（凝聚态物理专业论文）石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为.pdf

石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 摘要 磁畴和磁畴壁物理的研究，一直是磁学领域的重要内容。而石榴石磁泡薄膜中硬磁 畴行为的研究，无论是对超高密度布洛赫线存储器的研制，还是对磁畴壁物理的发展都 具有非常重要的意义。 面内场和温度都是影响硬磁畴畴壁中垂直布洛赫线( v e r t i c a lb l o c hl i n e ，简写为 v b l ) 特性的重要因素。本文详细的实验研究了硬磁畴的行为与硬化脉冲偏场、面内场 和温度的关系。得到的主要结果如下： 1 实验研究了液相外延石榴石磁泡薄膜中哑铃畴的动态特性与硬化脉冲偏场的关 系。发现用系列脉冲法产生的哑铃畴，其旋转方向与硬化脉冲宽度( f ，) h 有关。在窄硬 化脉冲宽度( f ，) 。下形成的哑铃畴全部逆时针旋转；随着( f ，) 。的增加，开始出现顺时针 旋转的哑铃畴，即所谓的混合区域；进一步增加( f p ) h ，哑铃畴全部顺时针旋转。而硬 化脉冲幅度( h p ) 。和硬化脉冲次数( 刀。) 。对哑铃畴的旋转方向没有影响。用低直流偏场法 产生的哑铃畴，其旋转方向则与直流偏场风有关。在零偏场下，由枝状畴收缩成的哑 铃畴全部逆时针旋转；随着风的增加，出现顺时针旋转的哑铃畴，即混合区域；当风 进一步增加时，哑铃畴全部顺时针旋转。其旋转方向与硬化脉冲宽度( f ，) 。、硬化脉冲 幅度( 日，) 。和硬化脉冲次数( 伟) 。无关。对比固定直流偏场下的系列脉冲偏场法和低直流 偏场法形成的硬磁畴的转动行为，认为脉冲偏场的下降沿起主要作用时，对应负v b l 的形成；上升沿起主要作用时，对应正v b l 的形成。 2 实验研究了经面内场作用后的哑铃畴的动态特性，发现面内场对哑铃畴的初始 状态没有影响，即v b l 部分消失后，硬磁畴仍保持其原来的转动方向。由此证明了面 内场不影响v b l 的符号，并进一步支持了v b l 成对消失的观点。 3 实验研究了而内场对液相外延石榴石磁泡薄膜中三类硬磁畴( 普通硬磁泡、第 1 类哑铃畴和第1 i 类哑铃畴) 的影响，发现三类硬磁畴存在一个相同的临界面内场范围 【磁，i 2 ，】。纠正了i l p ) 。 i l p ) 。 0 ) o h b 的结论，并对此给出了解释。 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 4 实验研究了直流偏场整形和温度交替作用对三类硬磁畴畴壁中v b l 链的影响。 发现存在一个与磁泡材料参量相关的使v b l 链解体的临界温度范围【乃，死】。这里乃 是畴壁中v b l 链开始不稳定的最小临界温度，乃是畴壁中v b l 链完全解体的最小临界 温度。对于三类硬磁畴而言，乃是相同的，亦即畴壁中v b l 链开始不稳定的最小临界 温度与畴壁中v b l 的数目无关；而乃则随v b l 的数目增加而变大。进一步证明了温 度作用下，硬磁畴畴壁中的v b l 是逐步解体的。证明了v b l 的消失与硬磁畴的硬度无 关，否定了h a i s m a 等人的“较硬的硬磁泡比较容易损失v b l 的结论。 关键词磁畴；磁泡；硬磁畴；垂直布洛赫线；温度 石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 a b s t r a c t t h er e s e a r c h e so fm a g n e t i cd o m a i na n dm a g n e t i cd o m a i nw a l lt h e o r ya r et h ei m p o r t a n t p a r ti nt h em a g n e t i cf i e l da ta l lt i m e s f u r t h e r m o r et h es t u d yo ft h eb e h a v i o ro ft h eh a r d d o m a i n s 洫g a r n e tb u b b l ef i l m sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h em a n u f a c t u r eo fb l o c hl i n e m e m o r ya n dt h ed e v e l o p m e n to fm a g n e t i cd o m m n w a l lt h e o r y i n - p l a n ef i e l da n dt e m p e r a t u r ea r et h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ev e r t i c a lb l o c hl i n e ( v b l ) i 1 1h a r dd o m a i nw a l l t h i sp a p e rs t u d i e dt h er e l a t i o n s h i po ft h eb e h a v i o ro fh a r d d o m a i n sw i t hh a r d e n i n gp u l s eb i a sf i e l d ，i n - p l a n ef i e l da n dt e m p e r a t u r e a n dt h er e s u l t s o b t a i n e db yo u re x p e r i m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i t sc o n s i d e r e dt h a tt h ec o n n e c t i o no ft h ed y n a n l i cc h a r a c t e r i s t i c so fd u m b b e l ld o m a i n i nl i q u i dp h a s ee p i t a x yg a r n e tb u b b l ef i l m sw i t ht h eh a r d e n i n gp u l s eb i a sf i e l d w ef i n dt h a t t h er o t a t i o nd i r e c t i o no fd u m b b e l ld o m a i np r o d u c e db ys e r i e so fp u l s eb i a sf i e l d sm e t h o di s r e l a t e dt ot h ew i d t ho fh a r d e n i n gp u l s e ( f p ) h w h e n ( f p ) hi ss m a l l ，a l lt h ed u m b b e l l d o m a i n sr o t a t ea n t i c l o c k w i s e a s ( f p ) hi sg e t t i n gl a r g e ra n dl a r g e r , s o m ed u m b b e l ld o m a i n s b e g i nt or o t a t ec l o c k w i s e ，t h a ti ss o - c a l l e dm i x e dr e g i o n , f m a l l ya l ld u m b b e l ld o m a i nw i l l r o t a t ec l o c k w i s e b u tt h er a n g eo f p u l s e ( 日p ) ha n dt h en u m b e r o fp u l s e ( 刀p ) hd o n ta f f e c t t h er o t a t i n gd i r e c t i o n h o w e v e r , t h er o t a i n gd i r e c t i o no ft h ed u m b b e l ld o m a i np r o d u c e db yt h e m e t h o do fl o wd i r e c tc u r r e n tb i a sf i e l di sr e l a t e dt ot h ed i r e c tc u r r e n tb i a sf i e l d s h b w h e n 风i sz e r o ，t h ed u m b b e l ld o m a i ns h r i n k e df r o mm u l t i b r a n c h e dd o m a i n sa l lr o t a t e a n t i c l o c k w i s e ；w h e nh br i s e s ，t h e r ew i l la p p e a rm i x e dr e g i o n ；a sh br i s e sf u r t h e r , a l l r o t a t ec l o c k w i s e t h e i rr o t a t i n gd i r e c t i o ni si n d e p e n d e n to ft h ew i d t ho fh a r d e n i n gp u l s e ( f p ) h ，t h er a n g eo fh a r d e n i n gp u l s e ( p ) h a n dt h en u m b e ro fh a r d e n i n gp u l s e ( r i p ) h c o m p a r e dt h er o t a t i n gb e h a v i o r so ft h e s eh a r dd o m a i n s ，w ea r r i v ea tac o n c l u s i o n ：t h e f o r m a t i o no ft h en e g a t i v ev b lc h a i n sa r ec o r r e s p o n d i n gt ot h en e g a t i v ee d g eo fp u l s eb i a s f i e l d ，a n dt h a to ft h ep o s i t i v ev b lc h a i n sa r er e l a t e dt ot h ep o s i t i v ee d g e 。 i i i 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 2 t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fd u m b b e l ld o m a i na f f e c t db yi n - p l a n ef i e l da r e e x a m i n e d a l s oi n o u re x p e r i m e n t s i n p l a n ef i e l dh a sn oi n f l u e n c eo nt h ei n i t i a ls t a t eo f d u m b b e l ld o m a i n ，w h i c hm e a n sh a r dd o m a i n ss t i l lk e e pm e i rr o t a t i n gd i r e c t i o na f t e rv b l s d i s a p p e a ri np a r t t h i sf a c tp r o v e st h a ti n - p l a n ef i e l dd o n ta f f e c tt h es i g no fv b la n d s u p p o r t st h ev i e wo f v b ld i s a p p e a ri np a k s 3 t h ee x p e r i m e n mt e s tt h ei n f l u e n c eo fi n - p l a n ef i e l do nt h et h r e ek i n d so fh a r d d o m a i n si nl i q u i dp h a s ee p i t a x yg a r n e tb u b b l ef i l m s ( o r d i n a r yh a r db u b b l e s ，t h ef i r s tk i n do f d u m b b e l ld o m a i na n dt h es e c o n dk i n do fd u m b b e ud o m a i n , a b b r e v i a t e da so h b ，i da n dl i d r e s p e c t i v e l y ) w eo b s e r v et h a tt h e s et h r e ek i n d so fh a r dd o m a i n sh a v et h e $ a r l l es c o p eo f c r i t i c a l i n - p l a n ef i e l d 砩，砩】t h i sp a p e re x p l a i n sw h yt h e c o n c l u s i o n o f 池) 皿 池k 呱l h bi si n a c c u r a t e 4 w es t u d i e dh o wt h ed i r e c tc u r r e n tb i a sf i e l d sr e b u i l ta n dt e m p e r a t u r ea l t e r n a t e l ya f f e c t t h ev b lc h a i n si nd o m a i nw a l lo ft h et h r e ek i n d so fh a r dd o m a i n s w ef m da ni n t e r v a lo f c r i t i c a lt e m p e r a t u r e 隔，t 2 】，w h i c hc a nm a k ev b lc h a i n sb r e a k d o w na n di sr e l a t e dt ot h e p a r a m e t e ro fm a g n e t i cb u b b l em a t e r i a l h e r e 乃i st h el o w e s tt h r e s h o l dt e m p e r a t u r ew h e r et h e v b lc h a i n si nd o m a i nw a l lb e c o m eu n s t a b l e ，a n dt 2i st h el o w e s tt h r e s h o l dt e m p e r a t u r e w h e r et h ev b lc h a i n sb r e a k d o w nc o m p l e t e l y f o rt h et h r e ek i n d so fh a r dd o m a i n s ，乃i st h e s a m e ，w h i c hm e a n s 死i si n d e p e n d e n to ft h en u m b e ro fv b l ，w h e r e a s 死i sr i s i n ga st h e n u m b e ro fv b lb e c o m e sl a r g e r t h i sp r o v e sv b li nh a r dd o m a i n sw a l lb r e a k d o w n g r a d u a l l y a f f e c t e db yt e m p e r a t u r e a n dt h i sp a p e rt e s t i f i e dt h a tt h ed i s a p p e a r a n c eo fv b li si r r e l e v a n tt o t h er i g i d i t yo fh a r dd o m a i n sa n dn e g a t e sh a i s m a sc o n c l u s i o nt h a tt h eh a r d e rd o m a i n sa l e m o r ee a s i l yt ol o s ev b l k e yw o r d s ：m a g n e t i cd o m a i n ，m a g n e t i cb u b b l e ，h a r dd o m a i n s ，v e r t i c a lb l o c hl i n e ， t e m p e r a t u r e 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为是在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ： 年月日 指导教师确认( 签名) ： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) ： 年月日 指导教师( 签名) ： 年月日 石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 第1 章绪论 本章简要概述了薄膜的基本特点和物理性质，总结了磁泡薄膜研究的历史、现状和 存在的问题在此基础上，简要介绍了本论文的选题背景和研究内容 1 1薄膜概述 薄膜材料是材料学领域的一个重要分支，它涉及物理、化学、电子学、冶金学等学 科，在国防、通讯、航空、航天、电子工业、光学工业等方面有着特殊的应用，并成为 材料学中最为活跃的领域之一，现已成为一门独立的学科一薄膜学。什么是薄膜( t h i n f i l m ) ? 多“薄”的膜才算薄膜? 人们对此说法不一，通常把膜层在没有基片时而独立 成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致标准，规定其厚度约为1 岬。不过，从表面科学 的角度来说，在几个纳米到几十个微米范围内，材料的表面和界面特性将起到重要的作 用，因而多数把这一范围规定为薄膜物理所研究的范围。薄膜材料可用各种单质元素及 无机化合物或有机材料来制成，与块状物体一样，可以是单晶、多晶、微晶、纳米晶、 多层膜和超晶格膜等。此外，常把涂层( c o a t i n g ) 、层( 1 a y e r ) 或箔( f o i l ) 等也称为薄 膜。 薄膜材料科学与技术的研究方向是： ( 1 ) 制备工艺如何制造薄膜或使某一物质成为薄膜； ( 2 ) 物性分析薄膜具有哪些特性( 包括力、热、电、光、磁等方面) ，这些特 性的物理本质是什么等； ( 3 ) 如何利用薄膜的某些特性，把这些薄膜材料应用于各个领域，尤其是高新技 术领域。 薄膜的制备并不是把块状物体挤压变薄就行了，而是通过特殊的方法来制备的，如 物理气相沉积法( p v d ) 和化学气相沉积法( c v d ) 。实际上，在真空薄膜的沉积过程 中，是将单个原子一个一个地凝结在衬底的表面上( 通过成核与生长过程) ，从而形成 薄膜。 薄膜材料通常按照其功能以及应用领域分为六大类：电学薄膜、光学薄膜、( 硬质 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 膜、耐蚀膜、润滑膜) 、有机分子薄膜、装饰薄膜、包装薄膜，每一类中又分为很多个 方向。如电学薄膜包括：半导体器件和集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料、超 导薄膜，光电子器件中使用的功能薄膜、薄膜敏感器件与固态传感器、薄膜电阻、薄膜 电容、薄膜太阳能电池、平板显示器件、磁记录薄膜与薄膜磁头、巨磁电阻( g m r ) 薄 膜，静电复印鼓用的合金膜以及非晶硅薄膜等。 其中，磁记录薄膜可以称为最具高科技代表性的产物。就拿我们日常生活来说，录 音带、录像带，软盘、还有随身携带的各种磁卡等等，都属于磁记录产品，如果按照人 们的需要来划分的话，磁记录材料向两极方向发展。一种是在记录性能要求不太高的情 形下，像普通的磁带等，主要使用铁氧体材料，该种材料性能稳定，价格便宜，安全可 靠，适合日常生活使用，因此该种材料将继续占有一定的市场；另一种就是为满足设备 的小型化和高性能，以及一些军事用途而广泛使用的金属磁性体薄膜材料，像代表磁记 录技术最尖端的计算机，为其记录密度的提高而展开的竞争可以说到了白热化的程度。 正因如此，对磁记录薄膜的磁特性和微结构研究多年来一直是国际上的热点研究课题。 一方面，它的研究结果可以直接应用到信息存储领域；另一方面，它可以进一步丰富、 完善和发展微磁学理论所以，该课题的研究既具有明显的实际价值，又具有重要的理 论意义。 磁泡薄膜就是磁记录薄膜的一个分支。 1 2 磁泡薄膜概述 在一般情况下，铁磁体总要分成许多小区域，在同一个小区域中磁化矢量( 膨) 的 方向是一致的，我们称这样的小区域为磁畴。磁畴以及磁畴在磁场作用下的行为研究一 直以来是应用磁学领域的重要内容最近磁涡旋核结构【l2 1 以及在脉冲场下的行为引起 了人们的广泛关注 3 - 7 。关于磁涡旋核的形成和反转机制问题，有人提出利用布洛赫点 可以解释该问题嘲。而对于布洛赫点来说，目前还缺少有力的实验证据证实它的存在。 磁泡是磁性薄膜材料中所出现的圆柱状磁畴。相邻两个磁畴的磁化方向是不同的，但是 磁化方向的改变并不是突然由一个磁化方向变到另一个磁化方向，而是在一个小范围内 逐渐地变化过去。磁畴与磁畴之问的过渡层称为畴壁。 畴壁分为布洛赫壁和涅耳壁，布洛赫畴壁分为左旋布洛赫畴壁和右旋布洛赫畴壁， 不同布洛赫壁间的过渡区域被称为布洛赫线。 2 石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 布洛赫线分为垂直布洛赫线和平行布洛赫线，垂直布洛赫线又有4 种过渡方式，不 同布洛赫线间的过渡区域被称为布洛赫点。 磁存储是磁泡薄膜的重要应用之一。 1 3 存储器 1 3 1 磁泡存储器 利用磁性薄膜材料中这种圆柱状磁畴的有无来表示信息存储的l 和0 的技术就是磁 泡存储技术。1 9 6 7 年，b e l l 实验室a b o b e c k 等人首先提出了用磁泡实现全固态存储 器件的设想。1 9 6 9 年，a b o b e c k 在国际磁学会议上演示了磁泡的产生、传输、缩灭、 复制，并展示了第一台磁泡移位寄存器。最简单的磁泡存储器方框示意图如图1 3 1 所 示。 磁泡传播轨道 图1 3 1原始的磁泡存储器 磁泡材料 单晶基片 图1 3 1 中，磁泡的传播路径设计为环绕磁泡的闭合环，磁泡由图1 3 1 顶部的一个 小型脉冲线圈产生，磁泡产生后以限定好的速度按顺时针方向沿传播轨道移动，传播轨 道用印刷电路版制成，在垂直磁泡膜方向需要附加固定的直流偏场，以便磁泡的产生。 二进位码由位于图1 3 1 底部的磁泡传感器读出。 从1 9 6 9 年开始，很多国家都相继开始了磁泡的研究。我国也曾把磁泡物理及磁泡、 布洛赫线存储器件的研制列入“七五”计划。磁泡存储器的优势主要在于：磁泡存储器 具有信息非易失性、器件完全固化、无机械部分、工作范围宽、抗辐射、耐恶劣环境等。 因而已经在军用微机、机床控制、机器人、电话交换机、飞行记录器等方面有所应用， 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 并一度被选为飞机中黑匣子所需的记录介质。但是，磁泡存储器也有自身的局限性，主 要表现在它的性能价格比太低，需要外部磁场和屏蔽装置，而且随着科技的进一步发展， 它的存贮容量也有些落伍。 1 9 7 2 年，正当磁泡存储器蓬勃发展之际，人们发现，在磁泡的复制、传输过程中有 些磁泡偏离了预定轨道，从而导致存储信息的错误。为了解决这个问题，人们对这些导 致出错的磁泡进行了大量研究，发现这些磁泡的缩灭场比正常磁泡( 即软泡) 高，并因 此把这些磁泡命名为“硬磁泡( 简称硬泡) 。硬磁泡和正常泡的特性有很大差别，如正 常泡的缩灭场一致性好，而硬磁泡的缩灭场存在较大的分散；正常泡沿梯度场方向运动， 而硬磁泡的运动方向与梯度场方向有一角度。有硬磁泡存在的器件不能正常工作，当时 人们把硬磁泡的出现称作“硬泡危机” 9 1 。为了解决该危机，一大批科学家从实验和理 论方面对硬磁泡进行了详细的研究，创建了硬磁泡的理论模型，发现硬磁泡实际上就是 畴壁中含有大量同号垂直布洛赫线的磁泡，正是由于垂直布洛赫线的存在导致了磁泡静 态和动态特性的改变。 v b l 被发现和认识以后，一方面，人们为了磁泡存储器的正常运行，改进材料制 备工艺，想方设法抑制硬磁泡的产生，从而找到了很多抑制硬泡的方法，如离子注入法、 涂敷薄的n i f e 膜、在惰性气体中退火以及双层外延膜法1 9 1 。目前，广泛采用的是离子注 入法；另一方面，人们提出了利用v b l 做存储器的新设想，1 9 8 3 年，在美国费城举行 的国际磁学会议上，日本九州大学的s k o n i s h i 教授( 小西进教授) 提出了超高密度固 态布洛赫线存储器( b l o c hl i n em e m o r y ，简称b l m ) 方案【1 0 1 。 1 3 2 布洛赫线存储器 常规的磁泡存储技术是用磁泡的有、无来体现信息的“1 和“0 ，而s k o n i s h i 提出的布洛赫线存储技术则是利用条状磁畴畴壁中“负v b l 对”作为信息的载体，以 “v b l 对 ( 两条) 的有、无来体现信息的“1 和“0 该存储集成块由导体一驱动 泡传输主线和辅助环( 内有包含v b l 对平行排列的条状磁畴) 组成。当进行写操 作时，主线中泡的有无转变为v b l 对的有无，当进行读操作时，相反的情况发生。v b l 对在条状磁畴中进行复制，转变成的泡由延迟检波器检出。v b l 的传输通过连续施加脉 冲偏场来实现。小西进教授的设想被随后的实验证实】。由于v b l 的宽度远小于磁泡 直径，与常规磁泡存储器件相比，存储位所占面积很小，因此在同种磁泡材料上可把存 储密度提高到3 0 - 1 0 0 倍。据小西进教授的估计采用0 5g m 的石榴石磁泡膜，b l m 的 石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 存储密度有望达到1 6g b i t c m 2 。 b l m 方案的提出再一次引发了国际上研究v b l 的热潮，当时，国际上每年召开一 次专门的b l m 工作会议，人们对于v b l 的产生、稳定性等作了大量研究【1 2 - 4 4 ，19 8 9 年3 月3 l 号，日经产业新闻报道日本日立制作所宣称完成了全功能的b l m 芯片， 这个突破性进展表明了b l m 方案的可行性，同时极大地推动了v b l 的理论研究。同年， 德国科学家j e n g e m a n n t 4 5 】发表了对b l m 的现状和未来的评述文章。1 9 9 4 年，日本学 者k m a t s u y a m a 等人，成功地完成了v b l 在1 岬的石榴石磁泡膜上的写操作，其试 验集成电路结构见图1 3 2 。 a u c r 聚酰亚胺 a u c r 聚酰亚胺 l p e ( 1 p m 石榴石磁泡) 图1 3 2 实验集成电路结构 图1 3 2 给出了含1 岬厚外延石榴石磁泡膜的b l m 方案的试验集成电路的截面图 和俯视图。由图1 3 1 可以看出，它由6 层材料组成，其中包括两层a u c r 导电层，两 层聚酰亚胺，一层液相外延( 1 i q u i dp h a s ee p i t a x y ，简称l p e ) 石榴石磁泡膜和一层钆镓 石榴石( g a d o l i n i u mg a l l i u mg a r n e t ，简称g g g ) 衬底。一条孤立的条形畴被封闭在由环 形导体( 1 ) 中电流产生的磁势阱中。环形导体同时用作为磁畴施加脉冲偏场。平行导体 ( 2 ) 被用于泡畴和条形畴的晃动。导体( 1 ) 和( 2 ) 被设计在第一层导电层中。其他用 于写操作的导体被设计在第二层导电层中，其中导体( 3 ) 、( 4 ) 和( 7 ) 用于捉住条形 畴的头部，条形畴的头部随磁场的压缩和伸展被限定在导体( 4 ) 和( 7 ) 之间。由导体 ( 5 ) 中的电流产生的磁场用于收集初始的v b l 。导体( 6 ) 中电流产生的脉冲磁场用于 切断条形畴的头部，使解缠绕的v b l 对变为缠绕的v b l 对，一对缠绕的v b l 对在b l m 中表示lb i t 的信息。导体( 7 ) 中脉冲电流将被切断，条形畴的头部缩灭，同时把条形 耐， 呦 2 l ，、，t m m m m m “肛h n “ l 3 l 6 7 0 5 o o 8 l l l 0 o 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 畴压缩回初始位置。 鉴于石榴石磁泡膜中硬磁畴畴壁中垂直布洛赫线的形成和稳定性的研究对b l m 的 研制与使用具有重要意义，进入2 1 世纪以来，国外的相关工作层出不穷1 4 6 - 6 6 ，而国内 学者的相关研究工作也在继续【6 7 饥】，并且得到了国外同行的关注和肯定，所有这些都极 大地推动了b l m 的研制工作，丰富和完善了磁畴物理。 布洛赫线存储器是在一定的温度和面内磁场下工作，所以v b l 的温度稳定性和面 内场下的行为直接决定着b l m 的工作稳定性。因此，对畴壁中v b l 链的稳定性研究就 显得十分重要。同时，为了丰富微磁学理论和完善磁畴壁物理【7 2 ，7 孤，对存在于畴壁中的 微结构_ v b l 的深入研究也是十分必要的。 布洛赫线存储器方案的提出已经有二十几年了，直到今天，也没有b l m 商品问世。 b l m 迟迟没有商品问世，原因是多方面的。我们认为主要还是人们对于v b l 的认识不 够深入。b l m 存储器要以“负v b l 对作为信息的载体，并且要在一定的面内场和环 境温度下工作，然而迄今为止，人们还没有解决负v b l 的形成及其在温度、面内场下 的消失机制等问题。由于目前还不能直接观察到石榴石磁泡材料中的v b l ，v b l 的存 在又直接影响着硬磁畴的静态或动态特性。因此，对硬磁畴的静态或动态特性的研究就 显得尤其重要，我们可以籍此探讨v b l 的行为。 1 4 选题背景和研究内容 磁畴以及磁畴在磁场作用下的行为研究一直以来是应用磁学领域的重要内容。最近 磁涡旋核结构【1 t2 1 以及在脉冲场下的行为引起了人们的广泛关注【3 。关于磁涡旋核的形 成和反转机制问题，有人提出利用布洛赫点可以解释该问题【8 j 。而对于布洛赫点来说， 目前还缺少有力的实验证据证实它的存在。人们普遍认为布洛赫线的消失与布洛赫点的 形成有关，所以对石榴石磁泡薄膜条状磁畴壁中垂直布洛赫线( v b l ) 链的性质的研究， 无论是对超高密度布洛赫线存储器的研制，还是对布洛赫点的理解，都是非常重要的。 另一方面，由于磁畴本身介于一种微观大，宏观小的中间尺度，理论计算非常困难，而 v b l 的存在直接影响着磁畴的特性，因此，对作为磁化矢量磁结构的v b l 的深入研究 对微磁理论也具有显而易见的学术意义。 我国于7 0 年代开始从事这方面的研究，河北师范大学物理系磁学研究室与中国科 学院物理所合作多年，对v b l 的产生、消失、温度稳定性等进行深入研究，取得一系 6 石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 列重要的研究成果。聂向富等人提出了外延石榴石磁泡材料中三类硬磁畴的分类标准， 将硬磁畴分为三类 3 8 , 3 9 , 7 4 ：普通硬磁泡( o h b ) 、第一类哑铃畴( i d ) 和第二类哑铃畴 ( i i d ) ，这为v b l 的深入研究提供了方便。 目前，已能够通过磁力显微镜观察到硬磁材料中的v b l l 7 5 1 ，而对于软磁材料，还 不能直接观察到其中的v b l 。v b l 的存在直接影响着硬磁畴的动态特性，而磁畴的动 态特性是v b l 性质的外在反映，因此，对磁畴的动态特性的研究就显得尤其重要。我 们调研了有关硬磁畴动态特性【3 4 】的文章。他们从脉冲偏场法出发，研究了硬磁畴的动态 特性，发现硬磁畴的转动与硬化脉冲宽度0 有关，与脉冲次数以，和直流偏场日。无关。 当硬化脉冲为窄脉冲时( 对于此文献中提到的样品f 。 o 7 5p s 时，开始出现顺时针旋转的硬磁畴；随着勺的增加，顺时针旋转的硬磁畴 越来越多，并且最终全是顺时针旋转的硬磁畴。但是，这篇文章对产生上述现象的原因 未能做出解释。由此，本文从脉冲偏场法和低直流偏场法出发，研究了硬磁畴的动态特 性，解释了上述现象，并从另一侧面探索枝状畴中正、负v b l 的形成条件，总结了其 形成规律。此外，理论上一直以来认为v b l 链的解体是以成对的方式消失的，但是这 一结论缺少实验证据，为此，我们研究了面内场作用后哑铃畴的动态特形，期望解决该 问题。 我们还调研了有关硬磁畴在面内场作用下的研究【12 3 6 ，3 8 4 2 ，4 1 ，侮9 。其中，文献【3 6 】 提到不同硬磁畴中的v b l 开始丢失的l 临界面内场础是不同的，磁畴中含v b l 越多， 其日：就越低，即0 l i d j ；：) ) o m ，这与文献【4 l 】的三类硬磁畴畴壁结构是 一致的结论矛盾。如果文献 4 1 1 的结论是正确的，即三类硬磁畴的畴壁结构是一致的， 三类硬磁畴的区别在于所包含的v b l 的数量不同，那么三类硬磁畴中的v b l 应该有同 样的临界面内场范围，即愀) m = k = ) o 皿；如果文献【3 6 】的结论是正确的， 那么说明三类硬磁畴的畴壁结构可能不同，其中的v b l 不同，导致 s ) l 。 s ) 。 鬈) o 璐。为此，有必要对面内场下硬磁畴的行为进行进一步的研 究，设计合理的实验步骤，解决上述矛盾。 在硬磁畴的温度特性方面，1 9 9 2 年，文献【9 2 】对布洛赫线链解体临界温度机理进行 了初步探索，计算表明，平衡间距s 。随温度的升高而下降，并且在死附近迅速下降。 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 但是，该结论似乎与热力学定律不符合，因为按照热力学定律，随着温度的升高，热力 学系统应该越来越无序，而文献 9 2 1 的结论意味随温度的升高，v b l 链平衡间距会减小， 亦即随着温度的升高v b l 链在畴壁中的随机排列会越有序。为此，有必要对该问题重 新进行研究，希望找到v b l 的平衡间距随温度变化的真实结果。 基于以上研究背景，我们主要做了以下工作： ( 1 ) 实验研究液相外延石榴石磁泡薄膜中哑铃畴的动态特性与硬化脉冲偏场的关 系，对转动行为给出合理解释； ( 2 ) 实验研究经面内场作用后的哑铃畴的动态特性，解决部分丢失v b l 后硬磁畴 的行为问题； ( 3 ) 利用直流偏场整形，研究面内场对液相外延石榴石磁泡薄膜中三类硬磁畴 ( o h b 、i d i i d ) 的影响，解决慨) 皿 呱) i d 池) o m 的矛盾； ( 4 ) 利用直流偏场整形，研究了三类硬磁畴的热稳定性问题，希望发现v b l 解体 的规律。 8 石榴石磁泡薄膜巾硬磁畴的行为 第2 章样品的性质及其制备方法 本章简要介绍了本文研究所用的磁泡薄膜的制备方法、制备原理和相关的设备，并 对磁泡薄膜相关参数的测量方法进行了介绍。 2 1 磁泡材料概述 2 1 1 磁泡材料的必要条件 ( 1 ) 泡畴存贮器的磁性材料必须是薄膜材料。为了使磁畴能自由运动，膜的边界 必须是自由连续，即：不是单晶就是玻璃态。 ( 2 ) 如果略去磁性薄膜的边缘效应，垂直于膜面方向的退磁场系数是4 万。当整个 磁膜在垂直于膜面方向饱和磁化的时候，膜面生成的磁荷在薄膜中形成一个很强的退磁 j 场4 n m , ，其中，以为饱和磁化强度。磁泡只能在自发磁化垂直于膜面的材料中形成， 因此要使白发磁化垂直于膜面就必须在垂直于膜面方向有一个比退磁场更强的单轴各 向异性场h k ，即要求 4 , 4 n m , 因为 h x = 鲁2 ) 其中k 是单轴各向异性常数。式( 2 1 1 ) 可表示为 与1 ( 2 1 2 ) 2 冗m ： 式( 2 1 2 ) 是自发磁化垂直于膜面的条件，也是磁泡材料的必要条件。 ( 3 ) 给出了必要的各向异性后，泡畴材料的物理和磁特性，就由在工作器件中对 泡畴标准所要求的大小、速度和稳定性来决定了。在很低的偏场( 在那时泡失去了它的 圆形，或者成“断开的条”) 和比较高偏场( 那时畴或破灭或消失) 之间，泡畴还是稳 河北师范大学物理科学与信息工程学院博士学位论文 定的。a t h i e l e 指出在给定的材料中，维持泡的材料的薄片或膜的厚度与泡径之间的 最佳关系为 d 2 h ( 4 ) 在上述条件下，缩灭场风与成泡场日：之间关系为 旦1 4 1 马 ( 5 ) 泡畴大小大致为下列关系 d = 8 ，：8 丝垒 蒯l 其中，d 为畴直径；，为特性长度( 它是材料单畴平面的退磁能与畴壁能之比) ；a 是交 换常数对于膜或薄片的厚度h 4 l ，上述关系d 8 l 是成立的。 ( 6 ) 泡畴的速度与它的迁移率及驱动场有关，且受到非线性效应，如动态变换的 强烈影响。畴壁迁移率由下式给出 二三层= 告层 ( 7 ) 式中是迁移率：，是旋磁比；口是吉尔伯特( g i b e r t ) 阻尼参数；胡是材 料在角频率国上的共振线宽。 ( 8 ) 在临界速度匕上，迁移率和驱动场之间的线性关系被破坏，这是由于在畴壁 中水平方向的布洛赫线的形成与传播造成的。这个速度由下式给出： 咋= t 2 4 y a 瓜 在上述名时，泡的传播特性变得特别不稳定在固定的密度与幅度的脉冲驱动场 下，泡的移动距离可以有数量级的变化，且常发生斜线传播。 ( 9 ) 缩灭场可以表示为4 n m 。和形，的函数 h o = 4 n m , ( 一居31 ) ( 1 0 ) 阻止磁泡材料的磁化偏离膜的垂直方向或称它的稳定性是由品质凶数q 给 出的，官由下式表示 1 0 石榴石磁泡薄膜中硬磁畴的行为 q 三去 q 值越大磁泡越稳定，但是q 值越大，磁泡在单位驱动场下的速度也越慢，动态 特性变差。因此，q 值要大于1 ，又不能太大，目前用于磁泡器件的材料的q 值范围是 2 8 。 为了得到优越的器件性能必须找到上述这些参数最佳结合的材料。从而得到既有足 够高的存储密度又有相当快的存取速度，同时又有高稳定性的器件。最后，特别重要的 是磁泡薄膜要有尽可能低的缺陷密度。 2 1 2 磁泡材料的发展概况 历史上所采用的磁泡材料主要有3 种： ( 1 ) 开创磁泡存储器研制工作的b o b e c k 早期选用的磁泡材料是正铁氧体。其分 子式为r n f e 0 3 ，r n 为单一稀土离子或复合稀土离子。这种材料在早期对于验证磁泡存 储器的可能性，以及确定磁泡材料的基本参数等方面的工作中有着不可低估的历史作 用。然而，正铁氧体作为磁泡材料有许多不足之处。一方面，正铁氧体具有很弱的铁磁 性，因而这种材料的饱和磁矩比较低，磁泡的泡径就会比较大，存储器的存储密度就比 较小。而且由于这种磁结构的简单性，导致在调整正铁氧体本身的磁参数时只有很小的 余地。另一方面，要生长大块的完整性好的正铁氧体单晶，工艺上相当困难、成本昂贵。 而且正铁氧体晶体在长成之后还必须经过定向、切片、研磨、抛光等工艺，才能加工成 几十微米厚的薄片以用作磁泡存储器的芯片。这是相当麻烦和费时的。 ( 2 ) 早期所采用的另一类磁泡材料是六角晶系铁氧体，其结构为m f e 。l k ，彳p 1 9 【9 3 】， 其中m 为b a ，c a ，s r 或p b ，而彳则是a l 和g a 。然而，六角晶系铁氧体作为磁泡材料 也有不足之处，这种材料的单轴各向异性较高，迁移率和临界速度很低。因此，六角晶 系铁氧体材料也己不再使用。 ( 3 ) 1 9 7 0 年，a a t h i e l e 完成了磁泡静态理论嗍：其后，人们在材料制备技 术方面有了极大的提高。同年，a h b o b e c k 等人发现某些石榴石晶体在制备过程中， 可以感生出很强的单轴各向异性。目前，广泛采用的磁泡材料是稀土元素的石榴石铁氧 体，这类材料的分子式是：尺3 f e 5 0 1 2 ，晶体结构是立方体，因此它不具有单轴各向异性， 但我们可以用感生各向异性的措施使它们具有单轴性。这类材料的立方各向异性的k l 值是1 0 3j m 3 的量级。感生的各向异性比磁晶各向异性强十倍左右，所以可以产生磁泡， 河北师范大学物理科学与信息工程学院博上学位论文 并且这类材料产生的磁泡具有磁泡直径大、稳定性强、泡径适中等特点。 当然，磁泡材料的选择目前仍然属于个需要研究探索的课题，比如日本东京大学 的一个研究小组正在积极寻找一种能够不需要外部磁场就可以自发形成磁泡的新材料， 并且最近几年已取得可喜进展，他们发现可以由材料内部产生的梯度场形成磁泡【9 5 1 ，该 成果在美国的著名刊物s c i e n c e 上发表，题为“s p o n t a n e o u sb u b b l ed o m a mf o r m a t i o n i na l a y e r e df e r r o m a g n e t i cc r y s t a l ；2 0 0 2 年，日本九州大学也有类似成果发表1 6 6 1 。尽管 这些自发形成的磁泡都是在低温下产生的