем рассеяния, пере-

магничиваются быстрее, чем несвязанные пленки. Однако Чанг [161, 172] теоретически показал, что время перемагничивания4 связанных идентичных пленок должно быть таким же, как и для индивидуальных пленок. Качественно это можно понять из того обстоятельства, что для несвязанных пленок размагничивающее поле способствует перемагничиванию вначале и препятствует в конце процесса перемагничивания. Итак, в системе со связью переключение протекает сначала медленнее, а затем быстрее, чем при отсутствии связи, но в конечном счете времена переклю­ чения связанных и независимых пленок одинаковы.

Этот вывод был подтвержден в экспериментах Чанга и сотр. [84] на тщательно согласованных пленках. Противоречие между полученными здесь данными и результатами более ранних экс­ периментов, по-видимому, проистекает из того, что использован­ ные в ранних опытах Сыотса и Пью [83] пленки были довольно неоднородны. Поэтому и было высказано предположение о том,

что связь увеличивает скорость переключения в неоднородных пленках, но не в однородных.

Брюэр и сотр. [24, 157] рассчитали перемагиичивание систе­ мы пленок с положительной связью, когда анизотропия одного из слоев вдвое больше анизотропии другого. Предполагалось, что постоянные затухания обоих слоев одинаковы. Эти авторы нашли, что полный сигнал, пропорциональный скорости измене­ ния во времени полного магнитного потока обеих пленок, почти не зависит от величины связи. Если слои связаны, то более жесткая пленка перемагничивается быстрее, а более мягкая медленнее, чем в отсутствие связи, однако результирующая ско­ рость существенно не меняется. И в этом случае эксперимен­ тальные результаты хорошо согласуются с теорией. Таким обра­ зом, можно сказать, что связь пренебрежимо мало влияет на скорость перемагничивания пленок.

Однако было установлено [84], что связь оказывает благо­ приятное влияние на другие свойства, такие, как повышение стабильности и уменьшение разброса параметров. Это одна из причин, по которой связанные пленки представляют интерес для приложений в системах памяти. Данный вопрос обсуж­ дается ниже.

Другим интересным вопросом является перемагиичивание идентичных пленок в присутствии различных динамических по­ лей. Этот вопрос, в частности система двух пленок, расположен­

число работ, посвященных динамическому перемагничиванию взаимодействующих пленок. Лин и Чанг [164] исследовали тео­ ретически время переключения пленок с обменной связью, ис­ пользуя методы, описанные в разд. 111,2. Они показали, что сильно связанные пленки перемагничиваются одновременно и ведут себя, как однодоменные пленки, а слабо связанные пленки перемагничиваются медленнее, чем независимые пленки. Это уменьшение скорости переключений объясняется затратами энергии на обмен и представляется весьма удивительным после наших рассуждений, приведенных выше. Гото и сотр. [173] про­ вели эксперименты по импульсному переключению таких пле­ нок с обменной связью. Они измерили пороговые поля начала и завершения переключения и наблюдали искажение критиче­ ских кривых по сравнению с кривыми для независимой мягкой пленки. Форма критических кривых качественно соответствовала ожидаемой.

В заключение отметим, что измерения при импульсном пере­ ключении и особенно измерения скорости импульсного переклю­ чения в многослойных структурах являются непростой задачей. В частности, значительные трудности может представить раз­