"Наноэлектронный" этап развития накопителей информации на магнитных дисках

Справка из общего курса физики

Ферромагнетики – это вещества, имеющие очень большую относительную магнитную проницаемость () из-за того, что магнитные моменты атомов и электронов, из которых они состоят, благодаря обменному взаимодействию спонтанно стремятся сориентироваться в одинаковом направлении (поскольку это для них энергетически выгодно). И хотя этому противодействует хаотическое тепловое движение частиц, при температурах ниже так называемой "точки Кюри" такая спонтанная намагниченность все-таки "замораживается". Образуются "домены" – микроскопические компактные области однородной намагниченности, которые под влиянием внешнего магнитного поля ведут себя (перемагничиваются) как единое целое. Размеры доменов зависят от многих факторов и лежат в диапазоне от 10 нм до 100 мкм. Магнитные домены размером свыше 1 мкм можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. На рис. 10.1, например, показана микрофотография магнитных доменов, полученная в оптическом микроскопе методом Керра. На ней четко видны микрокристаллы (кристаллические "зерна") и их разбиение на домены (более светлые и более темные участки внутри зерен).

Для наблюдения и изучения поведения доменов нанометрового диапазона размеров применяют электронную микроскопию, атомно-силовые и туннельные растровые микроскопы, о которых мы рассказали в "Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?" .

Соседние магнитные домены отделены друг от друга доменными стенками – сверхтонкими промежуточными слоями, в которых вектор намагниченности изменяет свое направление от ориентации в одном соседнем домене к ориентации в другом. На формирование этих стенок нужна дополнительная энергия. Однако она значительно меньше, чем выигрыш энергии благодаря спонтанному намагничиванию доменов.

При отсутствии внешнего магнитного поля () направления намагниченности доменов настолько хаотичны, что суммарный магнитный момент ферромагнетика, состоящего из большого количества зерен и доменов в них, равен нулю ( рис. 10.2.а).

При наложении внешнего магнитного поля (его направление показано жирными стрелками) на магнитные моменты доменов действуют силы, стремящиеся повернуть их в направлении поля. Такая переориентация приводит к значительному усилению суммарного магнитного поля.

В слабом магнитном поле происходит лишь частичный поворот магнитных моментов доменов в направлении внешнего магнитного поля ( рис. 10.2.б). Частичный поворот доменов является обратимым процессом: если внешнее поле снимается, то магнитные моменты доменов возвращаются в исходное состояние. В этом диапазоне значений напряженности внешнего магнитного поля (в А/м) имеет место пропорциональность

где - величина магнитной индукции внутри ферромагнетика (в теслах, Тл), (Н/А²) – его магнитная проницаемость. В более сильных магнитных полях начинается сдвиг доменных стенок, за счет чего домены, магнитные моменты которых сориентированы в направлении внешнего поля, увеличиваются в объеме, некоторые домены объединяются, а объем других доменов уменьшается ( рис. 10.2.в). Процесс становится необратимым: если выключить внешнее магнитное поле, то в ферромагнетике наблюдается остаточная намагниченность. Рост магнитной индукции с увеличением замедляется, линейность (10.1) уже не соблюдается. В довольно сильном внешнем магнитном поле магнитные моменты всех доменов сориентированы в одном направлении ( рис. 10.2.г), и дальнейший рост магнитной индукции с увеличением почти прекращается. Такое состояние называют "техническим насыщением".

Типичная "кривая перемагничивания" ферромагнитных материалов типа железа показана на рис. 10.3.

Соответствующее значение называют магнитной индукцией насыщения. Когда напряженность внешнего магнитного поля уменьшается и спадает до нуля, ферромагнитный материал остается еще намагниченным в прежнем направлении. Величину называют остаточной магнитной индукцией. Под действием нарастающего в противоположном направлении внешнего магнитного поля величина прежней намагниченности уменьшается до нуля, а дальше ферромагнетик перемагничивается уже в новом направлении. Напряженность внешнего магнитного поля , необходимую для того, чтобы размагнитить ферромагнетик, называют коэрцитивной силой. При циклическом изменении внешнего магнитного поля кривая перемагничивания ферромагнетика имеет вид симметричной относительно начала координат замкнутой линии, которую называют петлей гистерезиса. Пунктирной линией на рис. 10.3 показана кривая гистерезиса в случае, когда амплитуда переменного внешнего магнитного поля не достаточна для достижения технического насыщения ферромагнетика.

Чем меньше коэрцитивная сила, тем меньше и площадь петли гистерезиса. А последняя пропорциональна работе, которую надо выполнить для магнитной переориентации доменов. Материалы с малой коэрцитивной силой и соответственно с малой площадью петли гистерезиса называют магнитомягкими или просто "мягкими". Ферромагнитные материалы с большой коэрцитивной силой называют магнитожесткими, магнитотвердыми или просто "твердыми" (когда из контекста ясно, о какой "мягкости" или "твердости" идет речь).

Магнитомягкие материалы применяют в трансформаторах, обмотках двигателей и т.д. – там, где переориентация доменов происходит все время и где надо минимизировать потери энергии на перемагничивание. Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, когда надо как можно дольше сохранять установленную ориентацию доменов.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов и другие их свойства зависят не только от их состава, но и от их микро- и наноструктуры, от технологии обработки, от температуры. Кривая гистерезиса зависит еще и от частоты перемагничивания и от характера изменения внешнего магнитного поля.