авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

Микромагнетизм одноосных ферромагнетиков

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТОЛСТОБРОВ Юрий Вениаминович

МИКРОМАГНЕТИЗМ ОДНООСНЫХ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Барнаул - 2010

Работа выполнена в Алтайской государственной академии образования им. В.М. Шукшина и Алтайском государственном техническом университете.

Научные консультанты: Официальные оппоненты: Ведущая организация: доктор физико-математических наук, профессор Старостенков М.Д.; доктор физико-математических наук, профессор Манаков Н.А. доктор физико-математических наук, профессор Безносюк С.А. доктор физико-математических наук, профессор Пастушенков Ю.Г. доктор физико-математических наук, профессор Квеглис Л.И. Институт физики металлов УрО РАН

Защита состоится “23” ноября 2010 года в 12.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.004.04 в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Автореферат разослан “ ______ ” _____________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук Романенко В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Началом теории микромагнетизма считается опубликованная в 1935 году работа Ландау и Лифшица [1]. С тех пор микромагнитный подход получил широкое распространение как для получения фундаментальных представлений о закономерностях формирования и эволюции магнитных структур в ферромагнетиках, так и для оценки потенциальных возможностей их практического использования в различных областях техники. Рассматриваемые в теории микромагнетизма магнитные материалы обычно называют ферромагнетиками, хотя микромагнитный подход применим и для других магнетиков, магнитные моменты в которых ориентированы упорядоченным образом, а усредненный магнитный момент не равен нулю и не зависит (слабо зависит) от внешнего поля [2].

С развитием нанотехнологий появилась потребность детального анализа магнитных систем малого размера, используемых в устройствах микроэлектроники и вычислительной техники. Микромагнитное моделирование является эффективным методом исследования таких систем, поэтому развитие и применение методов моделирования позволяет естественным образом дополнять экспериментальные исследования, которые в ряде случаев весьма затруднены.

Настоящая работа посвящается разработке методов моделирования и их применению для решения конкретных задач. Одной из задач, имеющей большое прикладное значение является магнитная запись. Достаточно назвать такую важную

Рис. 1. Данные из работы [3] о росте плотности записи с 1980 года в применяемых (традиционных) методах магнитной записи.


область применения магнитной записи как вычислительная техника. Методы, материалы, технические устройства, реализующие запись и чтение информации постоянно совершенствуются и этим вопросам посвящено большое количество публикаций. Одной из основных характеристик магнитного носителя является плотность магнитной записи. Плотность записи на частицах-доменах традиционной (поликристаллической) структуры некоторое время назад быстро увеличивалась, пока ее рост не ограничил эффект суперпарамагнетизма (рис. 1). В настоящей работе предлагается новый метод записи на монокристаллической пленке, который может существенно повысить плотность по сравнению с традиционными методами.

Целью диссертационной работы является уточнение и развитие общих представлений о формировании магнитных структур в одноосных магнетиках различной геометрии и выявление новых возможностей их практического использования. Поставленная цель достигается путем разработки эффективных методов численного (компьютерного) моделирования микромагнитных систем и их применением для решения следующих задач:

- исследование влияния магнитных параметров и поперечных размеров на доменные структуры в бесконечно длинных монокристаллах;

- анализ влияния обменного и магнитостатического взаимодействий на характер термического намагничивания многослойной стохастической системы;

- выяснение механизма термического намагничивания в бесконечно длинных монокристаллах;

- исследование влияния торцевой поверхности на вид доменных структур в полубесконечных монокристаллах;

- изучение влияния анизотропии на вид доменных структур в тонкой пластинке;

- исследование механизма превращения неелевских доменных границ в блоховские при увеличении толщины пластинки;

- исследование пригодности блоховских границ полосовой доменной структуры для магнитной записи.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- разработан метод минимизации функционала свободной энергии микромагнитной системы, учитывающий неявную зависимость функционала от поля намагниченности через потенциал собственного поля;

- разработан метод расчета поля намагниченности в полубесконечном монокристалле, не предполагающий его периодичности или заданности на бесконечности;

- разработан конечно-разностный метод расчета двумерного поля намагниченности в тонкой пластинке на двумерной сетке в трехмерном собственном поле, основанный на вычислении потенциала и нормальной к плоскости пластинки компоненты собственного поля.

На основе разработанных методов получены следующие новые результаты:

- установлена возможная причина появления «седловых точек» при минимизации функционала свободной энергии и предложен метод их устранения;

- установлено существование при некоторых условиях доменных структур Ландау в бесконечно длинных монокристаллических призмах;

- получен критерий ориентации однородного поля намагниченности в бесконечно длинном монокристалле;

- предложен новый механизм термического намагничивания в многослойной стохастической системе;

- показан механизм появления эффекта термического намагничивания в бесконечно длинном монокристаллическом стержне высокоанизотропного магнетика в некотором диапазоне поперечных размеров;

- установлено, что при симметричных внутри полубесконечного монокристалла доменных структурах, на торцевой поверхности в широком диапазоне изменения анизотропии возможно устойчивое существование как симметричных (или близких к симметричным), так и асимметричных доменных структур;

- установлено, что в тонкой пластинке с увеличением толщины пластинки изменение типа границ от неелевских к блоховским происходит непрерывно за счет роста зародышей блоховских границ, какими являются вихревые участки на неелевских границах;

- предложено использование полосовой доменной структуры в монокристаллической пленке для магнитной записи, при которой информационными битами являются блоховские границы доменов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием разных математических методов для решения одной и той же физической задачи и сравнением полученных результатов с данными других исследований.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные численные методы значительно расширяют круг микромагнитных систем, доступных для компьютерного моделирования. Полученные результаты расчетов способствуют развитию представлений о закономерностях и механизмах формирования экспериментально наблюдаемых структур и процессов в магнитных материалах.

Предложенный метод магнитной записи на блоховских границах монокристаллической пленки может существенно повысить качество записи по сравнению с традиционными методами.

На защиту выносятся:

- метод минимизации функционала свободной энергии микромагнитной системы, учитывающий неявную зависимость функционала от поля намагниченности через потенциал собственного поля;

- результаты исследования влияния магнитных параметров и поперечных размеров на доменные структуры в бесконечно длинных монокристаллах;

- критерий ориентации однородного поля намагниченности в бесконечно длинном монокристалле;

- механизмы термического намагничивания в многослойной стохастической системе и в бесконечно длинном монокристалле;

- метод расчета поля намагниченности в полубесконечном монокристалле, не предполагающий его периодичности или заданности на бесконечности;

- результаты исследования причин появления симметричных и асимметричных доменных структур на торцевой поверхности полубесконечного монокристалла;

- конечно-разностный метод расчета двумерного поля намагниченности в тонкой пластинке на двумерной сетке в трехмерном собственном поле;

- метод магнитной записи на блоховских доменных границах полосовой доменной структуры в монокристаллической пленке.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: на 1-ой Всероссийской научно – практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2000); на XIII Международной конференции по постоянным магнитам (Суздаль,2000); на 2-ой Всероссийской научно – практической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2001); на 4-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2001); на 2-ой Всероссийской научно – практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2001); на 3-ей Всероссийской научно – практической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2002); на Всероссийской школе-семинаре «Магнитная анизотропия и гистерезисные свойства редкоземельных сплавов» (Тверь, 2002); на 7-й международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2003); на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2003); на 5-ой Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2004); на 4-ой Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в экономике, науке и образовании» (Бийск, 2004); на VIII Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные науки и образование» (Бийск, 2006); на Российско-Японском семинаре «Магнитные явления в физикохимии молекулярных систем» (Оренбург, 2006); на 2-ом Российско-Японском семинаре «Магнитные явления в физикохимии молекулярных систем» (Оренбург, 2007); на II Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные науки и образование» (Бийск, 2008); на Всероссийской научно-практической конференции «Многопрофильный университет как региональный центр образования и науки» (Оренбург, 2009); на Международной конференции «Фотоника молекулярных наноструктур» (Оренбург, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 49 печатных работ, в том числе 15 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора. Результаты, выносимые на защиту, получены лично автором. Автору принадлежат постановка задач данного исследования, разработка методов их решения, составление компьютерных программ, проведение расчетов и интерпретация полученных результатов.





Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 182 наименования. Работа изложена на 174 страницах текста, содержит 59 рисунков и одну таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цели, научная и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту, отражены структура, объем и содержание диссертационной работы.

Первая глава «Расчеты полей намагниченности методами численного моделирования» носит обзорный характер. В ней, в частности, рассматриваются конечно-разностные методы решения уравнения Ландау-Лифшица, сравнительные исследования эффективности применения явных и неявных схем, методы вычисления собственного (размагничивающего) поля.

Во второй главе «Численное моделирование полей намагниченности в монокристаллах бесконечной длины» представлены следующие результаты:

- метод минимизации функционала свободной энергии, учитывающий неявную зависимость функционала от поля намагниченности через потенциал собственно- го поля;

- расчеты полей намагниченности в бесконечно длинных монокристаллических призмах Co, Nd2Fe14B и Ni80Fe20 с квадратными поперечными сечениями разных размеров;

- критерий ориентации однородного поля намагниченности в бесконечно длинном монокристалле квадратного сечения;

- расчет доменных структур в бесконечно длинной монокристаллической призме треугольного сечения.

Широко распространенные методы вычисления распределения намагниченности в микромагнитной системе основаны на минимизации дискретного аналога функционала свободной энергии. Для этой цели обычно используются градиентные методы, которые требуют вычисления частных производных по независимым переменным. В качестве переменных выбираются или компоненты вектора намагниченности М, или углы, определяющие ориентацию М. Если потенциал размагничивающего поля вычисляется с помощью уравнения Пуассона, то сложность вычисления частных производных вызвана неявной зависимостью функционала от поля М через потенциал. При минимизации функционала без учёта неявной зависимости встречаются точки (не являющиеся точками локальных минимумов), в которых любое смещение в направлении, противоположном «градиенту», приводит к росту функционала. Можно предположить, что такие особенности в ряде работ называют "седловыми точками" или "точками бифуркации", т.е. рассматривают их как точки лабильного равновесия. Однако они могут быть исключены, если при вычислении частных производных принять во внимание неявную зависимость функционала от поля M. Конструкция расчетного метода рассматривается на примере задачи о распределении намагниченности в монокристаллической призме бесконечной высоты с квадратным поперечным сечением . При выборе в качестве характерного линейного размера стороны квадрата и ориентации оси легкого намагничивания (ОЛН) по координатной оси Ox (рис. 1) функционал свободной энергии [2] можно представить в следующей безразмерной форме:

(1)

где в подынтегральном выражении записана сумма плотностей энергии обмена, энергии анизотропии, энергии системы во внешнем и собственном (размагничивающем) магнитных полях; – единичный вектор; - кон-

Рис. 2. Расположение областей D и R* на координатной плоскости и типы узлов: А - внутренний, B - регулярный граничный, C - угловой. Узел i0,j0 – центр области R*.

станта обмена; D = - безразмерное поперечное сечение; - константы анизотропии; - напряженности внешнего и собственного полей. Безразмерное поле можно выразить через потенциал U : . Потенциал находится из решения задачи

, (2)

на границе кристалла, (3)

n - единичная внешняя нормаль к поверхности кристалла. Здесь (в формуле (3)) и далее использовано определение производной по направлению для функции , действующей из линейного нормированного пространства в линейное норми

Рис. 3. Углы, определяющие вектор m: 0, 0<2


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.