Перспективы развития микроэлектроники

    Для характеристики ЦМД-материалов используют так называемый фактор качества Q = K_u/2pM²_s, где К_и - константа одноосной анизотропии, M_s - намагниченность насыщения; в ЦМД-материалах Q>1. Другим важным параметром является характеристичная длина l, задающая характерный размер доменов в данном материале: , где А – так называемая константа неоднородного обмена.

    Рис. 1. Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) в тонкой магнитной плёнке с одноосной анизотропией ( H_см - магнитное поле смешения, d-диаметр ЦМД).

    ЦМД могут образовываться при намагничивании плёнки во внешнем магнитном поле (поле смещения, или поле подмагничивания) H_см. направленном вдоль ОЛН (рис. 1). Для того чтобы намагниченность в объёме плёнки была направлена вдоль ОЛН, энергия магнитной анизотропии должна превышать магнитостатическую энергию (энергию магнитных полюсов, образующихся на поверхности плёнки, когда намагниченность направлена перпендикулярно к этой поверхности).

    Основные  свойства ЦМД. В исходном размагниченном состоянии (при H=0) плёнка из ЦМД-материала обладает, как правило, неупорядоченной лабиринтной доменной структурой (рис. 2, а) с двумя типами доменов, намагниченность к-рых направлена вдоль либо против нормали к поверхности плёнки. Характерное значение ширины домена в лабиринтной структуре зависит от намагниченности насыщения и составляет 0,5-5 мкм в ферритах-гранатах, 0,1-0,5 мкм в гексаферритах, 30-100 мкм в ортоферритах.

    При увеличении напряжённости поля смещения (направленного вверх, как показано на рис. 1) лабиринтная доменная структура превращается в структуру ЦМД; домены с намагниченностью, ориентированной по полю, стремясь уменьшить энергию образца, увеличиваются в объёме, а домены с противоположным направлением намагниченности сжимаются по ширине и уменьшаются по длине до тех пор, пока не превратятся в изолированные ЦМД (рис. 2, б).

    ЦМД поддерживается в устойчивом равновесии под действием трёх сил: сжимающей  со стороны поля смещения; растягивающей  силы магнитостатического происхождения; сжимающей силы поверхностного натяжения доменной стенки. Именно благодаря последней поддерживается круглая форма ЦМД.

Рис. 2. Трансформация лабиринтной  доменной структуры  под действием  внешнего поля: а-лабиринтная  доменная структура; б-уединённые ЦМД; в - решётка ЦМД; г-сотовая доменная структура.

    Изолированные ЦМД существуют в определенном интервале значений напряжённости поля смещения Н₁<Н_см<Н₂ (рис. 3, слева). При H=H₂ происходит коллапс (схлопывание) ЦМД, при H = H₁ он растягивается в полоску. Критическое поле H₁ наз. полем эллиптической неустойчивости, H₂ - полем коллапса. Значения этих полей зависят от соотношения между толщиной плёнки h и её характеристичной длиной l (рис. 3, справа). При изменении величины H_см в интервале от H₁ до H₂ диаметр ЦМД изменяется примерно на b50% относительно ср. значения, равного 8l. Зависимость диаметра ЦМД от поля смещения практически линейная.

Рис. 3. Слева - зависимость  диаметра ЦМД d от поля смещения H_см в плёнках различной толщины; справа - зависимость критических полей H₁ и H₂ от h/l.

    В ряде экспериментов, однако, наблюдаются  т. н. жёсткие ЦМД. для исчезновения которых необходимо приложить поле смещения, почти вдвое превышающее поле коллапса нормального ЦМД, причём конечный диаметр жёсткого ЦМД непосредственно перед коллапсом значительно меньше размера нормального ЦМД в том же материале. Исследования таких различий в поведении при коллапсе, а также в экспериментах по трансляции ЦМД в градиентном поле смещения привели к обнаружению внутренней структуры доменных стенок ЦМД, т. н. состояний ЦМД.

    Состояния ЦМД. В плёнках ЦМД-материалов, в отличие от случая неограниченной среды, доменные стенки являются скрученными, сильное размагничивающее поле ориентирует намагниченность вблизи поверхностей плёнки вдоль нормали к плоскости доменной стенки. Тогда в верхней и нижней частях плёнки стенка имеет структуру Нееля, и лишь в середине плёнки доменная стенка имеет структуру Блоха. Толщина доменной границы в типичных ЦМД-материалах изменяется в пределах 10-100 нм.

    Состояние ЦМД определяется пространственной конфигурацией намагниченности  в центре его доменной стенки в  сечении ЦМД плоскостью, проходящей через середину плёнки, где доменная стенка является блоховской и намагниченность лежит в плоскости плёнки. На рис. 4 представлено несколько возможных простых структур стенок ЦМД.

    Состояние ЦМД характеризуется так называемым индексом состояния

где f - угол между намагниченностью и произвольным направлением в плоскости плёнки. T. о., S представляет собой общее число полных оборотов намагниченности в центре стенки при обходе домена против часовой стрелки. Наиболее простой доменной структуре соответствует S= 1.

Рис. 4. Возможные структуры  стенок ЦМД с малыми индексами S.

    Для каждого значения индекса S существуют две возможные конфигурации стенки, связанные с типом винто-образности (спиральности) нормального участка стенки: c⁺ и c ^-, причём, по определению, c⁺ соответствует лево-винтовому распределению намагниченности в нормальной стенке.

    Возможны  также и другие реально наблюдаемые  конфигурации стенок. Так, на рис. 5 (слева) показано состояние ЦМД (S = 0), которое может реализоваться при наличии поля в плоскости плёнки. Возникающие в стенке переходные области, связанные с различным направлением разворота намагниченности в центре стенки, наз. блоховскими линиями (БЛ; в данном случае - вертикальными блоховскими линиями - ВБЛ). В случае конфигурации, изображённой на рис. 5 (справа, S=1), говорят о незакрученной паре БЛ - паре БЛ разного знака (при сближении таких БЛ разворот намагниченности исчезает- линии аннигилируют), в отличие от закрученной пары БЛ (линии одного знака) в структуре на рис. 5 (слева).

Рис. 5. Слева-структура  стенки ЦМД с S=0; справа - структура стенки ЦМД с S= 1 с незакрученной парой блоховских линий.

    Блоховская линия создаёт поля рассеяния. Эти поля уменьшаются, если БЛ разбивается на две части, намагниченность в которых ориентирована антипараллельно. Возникающая при этом переходная область - неоднородное распределение намагниченности в БЛ - называется блоховской точкой. Так, если верхняя часть ЦМД соответствует S= 1, а нижняя S = 0, то в результате получается состояние S=¹/₂. При наличии магнитного поля в плоскости плёнки блоховская точка будет перемещаться из центра в направлении, соответствующем увеличению участка БЛ, намагниченность в которой ориентирована вдоль поля. T. о., ЦМД может находиться в промежуточном состоянии со значением S между 0 и ¹/₂.

    Статическое состояние ЦМД характеризуется  тройкой чисел (S, L, P)и спиральностью доменной стенки; здесь индекс состояния S - целое или полуцелое число, L - число блоховских линий (чётное), P-число блоховских точек. Для не сильно закрученных доменных стенок (малые индексы S) характерно асимметричное распределение БЛ вдоль контура домена (рис. 4). Этот эффект получил название кластеризации ВБЛ (Хуберт, 1973; Слончевский, 1974) и обусловлен конкуренцией между магнитостатической и обменной энергиями.

    Если  число БЛ в стенке ЦМД достаточно велико, то такой домен является жёстким. Для реальных жёстких ЦМД S порядка 30-100. При уменьшении поля смещения жёсткие ЦМД испытывают эллиптическую неустойчивость, однако они не растягиваются до бесконечности, а принимают форму эллипса определенного размера. В свою очередь, эллипсоидальные ЦМД при дальнейшем уменьшении поля преобразуются в домены, имеющие форму гантели. Жёсткие ЦМД нежелательны в ЦМД-устройствах, поэтому для их подавления в поверхностный слой ЦМД-плёнки имплантируют атомы H, Не, Ne, а также выращивают многослойные плёнки с малой анизотропией в поверхностном слое либо наносят на поверхность тонкий слой пермаллоя. Наиболее сильно различия между состояниями ЦМД проявляются в динамических экспериментах.

    Динамические  свойства ЦМД. Под действием магнитного поля смещения, не однородного в плоскости плёнки, ЦМД перемещаются в область с более слабым полем смещения, где их энергия понижается. Движению ЦМД препятствуют сила вязкого трения и коэрцитивность плёнки. Первая из них обусловлена сопровождающим движение ЦМД переворотом спинов в плёнке и, следовательно, диссипацией энергии. Вторая связана с несовершенством структуры плёнки: дефекты структуры затрудняют перемещение ЦМД в плёнке. В результате скорость движения ЦМД определяется выражением

где DH_z - изменение напряжённости поля на расстоянии, равном диаметру ЦМД; h_w - подвижность доменной стенки; Н_с - коэрцитивная сила материала (Пернески, 1969). Типичные значения этих величин в ЦМД-мате-риалах: h_w

     Важнейший результат исследований 1970-х гг.- открытие эффекта отклонения траектории поступательного движения ЦМД от направления градиента внешнего поля смещения. Отклонение ЦМД вызывается поперечной гироскопической силой, действующей на движущийся участок стенки, характеризующийся разворотом вектора намагниченности по азимутальному углу f, независимо от того, локализовано ли изменение f в блоховской линии или распределено непрерывным образом вдоль стенки домена, как в ЦМД с S= 1 (рис. 4). Гироскопическая сила F_q, действующая на ЦМД, зависит от суммарного разворота угла f вдоль стенки домена (т. е. от среднего индекса ):

здесь g - гиромагнитное соотношение; n - единичный вектор, направленный против намагниченности внутри домена; u - скорость смещения домена.

    Движение  ЦМД определяется одновременным действием продвигающей силы со стороны внешнего поля, силы вязкого трения, коэрцитивной и гиротропных сил (рис. 6). Величина и знак угла сноса ЦМД зависят от индекса ЦМД; при S = 0 ЦМД двигается вдоль проекции градиента поля смещения на плоскость плёнки. При очень большой плотности ВБЛ (жёсткие ЦМД) угол сноса ЦМД стремится к +90⁰.

Рис. 6. Направление действия сил внешнего поля (1), вязкого трения (2, 3) и гироскопической силы (4) для движущегося ЦМД с S= +2( 1-фарадеевская сила, 2-сила вязкого трения, 3 -добавочная сила вязкого трения из-за неелевских линий).

    При включении или выключении магнитного поля в плоскости плёнки возможно движение ЦМД и без внешнего продвигающего градиентного поля смещения. Это движение (так называемое. автодвижение) характерно для ЦМД со сложной структурой доменной стенки и связано с перемещением БЛ вдоль стенки ЦМД при изменении внешнего поля.

    Воздействие тангенциального магнитного поля может приводить также к переходам между состояниями ЦМД. Особенно хорошо исследованы переходы между состояниями (1, 2, 0) ⁺ , (1, 0, 0)⁺, (1, 0, 0)^- и (1, 2, 0)^-.

    Существ. влияние на поведение ЦМД при больших скоростях их движения оказывает скручивание спинов в доменной стенке. На заднем верхнем и переднем нижнем краях домена, где проекция скорости на нормаль к плоскости доменной стенки максимальна, происходит зарождение елоховских петель, или горизонтальных блоховских линий (ГБЛ). Под действием гиротропных сил зародившиеся ГБЛ перемещаются в глубь плёнки. Если ГБЛ достигает противоположной поверхности, то это приводит к появлению двух пар ВБЛ на противоположных краях боковой поверхности ЦМД. Затем происходит зарождение следующей пары ГБЛ и т. д. Многократное повторение описанного процесса приводит к образованию большого числа динамически захваченных ГБЛ и ВБЛ, которые, увеличивая диссипативную силу, снижают скорость ЦМД, что, в конечном итоге, приводит к насыщению скорости ЦМД. Угол сноса при этом не изменяется, т. к. в каждой паре ВБЛ имеют разные знаки.

    Поскольку доменные стенки с БЛ разного знака  не обладают статической устойчивостью, то при выключении поля смещения динамически захваченные БЛ начинают раскручиваться (аннигилировать), что приводит к движению ЦМД по инерции (баллистическое последействие). Прорыв ГБЛ- на поверхность плёнки может сопровождаться также хаотичными изменениями скорости и угла сноса ЦМД.