книги из ГПНТБ / Пузырев В.А. Тонкие ферромагнитные пленки в радиотехнических цепях
.pdfВ. А. П у з ы р е в
ТОН КИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ПЛЕНКИ В РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1974
УДК 621.382.8-416
Пу з ы р е в В. А. Тонкие ферромагнитные пленки в радио технических цепях, м., «Сов. радио», 1974, 1С0 е.
Рассмотрены вопросы создания моделей магнитосвязаниой с пнешними радиотехническими цепями тонкой ферромагнитной пленки и использования этих моделей для расчета устройств, содержащих пленки. Исследовано влияние технологических и
внешних факторов на параметры модели. Изложены |
методы |
|
экспериментального |
определения основных параметров |
модели |
и пленки. |
|
|
Книга рассчитана на специалистов, занимающихся |
вопроса |
|
ми проектирования |
и использования тонкопленочных |
радио |
технических устройств, а также инженеров, работающих в
области применения |
магнитных материалов в СВЧ элементах |
|||||||||
и в вычислительной |
технике. |
|
|
|
|
|
||||
|
81 рис., 6 табл., библ. 47 назв. |
|
|
|
|
|||||
|
1 |
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
Редакция |
радиотехнической |
литературы |
||||||
Владимир |
Андреевич |
Пузырф |
|
Фя-Г-Т.' |
|
|
||||
Тонкие ферромагнитные |
плефиыде<]>-*_£ ,'\<фГО |
|||||||||
в |
радиотехнических |
цепях • |
|
|
— |
- |
~ |
|||
Научный |
редактор Л. И. |
Т е л я т н и к о в |
|
|||||||
Редактор |
И. К. Г а н и н |
|
|
|
|
|
|
|||
Художественный редактор В. Т. |
С и д о р е н к о |
|||||||||
Обложка |
художника |
М а р ч у к а А. Б. |
|
|
||||||
Технический |
редактор 3. |
Н. Р а т н и к о в а |
|
|||||||
Корректор 3. |
Г. Г а л у ш к и н а |
|
|
|
|
|||||
Сдано в набор 30'V 1973 г. Подписано |
в печать |
13/XII 1973 г. Т-18073 |
||||||||
Формат 84 X Ю8'/я Бумага |
типографская № 2 |
|
||||||||
Объем 8,4 усл. п. л., |
8,110 уч.-изд. л. |
|
|
|||||||
Тираж 6800 экз. Зак. 247 Цена |
41 коп. |
|
|
|||||||
Издательство |
«Советское |
радио», |
Москва, |
Главпочтамт, а/я 693 |
||||||
Н а б р а но |
в Московской |
типографии |
jV? |
13 |
Союзполнграфпрома |
|||||
при |
Государственном |
Комитете |
Совета |
Министров СССР |
||||||
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. |
||||||||||
Москва, 107005, |
Денисовский пер., |
д . 30. |
|
|
|
|||||
Отпечатано |
в |
типографии |
нзд-ва |
«Советское |
радио» . Заказ 167ft |
|||||
0341-031 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
п 046 (01)-74 |
-6-73 |
|
|
|
|
|
|
|
© Издательство «Советское радио», 1974.
О Г Л А В Л Е Н И Е
Предисловие Глава 1. Эквивалентная схема магнитосвязаннон тонкой фер
ромагнитной пленки 1.1. Введение
1.2. Краткие сведения о физических свойствах ТФП . .
1.3.Статическая модель пленки
1.4.Динамическая модель пленки
1.5. Эквивалентная схема магнитосвязаннон пленки . .
1.6.Линейная эквивалентная схема
1.7.Параметры эквивалентной схемы
1.8.Влияние неоднородностей пленок
1.9.Определение параметров эквивалентной схемы . . .
1.9.1.Случаи низких частот
1.9.2.Случай высоких частот
1.10.Заключение :• . •
Глава 2. Радиотехнические цепи, содержащие пленки . . .
2.1.Введение
2.2.Включение пленки в качестве проходного элемента .
2.2.1.Модулятор
2.2.2.Параметрон
2.2.3.Ортогональный СВЧ ключ
2.3. Включение пленки в качестве неоднородности . . .
2.3.1.Ключ на неоднородной линии
2.3.2.Плавный фазовращатель
2.3.3.Элемент запоминающего устройства
2.4.Включение пленки в качестве оконечной нагрузки .
2.4.1. Преобразователь |
угол — напряжение . . . . |
2.4.2. Регулируемая нагрузка
2.5.Заключение
Приложение |
1. Модель магнитосвязаннон |
пленки |
Приложение |
2. Аппроксимация выражений |
для <о(т) и е (т) . |
Приложение |
3. Решение дифференциального уравнения (2.15) |
|
Список литературы |
|
|
Предметный |
указатель |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
В последние годы тонкие ферромагнитные пленки стали предметом интенсивного исследования. Такой по вышенный интерес к проблеме пленок вызван, с одной
стороны, их |
особыми магнитными |
свойствами, |
в а ж н ы м и |
||||
д л я теории ферромагнетизма, а |
с |
другой — |
возмож |
||||
ностью |
их |
широкого применения |
в цифровых |
вычисли |
|||
тельных м а ш и н а х и в различных |
радиотехнических уст |
||||||
ройствах. |
|
|
|
|
|
|
|
Тонкие ферромагнитные пленки (ТФП) имеют вы |
|||||||
сокую |
скорость |
изменения намагниченности |
(единицы |
||||
наносекунд) |
при |
относительно |
малых |
мощностях управ |
|||
л я ю щ и х |
полей. |
Вихревые токи |
в |
пленках практически |
отсутствуют на всех частотах вплоть до СВЧ . Экспери ментальные исследования статических и динамических характеристик пленок свидетельствуют о том, что устройства на их основе могут работать в широком ин тервале температур ( ± 1 0 0 ° С ) .
Перспективы использования тонких магнитных пле нок в технике основываются главным образом на вы сокой технологичности изготовления устройств, исполь
зующих пленки с более высоким значением |
магнитной |
||
проницаемости и с более разнообразными |
анизотроп |
||
ными |
свойствами, чем |
у других магнитных |
материалов . |
В |
настоящее время |
тонкие магнитные пленки, обла |
д а ю щ и е высокой скоростью переключения, наиболее широко используются в качестве элементов памяти за
поминающих |
устройств |
электронных цифровых |
машин . |
|||
Это |
их |
использование |
в значительной |
степени |
опреде |
|
л я л о |
и |
направление прикладных физических работ. |
||||
О д н а к о в |
последние |
годы внимание |
физиков |
и ин |
женеров привлекают те свойства, которые могут быть использованы д л я создания радиотехнических устройств. Магнитные пленки используются в качестве основного элемента в преобразователях тока в код, угол — напря
жение [ 1 ] , |
в магнитных |
тонкопленочных линиях с ре |
гулируемой |
з а д е р ж к о й [2] |
и других устройствах. Извест |
ны примеры применения пленок в элементах двухчастотной памяти, параметронах, параметрических усили телях и модуляторах [ 3 ] . Имеется пока небольшое чи сло устройств, использующих ферромагнитный резонанс
4
( Ф М Р ) |
пленок. |
Ф М Р |
в пленках нашел |
применение в |
технике хранения |
дискретной информации |
[ 4 ] , преобра |
||
зователях информации, |
в высокочувствительных магни |
|||
тометрах |
[5] и других |
приборах. Ведутся |
исследования |
внаправлении совместного использования магнитных:
пленок и полупроводниковых |
элементов [ 6 ] . П р и в е д е н |
ный перечень использования |
Т Ф П в различных радио |
технических устройствах является далеко не полным. Основная цель настоящей работы — ознакомить ра
диоинженеров, интересующихся вопросами технического использования тонких ферромагнитных пленок, с мето дами математического моделирования Т Ф П , а т а к ж е с инженерными методами анализа радиотехнических устройств на их основе.
|
Книга состоит из двух глав. В первой главе рассмот |
||||||
рены вопросы получения моделей тонкой |
ферромагнит |
||||||
ной пленки, связанной с радиотехническими |
цепями. И с |
||||||
следуется |
влияние неоднородностей |
пленок |
на |
парамет |
|||
ры |
ее модели. |
|
|
|
|
|
|
|
Экспериментально показано, |
что |
эквивалентная схе |
||||
ма |
д л я большого класса |
з а д а ч |
с хорошим |
приближени |
|||
ем |
(для |
малого сигнала) |
о т р а ж а е т |
свойства |
реальной |
||
пленки. П р и создании эквивалентной схемы |
магнитосвя- |
||||||
занной пленки, как и при |
создании эквивалентной схемы |
любого сложного радиоэлектронного устройства, был до
пущен |
компромисс м е ж д у теоретической |
строгостью, |
с одной стороны, и удобством практического |
применения, |
|
с другой. |
|
|
Во второй главе книги рассмотрены различные ра |
||
диотехнические устройства на основе тонких |
ферромаг |
|
нитных |
пленок. Основное внимание при этом уделено |
количественному исследованию этих устройств с привле
чением полученной в первой части математической |
мо |
||||
дели |
магнитосвязанной |
пленки — эквивалентной |
схемы . |
||
Д а н о |
описание основных |
физических |
особенностей |
про |
|
цессов в исследуемых устройствах. |
|
|
|
||
Автор счТ-гтает приятным долгом |
выразить |
искрен |
нюю благодарность Е. М. Злочевскому и Ю . И . В о л о -
щенко, |
результаты исследований которых |
использованы |
в настоящей книге. |
|
|
Автор многим обязан проф. К. М. Поливанову, п р о ф . |
||
М. Д . |
Карасеву, Л . И. Телятникову, Г. |
П. З а д е р е ю и |
Л . И. Антонову за критические замечания и полезные советы, учтенные при подготовке рукописи к изданию .
Г л а в а 1
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА МАГНИТОСВЯЗАННОЙ ТОНКОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ
1.1. |
ВВЕДЕНИЕ |
В |
настоящее время все большее количество физи |
ческих |
явлений используется для построения радиоэлек |
тронных устройств и систем. В первую очередь это от
носится |
к физическим явлениям, |
имеющим |
место |
в твердом |
теле. Д л я анализа, синтеза |
и расчета |
радио |
электронных устройств широко применяются эквивалент ные электрические схемы. Особое значение эквивалент ные схемы приобретают в связи с развивающимися в по
следнее |
время машинным |
проектированием |
радиотехни |
||
ческих |
устройств |
[ 8 ] . |
|
|
|
Следует отметить, что |
д а ж е |
для целей |
машинного |
||
проектирования |
эквивалентные |
схемы д о л ж н ы быть |
максимально упрощены. Степень упрощения диктуется допустимыми ошибками моделирования . Чем точнее эк
вивалентная схема, тем |
она |
сложнее, а сложность |
устройств, которые могут |
быть |
проанализированы д а ж е |
с помощью ЭВМ, ограничена. Поэтому используемые эк
вивалентные схемы о т р а ж а ю т основные свойства |
реаль |
ных устройств всегда с некоторым приближением, |
что не |
обходимо учитывать при определении требований к точ ности расчетов характеристик схем, особенно при исполь зовании Э В М .
Д л я решения большого класса |
задач, |
связанных с |
|||
исследованием |
радиотехнических |
устройств |
на |
основе |
|
Т Ф П , может быть использована линейная |
эквивалентная |
||||
схема. В подобных устройствах рабочий |
режим |
пленки |
|||
определяется |
постоянносмещающими полями, |
большими |
поля анизотропии пленки или соизмеримыми с ним. Это
условие |
выполняется, в первую |
очередь, в |
устройствах |
с Т Ф П , |
в которых используется |
свойство |
ферромагнит |
ного резонанса. Отмеченные обстоятельства приводят к м а л ы м нелинейностям, вносимым пленкой во внешнюю,
связанную |
с ней цепь, |
что |
и позволяет |
рассматривать |
нелинейную |
систему с |
Т Ф П |
при м а л ы х |
сигналах к а к |
линейную. |
|
|
|
|
6
Д и н а м и ч е с к ие свойства пленок (и других |
магнитных |
|||
материалов) |
о т р а ж а ю т с я фундаментальным |
уравнени |
||
ем Л а н д а у — Л п ф ш п ц а . Д л я однодоменной |
пленки (вра |
|||
щательное |
движение |
намагниченности) |
при |
действии |
внешних полей в плоскости пленки, уравнение |
Л а н д а у — |
|||
Л и ф ш и ц а упрощается |
и представляет собой |
дифферен |
циальное уравнение механических моментов, действу ющих на магнитный момент пленки, записанное в ска лярной форме.
Уравнение Л а н д а у — Л и ф ш и ц а описывает поведение намагниченности (магнитного момента) магнитного м а териала под действием внешних полей. Если внешнее магнитное поле в пленке создается радиотехнической аепыо, то, используя уравнение Л а н д а у — Л и ф ш и ц а , м о ж но отразить взаимное влияние пленки и радиотехниче ской цепи в виде системы дифференциальных уравнений. Эти уравнения могут быть записаны либо относительно магнитомеханических переменных, характеризующих процессы в пленке, либо относительно электрических пе
ременных (тока, |
напряжения, |
магнитного потока и т. п.), |
|||
характеризующих |
процессы |
в |
радиотехнической |
цепи. |
|
В последнем случае |
системе |
полученных уравнений бу |
|||
дет соответствовать |
некоторая |
радиотехническая |
схе |
ма, отличная от исходной. Дополнительные элементы в
такой цепи по сравнению с |
исходной схемой |
обуслов |
лены влиянием пленки. Эти |
дополнительные |
элементы |
иобразуют эквивалентную схему пленки, магнитосвя-
занной с исходной радиотехнической схемой. В д а л ь нейшем при анализе работы всего радиотехнического
устройства |
с Т Ф П |
м о ж н о |
пользоваться |
этой |
схемой, |
|||
а следовательно, |
можно |
использовать хорошо известную |
||||||
радиоинженеру |
теорию |
радиотехнических |
цепей. |
~ |
||||
Область |
применимости |
полученной |
описанным |
пу |
||||
тем эквивалентной |
схемы |
Т Ф П определяется |
областью |
|||||
справедливости исходных уравнений. |
|
|
|
Внастоящей главе получены эквивалентные элек
трические схемы |
д л я |
тонкой |
ферромагнитной |
пленки, |
магннтосвязанной |
с внешними |
радиотехническими цепя |
||
ми. Установлена |
количественная связь м е ж д у |
парамет |
||
рами эквивалентной |
схемы и |
физическими характери |
стиками пленки. Обоснованы и описаны методы экспери ментального определения таких параметров .
7
1.2. КРАТКИЕ |
СВЕДЕНИЯ О |
ФИЗИЧЕСКИХ |
СВОЙСТВАХ |
ТФП |
Основными методами получения |
магнитных |
пле |
||
нок являются |
1) вакуумное |
напыление |
металла на |
под |
л о ж к у ; 2) электролитическое осаждение на немагнит ные металлические или диэлектрические подложки с ме таллическим подслоем; 3) термическое разложение металлоорганических соединений на нагретой поверхно сти подложки; 4) катодное напыление; 5) химическое восстановление металлов из раствора солеи. Наиболее широко распространен метод вакуумного напыления. Он состоит в следующем: в вакууме производится ис парение материала, т а к что образуется поток молекул, которые о с а ж д а ю т с я на подложку, изготовленную обыч но из стекла или кварца . При электролитическом осаж дении пленки формируются методом электролиза . При
катодном напылении |
стекло |
или |
кварц покрываются |
пермаллоем в тлеющем р а з р я д е низкого давления . |
|||
Физические свойства тонких |
ферромагнитных пле |
||
нок исчерпывающе |
освещены |
в |
литературе [11—15], |
поэтому ниже приводятся только те сведения, которые будут необходимы д л я обоснования эквивалентной схе мы. Наибольшее техническое применение пока находят пленки железо - никелевого сплава, содержащего при
мерно |
80% |
N i |
и 20% Fe (пермаллой 80—20). У сплава |
|||
такого |
состава |
магнитострнкция |
очень |
м а л а и дает |
пре |
|
небрежимо малый в к л а д в одноосную анизотропию |
пер- |
|||||
маллоевых |
пленок (последняя |
д о л ж н а |
быть сведена к |
|||
минимуму |
для |
уменьшения |
энергии |
управляющего |
по л я ) .
Вслучае магнитных пленок термин «тонкая пленка»
относится к пленкам, верхняя граница толщины |
кото |
|
рых лежит м е ж д у Ю - 4 и |
Ю - 3 см [11] . Л е н т ы д л я |
звуко |
записи, которые-состоят |
из подложек с нанесенными на |
них тонкими слоями порошка, обычно (независимо от их
толщины) относят |
не к |
тонким пленкам, а |
к порошко |
вым м а т е р и а л а м . |
П р и |
определении пленок, |
кроме тол |
щины слоя, играют роль еще и другие факторы, т. е.
чтобы решить вопрос о том, можно ли назвать |
пленку |
«тонкой», следует, очевидно, не только у к а з а т ь |
ее пре |
дельную толщину, но п принять во внимание дополни тельные факторы . Рассмотрим их.
«Ферромагнитными» считают |
только, |
такие пленки, |
в которых атомные магнитные |
моменты |
участвуют в |
8
обменном взаимодействии. Поведение тонких ферро магнитных пленок отличается от поведения массивных магнитных материалов в силу двух основных причин. Во-первых, в противоположность внутренним .электрон
ным |
спинам |
поверхностные спины |
находятся |
в струк |
|
туре |
с более низкой симметрией, т а к |
как они |
имеют со |
||
седей только со стороны пленки. Во-вторых, |
расположе |
||||
ние |
атомов |
в нескольких слоях, б л и ж а й ш и х к |
подложке, |
||
зависит от природы подложки и температуры, |
которую |
||||
она |
имела при осаждении пленки. П о д л о ж к а м и |
для по- |
ликристаллическнх пленок обычно с л у ж а т аморфные ве щества, например стекло или кварц, которые не могут су щественно влиять на кристаллическую структуру пленки. Тем не менее неизбежные несовершенства и неровности этих подложек будут до некоторой степени определять равновесные расположения по крайней мере нескольких
первых |
слоев |
атомов |
во время осаждения . Д р у г а я ж е |
|||
сторона |
пленки подвержена |
действию остаточных |
газов |
|||
во время |
напыления, |
а впоследствии — и воздуха. Вслед |
||||
ствие |
этого |
может происходить окисление поверхност |
||||
ных слоев, что в дальнейшем |
т а к ж е сказывается на |
свой |
||||
ствах тонких |
пленок. |
|
|
|
Из сказанного ясно, что если поверхностные спины составляют значительную часть общего числа всех спи нов в образце, как это имеет место в большинстве тонких пленок, то свойства такого образца могут отличаться от свойств массивного материала . Действительно, при неко торых обстоятельствах тонкие пленки м о ж н о рассматри вать как особое состояние вещества [12] . М о ж н о привес ти и другие факторы, свидетельствующие о существен ном отличии свойств тонких пленок от массивных мате риалов, например, существенное отличие кристалличе ской структуры пленок от структуры массивных материа
лов и |
т. п. О д н а к о у ж е и |
так ясно, что термин «тонкая |
|
пленка» кроме геометрических особенностей пленок |
(тол |
||
щина, |
площадь) о т р а ж а е т |
т а к ж е и их существенные |
фи |
зические особенности по отношению к магнитным мас
сивным м а т |
е р и а л а м . |
Р е а л ь н а я |
тонкая ферромагнитная пленка состоит из |
множества областей, н а з ы в а е м ы х доменами (или облас
тями самопроизвольной |
намагниченности), к а ж д ы й из ко |
|||
торых |
намагничен до |
насыщения, |
т._е. внутри |
к а ж д о г о |
домена |
все магнитные |
моменты |
располагаются |
п а р а л |
лельно. |
Намагниченность пленки |
в целом представляет |