Магнитоэлектрические и флексомагнитоэлектрические эффекты в мультиферроиках и магнитных диэлектриках (1097687), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Такиемеханические напряжения возникают при эпитаксиальном росте пленок феррита висмута, вкоторых, действительно, наблюдается подавление спиновой циклоиды, при этом в16зависимости от знака механического напряжения фазовый переход может идти как влегкоплоскостное состояние (при сжатии кристаллической решетки > 1.5% в плоскостипленки), так и в легкоосное (при растяжении >0.5%) [42], что предсказываетсяразработанной в диссертации теоретической моделью.
В замещенных составах аналогичныйфазовый переход происходит вследствие искажения структуры феррита висмута, вызваннойразличием ионных радиусов висмута и примесных ионов [18,43].В третьей главе рассмотрены магнитоэлектрические явления в микромагнетизме.Как уже говорилось во Введении, флексомагнитоэлектрический эффект наблюдается нетольковмультиферроиках:неоднородностями,можетэлектрическаявозникатьдажеполяризация,всвязаннаясцентрально-симметричноммагнитнымимагнитномдиэлектрике. Представляя флексомагнитоэлектрическую энергию (1) в форме, более удобнойдля последующего анализа: F= γ~ ⋅ E(m(∇m ) − (m∇ )m ) , где m – единичный векторFlexoMEнамагниченности, E – напряженность электрического поля, γ% – перенормированнаямагнитоэлектрическаяпостоянная,получаемдляполяризациипространственномодулированной структуры:P=−∂FFlexoME= −γ~ (m(∇m ) − (m∇ )m ) = γ~[Ω × k ]∂E(8)где k – волновой вектор спирали, а вектор Ω указывает направление и плоскость разворота.Нетрудно видеть, что согласно (8) поляризация максимальна в случае циклоиды (рис.
7 а) иотсутствует в случае геликоиды (рис. 7 б).Пространственная модуляция намагниченности имеет место не только в спиральныхмультиферроиках, но и в любом магнитном веществе, которому свойственно разбиваться надомены. Границы между ними – доменные стенки – представляют собой области, в которыхвектор намагниченности плавно разворачивается при переходе от одного домена к другому,причем в зависимости от типа разворота выделяют два класса: стенки Блоха,соответствующие геликоиде, и стенки Нееля, в симметрийном плане аналогичные циклоиде(рис. 7). Поскольку с циклоидами может быть ассоциирована некоторая электрическаяполяризация, то появляется возможность управлять микромагнитной структурой с помощьюэлектрического поля. Причем, что важно для практических приложений, эти эффектыдолжны наблюдаться в тех же условиях, в которых наблюдается микромагнитная структура,а значит, и при комнатных температурах.17а)б)в)г)Рис.
7. Пространственно модулированные магнитные структуры a) спиновая циклоида б)спиновая геликоида в) доменная стенка Нееля г) доменная стенка Блоха.Хотя взаимодействиефлексоэлектрического типа (1) с самых ранних работрассматривалось в контексте магнитоэлектрических свойств доменных границ [26], и вдальнейшем оно обсуждалось в теоретических работах [44-49], долгое время можно былоговорить только о косвенных признаках флексомагнитоэлектрического эффекта на доменныхграницах, таких как локальное усиление электромагнитооптического эффекта [30,31].б)a)Рис.
8. Эксперименты по смещению доменных границ с помощью электрического поля a)схема эксперимента: 1 – заостренная проволока из немагнитного металла (медь или золото),2 – заземленный электродб) Магнитооптическое изображение пленки в проходящем свете: в непосредственнойблизости от электрода (1) располагается участок доменной границы (2), который поддействием электрического поля смещается от равновесного положения, обозначенногоштриховой линией, притягиваясь к игле при положительном потенциале на ней (показанокрасным) и отталкиваясь при отрицательном напряжении (показано синим).Экспериментальные исследования МЭ свойств микромагнитных структур проводились наобразцах пленок феррит-гранатов, которые являются классическими магнитооптическими18материалами [50,51].
Результатом исследований явилось обнаружение нового эффектадвижения доменных границ в неоднородном электрическом поле, создаваемом заостреннымэлектродом, расположенным в непосредственной близости от доменной границы (рис. 8 а).Доменные границы в пленках феррит-гранатов имеют одно направление разворота, чтопроявляется в виде одинаковой электрической полярности доменных границ: все онипритягиваются к положительно заряженной игле и отталкиваются от отрицательнозаряженной (рис. 8 б).Наиболее отчетливо эффект проявляется на головках магнитных доменов (рис.
9).При этом становится возможным измерить скорость доменных границ и ее зависимость отэлектрического поля. Сопоставив результаты измерений в электрическом поле сизмерениями в магнитном поле, можно оценить эффективное магнитное поле, действующеена доменную границу: напряжение 500 В (что соответствует напряженности на острие1 МВ/см) производит такой же эффект, что и магнитное поле 50 Э. По этим даннымстановитсявозможным оценитьэлектрическуюполяризациюдоменнойграницы2P≈0,25 мкКл/ма)б)в)Рис. 9. Движение головки магнитного домена, вызванное ступенчатым импульсомнапряжения амплитудой 500 В с шириной фронта 10 нс. а) исходная конфигурация 1 –электрод, 2 – головка магнитного домена.
б) показаны также последовательные положенияголовки через 75 нс (б) и через 150 нс (в) после начала импульса.Наряду с движением доменных границ наблюдается также наклон их плоскости вэлектрическом поле, наиболее отчетливо проявляющийся при полосковой геометрииэлектрода в виде уширения изображений доменных границ при приложении напряжения(рис. 10). При этом доменные границы (за исключением ближайшей к электроду)практически не смещались в сторону электрода, как это имело место в случае точечногозонда, что, по-видимому, объясняется стремлением сохранить неизменными размерыдоменов.19Данное явление получает объяснение в рамках флексомагнитоэлектрическогомеханизма.
Действительно, магнитная доменная граница представляет собой диполь,который стремится ориентироваться в электрическом поле (рис.10 в). Результирующий уголнаклона определяется балансом уменьшения энергии электростатического взаимодействия ироста поверхностной энергии доменной границы за счет увеличения ее площади при наклоне.По максимальному углу наклона доменной границы (α=10◦) можно оценить электрическуюполяризацию доменной границы PS ~ 0,1 СГС = 0,3 мКл/м2 , что согласуется с приведеннойвыше оценкой из динамических измерений.wlαhEа)б)в)Рис.
10. Увеличение ширины изображения доменных границ под действием электрическогополя: а) магнитооптическое изображение доменной структуры пленки: 1 – доменнаяграница, 2 – полосковый электрод, 3 – контактная площадка б) магнитооптическиеизображения выделенного участка на рис. 10 а) при различных величинах напряжения наэлектроде 2. в) схематическое изображения наклона доменных границ (угол наклона αпреувеличен в иллюстративных целях), h – толщина пленки, w – ширина изображениядоменной границы, l – длина участка стенки.Какпоказалиэкспериментывовнешнеммагнитномполе,электрическуюполяризацию доменных границ в пленках феррит-гранатов можно переключать с помощьюмагнитного поля порядка 10-100 Э.
Предполагается, что магнитное поле, перпендикулярноедоменной границе, изменяет микромагнитную конфигурацию в ней таким образом, чтовектор намагниченности в центре доменной границы становится параллельным полю, врезультате чего магнитная пленка переходит в новое состояние, в котором направлениеразворота намагниченности в соседних доменных границах противоположно (рис. 11).б)a)Рис.
11 Схематическое представление микромагнитной структуры в пленках ферритгранатов а) спонтанное состояние б) во внешнем магнитном поле. В иллюстративных целяхразмер доменных границ преувеличен.20При изменении направления магнитного поля на противоположное переключаетсянаправление вращения намагниченности в доменных границах, что проявляется в сменеэлектрической полярности доменных стенок (рис.
12).Рис. 12 Зависимость электрической полярности магнитных доменных границ от ихмикромагнитной структуры, перестраиваемой магнитным полем. Представлены комбинациимагнитооптических изображений со схематическим изображением иглы и микромагнитнойструктуры образца. Противоположные направления вращения намагниченностей в соседнихстенках проявляются при взаимодействии с электрически заряженным зондом, посколькусоответствуют поверхностным электрическим зарядам противоположных знаков.Доменныеграницыразличныхтиповотнюдьнеисчерпывают всего многообразия микромагнитных структур.Флексомагнитоэлектрические эффекты могут проявляться внеоднородностях доменных границ и магнитных вихрях.Магнитныевихрирассматриваютсякакальтернативамагнитным доменам для представления двоичной информации,поскольку магнитные вихри не создают полей рассеяния,Рис. 13.
Вихревоераспределениенамагниченностипорождает радиальноераспределениеэлектрическойполяризации.являющихся значительным лимитирующим фактором приувеличении плотности записи. Однако управление магнитнымивихрямиостаетсясложнойзадачей.Былопредложенонесколько способов, включающих в себя перемагничиваниеимпульсами магнитного поля или спиновых токов [52]. К21сожалению, оба этих способа подразумевают высокую плотность электрических токов итепловые потери.В этой связи интересна возможность управления магнитными вихрями с помощьюстатического электрического поля, которую предоставляет флексомагнитоэлектрическийэффект.Хотя полная электрическая поляризация такого вихря равна нулю (посколькунаправление модуляции изменяется от точки к точке, рис.
13), отлична от нуля объемнаяrrплотность связанных электрических зарядов ρ (r ) = − divP (r ) , где P рассчитывается поформуле (8). Это создает возможность управления магнитными вихрями с помощьюэлектрического поля.б)a)Рис. 14. Предлагаемая схема электрического переключения топологического зарядамагнитного вихря в магнитной наночастице а) магнитный вихрь б) магнитный антивихрь.Неоднородное электрическое поле, необходимое для зарождения вихря, может,например, создаваться иглой кантилевера зондового микроскопа (рис. 14), причем взависимости от электрической полярности иглы можно ожидать реализации как вихревого,так и антивихревого состояния в магнитной наночастице. Такая система можетрассматриваться как прототип электрически переключаемого элемента магнитной памяти сдвумя логическими состояниями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
