Особенности доменной структуры монокристалла феррита-граната Tb3Fe5O12 вблизи точки магнитной компенсации

Визуально исследована магнитооптическими методами доменная структура монокристалла феррита-гранатаTb₃Fe₅O₁₂ в температурной области вблизи точки магнитной компенсации этого ферромагнетика Т_с = 248,6 К.

Ключевые слова: Редкоземельные ферриты-гранаты, доменная структура, доменная граница, тонкий монокристалл, точка магнитной компенсации.

The domain structure of a thin single-crystal of the iron garnet Tb₃Fe₅O₁₂ has been investigates using the visual magneto-optical method in the temperature range near the magnetic compensation point of this ferromagnetic Т_с = 248,6 К.

Key words:Rare-earth iron garnets, domain structure, domain border, thin Single-crystal, the magnetic compensation point.

1. Введение. Известно, что редкоземельные ферриты-гранаты (РЗФГ) R₃Fe₅O₁₂, где R — тяжелый РЗ-ион, имеют так называемую точку магнитной компенсации — температуру T_c (ниже температуры Кюри), при которой их спонтанный магнитный момент M_S обращается в нуль [1]. С практической точки зрения РЗФГ с достаточно высокими T_c представляют интерес как материалы для элементной базы приборов магнитной микроэлектроники, использующих термомагнитный способ записи/стирания информации [2]. Относительно недавно в [3,4] было показано, что положением доменных границ (ДГ) в эпитаксиальных пленках РЗФГ можно управлять с помощью неоднородного электрического поля, что открывает перспективу разработки на основе обнаруженного эффекта принципиально новых элементов магнитной памяти с электрической адресацией [5]. Это обстоятельство возродило интерес к исследованиям ДС РЗФГ вблизи T_c — к области физики многоосных фер- римагнетиков, которая до настоящего времени остается мало изученной экспериментально,[1] а существующие теории не дают однозначного предсказания изменения ДС РЗФГ при T → T_c. Так, например, согласно [8,9], из-за того, что при T → T_c магнитостатическая энергия кристалла стремится к нулю, ДС становится энергетически невыгодной, и, как следствие — в некотором температурном интервале в окрестности T_c кристалл переходит в однородное (бездоменное) магнитное состояние. В то же время из магнитной фазовой диаграммы РЗФГ вытекает, что вблизи T_c с энергетической точки зрения может стать выгодным состояние со скошенными друг относительно друга магнитными моментами железной и РЗ подрешеток, в результате — при T = T_c ДС в кристалле должна существовать [10].

В этой связи были проведены прямые визуальные наблюдения ДС тонкой монокристаллической пластинки тербиевого феррита-граната (Tb₃Fe₅O₁₂) в температурной области, включающей его температуру магнитной компенсации (T_c = 248.6 K [1]), результаты которых представлены далее.

2. Методика эксперимента и образцы. Внаших экспериментах использовался образец монокристалла Tb₃Fe₅O₁₂ в виде плоскопараллельной пластинки с поперечными размерами «2 х 3 mm² толщиной ≈ 100 μm, сориентированной так, чтобы ось [111] составляла с нормалью к ее плоскости угол ≈ 10°, а одна из осей (111) имела меньший наклон к плоскости образца по сравнению с двумя другими (ошибка кристаллографической ориентации образца ~ ±2°). Развитые поверхности образца подвергались шлифовке с помощью алмазных паст с последующим химическим травлением ортофосфорной кислотой [11].

Наличие перпендикулярной к поверхности образца компоненты вектора M_S позволило визуально наблюдать его ДС с помощью поляризационного микроскопа по обычной магнитооптической методике: домены наблюдались „на просвет» при нормальном падении света на плоскость образца; контраст изображений ДС возникал за счет разного знака угла поворота плоскости поляризации проходящего сквозь соседние домены света (подробнее см. [11]).

3. Экспериментальные результаты. Как показали наблюдения, во всем исследованном интервале температур 85–295 K при H = 0 ДС образца образовывали домены в виде светлых (визуально — красного цвета) и темных полос примерно равной ширины с четко очертанными границами. При этом внешнее магнитное поле, параллельное среднему направлению ДГ, сильно влияло на ширину доменов, переводя образец при некотором зависящим от температуры значении H_c в однородное (бездоменное) состояние (см. далее), в то время как поле, ориентированное в плоскости образца перпендикулярно к ДГ, практически не изменяло ширину доменов вплоть до максимальной используемой в эксперименте напряженности H = 60 Oe. Такое поведение ДС очевидно означает, что векторы M_S в соседних доменах антипараллельны друг другу и ориентированы вдоль ДГ, т. е. в соответствии с ожиданиями в образце реализуется 180°-ная ДС. В качестве примера на рис. 1 и рис. 2 приведен ряд фотографий, полученных в процессе нагрева образца от T = 85 K (скорость нагрева «0.2 K/s), иллюстрирующих общий характер изменения его ДС в зависимости от температуры.

Рис. 1. Изображения доменной структуры образца, полученные при различной температуре в процессе его отогрева: 205 (а), 251 (b) и 256 К (c).

Рис. 2. Изображения „равновесной» доменной структуры образца, полученные при различной температуре в процессе его отогрева: 205 (а), 251 (b) и 260 К (c). При каждой температуре образец подвергался размагничиванию в знакопеременном магнитном поле с убывающей до нуля амплитудой.

Наши данные так же противоречат результатам работ [6,7], согласно которым при приближении температуры к T_c плоскопараллельные пластинки феррита-граната Tb₀.₇Er₁.₃Gd₁.₀Al₀.2Fe₄.₈O₁2 различной кристаллографичес-кой ориентации переходят в однородно намагниченное состояние. Причины этого не ясны, тем более что, как показали наши исследования, качественно схожее с показанным на рис. 1 и рис. 2 поведение ДС наблюдается вблизи точки магнитной компенсации в образцах Dy₃Fe₅O₁₂ (T_c «230 K) и Ho₃Fe₅O₁₂ (T_c «140 K).

Возможно, это связано с отличием наших условий эксперимента от тех, при которых проводились наблюдения ДС в [6,7]. Судя по максимальной величине магнитного поля (H= 500 Oe), использующегося для размагничивания образца, в [6,7] применялся электромагнит с сердечником броневого типа; в этом случае остаточное поле сердечников могло вызывать переход образца в однородное магнитное состояние при T — T_c.

Таким образом, вся совокупность экспериментальных результатов, полученных при исследованиях ДС тонкой монокристаллической пластинки феррита-граната Tb₃Fe₅O₁₂ в температурной области в окрестности точки магнитной компенсации, может быть непротиворечиво интерпретирована на основе магнитной фазовой диаграммы РЗФГ, рассчитанной в [10].

Литература:

1.                 Физические величины. Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. Энергоатомиздат, М. (1991). 1231 с.

2.                 В. В. Рандошкин, А. Я. Червоненкис. Прикладная магнитооптика. Энергоатомиздат, М. (1990). 319 с.

3.                 А. С. Логгинов, Г. А. Мешков, А. В. Николаев, А. П. Пятаков. Письма в ЖЭТФ 86, 2, 124 (2007).

4.                 A. S. Logginov, G. A. Meshkov, A. V. Nikolaev, E. P. Nikolaeva, A. P. Pyatakov, A. K. Zvezdin. Appl. Phys. Lett. 93, 182 510 (2008).

5.                 А. К. Звездин, А. П. Пятаков. УФН 179, 8, 897 (2009).

6.                 С. Кандаурова, Л. А. Памятных, Н. П. Кочнева, А. Г. Титова. ФТТ 21, 2, 612 (1979).

7.                 Г. С. Кандаурова, Л. А. Памятных. ФТТ 31, 1, 132 (1989).

8.                 В. Г. Барьяхтар, Д. А. Яблонский. ФТТ 16, 8, 3511 (1974).

9.                 А. Н. Богданов, Д. А. Яблонский. ФТТ 22, 3, 680 (1980).

10.             А. К. Звездин, В. М. Матвеев. ЖЭТФ 62, 1, 260 (1972).

11.             Б. Ю. Соколов. ФТТ 53, 8, 1505 (2011).