Численное исследование динамических систем, описывающих эволюцию распределения намагниченности в тонкопленочных структурах малых размеров во внешнем магнитном поле

• Автор: Воротникова, Наталья Владимировна
• Шифр специальности: 01.01.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

§ 1. Общие принципы микромагнетизма. Система Ландау-Лифшица

§2.Методы численного решения задач микромагнетизма

2.1. Дискретизация задачи

2.2. Расчет поля размагничивания

2.3. Методы расчета распределений намагниченности

§3. Особенности перемагничивания частиц различной геометрии (теория и результаты моделирования)

3.1. Однодоменные частицы

3.2. Модель однородного перемагничивания (модель Стонера-Вольфарта)

3.3. Неоднородное перемагничивание малых объемных частиц

3.4. Плоские частицы и слоистые структуры
3.5. Влияние термических флуктуаций на процессы перемагничивания
§4. Использование тонкопленочных элементов в магнитной памяти
4.1. СМ11-эффект и зависящий от спина туннельный эффект
4.2. Магниторезистивная память
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ МАЛЫХ ЧАСТИЦ
§ 1. Постановка дискретной задачи
§2.Расчет размагничивающего поля
2.1. Определение матрицы размагничивания
2.2. Применение быстрого преобразования Фурье для ускорения вычисления магнитостатического поля
§3. Схемы интегрирования уравнения Ландау-Лифшица
§4.Вычисление магнитных полей, создаваемых токовыми шинами
§5. Сравнение схем интегрирования уравнения Ландау-Лифшица

ГЛАВА 3. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ СВЕРХТОНКОЙ МАГНИТНОЙ ПОЛОСЫ
§1. Редуцированная магнитостатическая модель
1.1. Симметричные равновесные распределения намагниченности
1.2. Несимметричные распределения намагниченности
1.3. Исследование устойчивости 65 §2. Симуляция перемагничивания полосы с помощью решения
уравнений Ландау-Лифшица

§3. Выводы
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ ОДНОСЛОЙНЫХ СУБМИКРОННЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЧАСТИЦ
§1. Введение
1.1. Основные параметры моделируемых элементов. Масштабирование
1.2. Вихревые моды перемагничивания в тонких частицах
§2.Перемагничивание сверхтонких прямоугольных элементов
2.1. Основные остаточные конфигурации намагниченности
2.2. Основные моды перемагничивания. Краевой пиннинг
2.3. Влияние дисперсии параметров в решетке элементов
§3.Исследование влияния термофлуктуаций
§4. Влияние формы элемента на процессы перемагничивания
§5. Некоторые особенности перемагничивания элементов с большой анизотропией
§6.Время переключения элементов. Влияние формы импульсов внешнего поля на время переключения
§7.Сравнение результатов численного моделирования с экспериментом
ГЛАВА 5. ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ ТРЕХ- И ПЯТИСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК
§ 1. Перемагничивание трехслойных элементов
1.1. Основные остаточные состояния и моды перемагничивания
1.2. Сравнение перемагничивания трехслойной структуры
с перемагничиванием отдельных слоев
1.3. Влияние формы
1.4. Сравнение результатов моделирования трехслойных структур с экспериментальными данными
§2. Термофлуктуации
§3.Перемагничивание пятислойного элемента
§4. Пример: моделирование работы элемента магнитной памяти
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Микромагнетизм однослойных и многослойных тонкопленочных структур субмикронного размера вызывает большой интерес в связи с развитием новых видов сенсоров и элементов магниторезистивной памяти, использующих открытый в 1988 году эффект гигантского магни-тосопротивпения. Для изготовления таких элементов используются, в основном, магнитомягкие материалы, типа пермаллоя, а также сплавы с кобальтом, анизотропия которых несколько выше.
Экспериментальное изучение процессов перемагничивания рассматриваемых структур затруднено в силу их малого размера и дает лишь усредненные характеристики. С другой стороны, аналитические исследования, основанные на решении уравнений магнитостатики и магнитодинамики, позволяют получать результаты (за исключением весьма частных случаев) лишь в рамках однодоменной модели Стонера-Вольфарта, которая не учитывает неоднородности процесса перемагничивания, весьма существенные даже для столь малых магнитных частиц. Приближенные редуцированные модели расчета, позволяющие находить некоторые неоднородные решения, также описывают частные случаи и в конечном итоге требуют сопоставления с более полной моделью. Поэтому особую актуальность преобретают исследования, основанные на компьютерном моделировании. Отметим, что хотя процессы перемагничивания мелких объемных частиц достаточно детально исследованы в ряде работ, перемагничивание тонких частиц
Так как параметр затухания а не влияет на само равновесное распределение, а влияет только на сходимость к нему, то будет интересным выяснить, какие а лучше использовать для получения статических равновесных распределений. В силу соотношения (2.18) использование малых а в явной схеме нецелесообразно, и для статики ее удобно применять при а к 1. Здесь следует отметить, что использование больших а также нецелесообразно, так как это уменьшает роль прецессионного члена. Пренебрежение этим членом, как показано в [53], может приводить к физически неадекватным решениям.
Хотя в неявной схеме максимальный временной шаг не зависит от параметра а, тем не менее число итераций, необходимое для достижения равновесия, сокращается с уменьшением а (см. Рис. 2.2(Ь)). Этот факт иллюстрирует Рис. 2.3, также полученный для элемента из Примера 1. На рисунке приведена зависимость среднего значения ж-составляющей вектора намагниченности < Мх > от времени t в процессе переключения элемента. Кривые (1) и (3) получены при достаточно маленьком временном шаге, когда более правильно отражается динамика процесса перемагничивания. При а — 0.001 (кривая (1)) сам процесс переключения происходит быстрее, чем при а = 1 (кривая (3)), однако потом наблюдаются длительные колебания вокруг положения равновесия. При увеличении временного шага до критической величины (кривые (2) и (4)) динамика процесса перемагничивания отражается неверно, хотя конечное состояние во всех случаях остается одним и тем же. При этом сохраняется более быстрое переключение при малом параметре затухания (кривая (2)). Таким образом, при малых а установление равновесия происходит быстрее, чем при а = 1, как и показано на рис. 2.2(Ь). Поэтому для получения статических равновесных распределений для неявной схемы целесообразно исполь-