автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Квазистатические и динамические процессы перемагничивания в функциональных элементах памяти

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. ф.В. ЛУКИНА

На правах рукописи УДК 538.221

Для служебного пользования экз. N ЯЯ-

3 Ю Б И Н Владимир Викторович

КВАЗИСТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЯ В ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПАМЯТИ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника,

микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА

- 1991

Работа выполнена в НИИ физических проблем им. Ф.В.Лукина.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор А.К. Звездин

доктор физико-математических наук А.Ф. Попков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук • Г.Е Ходенков

доктор технических наук Г.К. Чиркин

Ведущая организация:

Московский Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет им. М.В. Ломоносова (Физический факультет)

Защита состоится

Я.

РК.7Л

тлТь

¿рл

1991 г. в

час

на заседании специализированного совета в НИИ физических проблем им. Ф.В.Лукина (г.Зеленоград) по адресу:

103460, г. Москва, К-460, НИИ физических проблем им.Ф.В. Лукина.

Автореферат разослан

1991 г.

Ученый секретарь к.ф.м.н.

С.Н. Мазуренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Высказанная в 1967 году идея Бобека об использовании цилиндрического магнитного домена (ЦМД) в качестве единицы хранения информации дала ощутимый импульс эволюции физики доменных границ в тонких магнитных пленках и привела к созданию промышленной технологии совершенных монокристаллических пленок магнитных материалов, что послужило развитию принципиально новых направлений в магнитной микроэлектронике: ЗУ на ЦМД, вертикальных блоховских линиях (ВБЛ), магнитооптических управляемых транспарантов (МОУТ), изделий СВЧ электроники и магнитооптики. Среди функциональных устройств магнитной микроэлектроники дискретные устройства обработки информации наиболее продвинуты в области промышленного внедрения. Они характеризуются высокой надежностью, энергонезависимостью, широкими возможностями хранения и обработки информации. По совокупности уникальных свойств здесь следует выделить эпитаксиальные магнитные пленки висмутсодержащих ферритов-гранатов, имеющих легко перестраиваемую доменную структуру, высокую скорость доменных границ (ДГ), высокую прозрачность и гигантский магнитооптический эффект Фарадея в видимом диапазоне света. Поэтому практически одновременно с разработками и исследованиями ЗУ на ЦМД были начаты разработки и исследования магнитооптических устройств. Несомненный интерес здесь вызывают магнитные матричные устройства, в которых ячейки представляют собой локальные участки пленки с измененными физическими параметрами, являющиеся функциональными элементами. Ячейка магнитооптической матрицы может выполнять функцию оптического клапана, имеет память, пороговое поле перемагничивания, допускает считывание информации как оптическими, так и электрическими методами.

Ожидалось широкое использование магнитооптических матричных устройств в качестве пространственно-временных модуляторов света (транспарантов) в системах оптической обработки информации (голографические автокорреляторы, параллельные оптические вычислители и т.п.). Однако, несмотря на разработки многочисленных конструкций транспарантов и демонстрацию их принципиальных возможностей в оптико-электронных устройствах, для промышленного внедрения этих устройств у нас в стране требовалось решить целый ряд проблем:

- повысить надежность записи информации в магнитооптический тран-

спарант, которая была недостаточной из-за неконтролируемой перестройки тонкой структуры ДГ при перемагничивании ячеек движением ДГ в плоскости ячейки;

- увеличить быстродействие перемагничивания ячейки, определяемое временем прохождения ДГ расстояния, сравнимого с размерами ячейки в плоскости;

- уменьшить энергопотребление, определяемое пороговым полем и временем перемагничивания ячеек.

Рассмотренный в диссертационной работе механизм вертикального перемагничивания ячеек движением торцевой ДГ (ТГД) и проведенный анализ условий формирования ТГД в неоднородном приповерхностном слое Ферромагнитного диэлектрика во многом позволяют преодолеть отмеченные выше физические ограничения.

Развитие Физики доменных границ в эпитаксиальных пленках с открытой доменной структурой позволило японскому исследователю Кониши выдвинуть и обосновать предложение об использовании упорядоченного набора вертикальных блоховских линий (ВБЛ) для хранения информации в магнитных ЗУ. Эта идея вызвала новый подъем интереса

к физике доменных границ, поскольку обещала существенное повыше-

п

ние плотности записи информации в ЗУ (до 103 бит/см ) при сохранении уже разработанных принципов построения ЗУ на ЦМД.

Сложность исследования структуры доменных границ, обусловленная малой протяженностью магнитных неоднородностей (0,05-0,1 мкм), создает проблему контроля ВБЛ и работы сдвигового регистра памяти. Поэтому на первый план, наряду с разработкой экспериментальных методов, выдвигаются задачи численного моделирования нелинейной реакции магнитной системы на управляющее воздействие и создания адекватных физических моделей. В частности, практический интерес представляют исследования структуры доменной границы в неоднородных ферромагнетиках, нелинейной динамики вертикальных блоховских линий в пространственно-периодическом потенциальном рельефе, влияния взаимодействия ВБЛ на их динамику. Все это требует дальнейшего развития методов математического моделирования, поисков новых подходов к решению задач физики доменных границ.

Цель работы формулировалась в следующих конкретных задачах: 1. Анализ и разработка физических и математических моделей функциональных элементов магнитооптических транспарантов и сдвигового регистра памяти на вертикальных блоховских линиях. Разработка программного обеспечения для исследования моделей на ЭВМ.

2. Исследование квазистатического вертикального перемагничива-ния функциональных элементов магнитооптических транспарантов.

3. Исследование динамического продвижения кластеров вертикальных блоховских линий в пространственно-периодическом потенциальном рельефе.

Научная новизна. В работе впервые проведены подробные теоретические исследования квазистатического вертикального перемагни-чивания ферромагнитного диэлектрика с неоднородным приповерхностным слоем как на основе модельных профилей физических параметров материала в слое, так и на основе реальных профилей, полученных ионной имплантацией; установлены зависимости величины поля пере-магничивания от параметров материала, типа и степени неоднородности слоя ; построена теория пространственно-периодического потенциального рельефа для вертикальной блоховской линии в сдвиговом регистре памяти, сформированном ионной имплантацией; проведены подробные исследования нелинейной динамики взаимодействующих кластеров вертикальных блоховских линий в этом рельефе; объяснен нелинейный механизм автодвихения кластеров ВБЛ в однородной пленке доменосодержащего материала при воздействии короткого импульса магнитного поля.

Практическая ценность работы заключается в возможности непосредственного использования результатов для проектирования и изготовления магнитооптических транспарантов с вертикальным пере-магничиванием и сдвиговых регистров памяти в ЗУ на ВБЛ. В частности, полученные результаты определяют диапазоны допустимого изменения характеристик проектируемых устройств, существенно упрощают и ускоряют оптимизацию характеристик по заданным параметрам при использовании разработанного программного обеспечения. Предложенные и защищенные авторскими свидетельствами конструкции магнитооптических транспарантов могут быть использованы в системах оптической обработки информации.

Научные положения', выносимые на защиту:

1. Результаты теоретических расчетов процесса квазистатического вертикального перемагничивания одноосного ферромагнетика с неоднородным приповерхностным слоем.

2. Конструкции новых типов магнитооптических транспарантов.

3. Результаты численных и аналитических расчетов динамического продвижения кластеров вертикальных блоховских линий в про-

• странственно-периодическом потенциальном рельефе.

4. Объяснение нелинейного механизма однонаправленного автодвиже-

ния кластеров ВБЛ в импульсном магнитном поле смещения.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на IV Всесоюзной школе по оптической обработке информации (Минск,1982), VI Всесоюзном объединенном семинаре " Средства памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) , физические свойства, характеристики и технические применения " (Симферополь, 1983), Всесоюзном совещании по доменным и магнитооптическим устройствам (Суздаль, 1985), X Всесоюзной школе-семинаре " Новые магнитные материалы микроэлектроники "' (Рига,1986), Всесоюзной школе-семинаре "Доменные и магнитооптические запоминающие устройства" (Тбилиси,1987), IX Всесоюзном научно-техническом семинаре " ЦМД/ВБЛ в системах обработки и хранения информации. Доменные и магниооптические усройства. " М:1989; XII Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы для микроэлектроники" (Новгород,1990) и опубликованы в 23 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы (154 наименования). Работа изложена на 226 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы, указан круг нерешенных проблем, определены цели работы, изложена новизна и практическая ценность работы, раскрыта структура и содержание работы по главам.

Первая глава представляет собой обзор литературы по основным Физическим свойствам магнитных пленок ферритов-гранатов (МПФГ), рассмотрение которых необходимо для понимания содержания работы. Основное внимание концентрируется на феноменологичёских моделях статики и динамики доменных границ (ДГ) и вертикальных блоховских линий (ВБЛ) в одноосных МПФГ, механизмах перемагничивания Функциональных элементов памяти. Приводятся доводы в пользу методологии математического моделирования при исследовании процессов в нелинейных физических системах. На основании анализа современного состояния вопроса сформулированы задачи настоящей работы.

Вторая глава посвящена исследованию квазистатического вертикального перемагничивания одноосного ферромагнетика с неоднородным приповерхностным слоем с привлечением разработанных методик вычислительных экспериментов.

При построении Физической модели квазистатического вертикального перемагничивания неоднородного ферромагнитного диэлектрика (п.2.1.) учитывались реальные требования к функциональным элементам (ячейкам) магнитооптических транспарантов. Основные допущения физической модели сводятся к следующему: толщина пленки значительно превосходит толщину неоднородного приповерхностного слоя; магнитная структура пленки (ячейки) является монодоменной; спины на граничных поверхностях не закреплены; вклад полей размагничивания из-за конечных в плоскости пленки размеров элементов не учитывается; перемагничивание магнитной структуры осуществляется внешним однородным магнитным полем, перпендикулярным плоскости элемента. На практике для формирования ТГД достаточна толщина

приповерхностной неоднородности порядка нескольких толщин ДГ в __ </2

объеме пленки Д -К(А/К) , где А - обменная жесткость магнитной пленки, К - одноосная анизотропия. Данная физическая модель (п.2.2.) описывается уравнениями Брауна вместе с граничными условиями, удовлетворяющими указанным допущениям.

Аналитические решения уравнений Брауна возможны только в случае двухслойных пленок с однородными и неограниченными по толщине слоями, разделенными резкой границей, и ряд авторов использовал именно такой .подход. Несмотря на ограниченность аналитической модели (п.2.3), она оказываеся полезной для оценки полей перемагничивания двухслойных пленок, оценки устойчивости "несквозного" НМД по отношению к "прорастанию" в сквозной ЦМД. В частности, в работе получено простое выражение для критического поля перемагничивания двухслойной пленки, один из слоев которой имеет анизотропию типа "легкая плоскость", а другой является одноосным:

Ь2К = - (1+ 1КI )/4 , (1)

где /(2К2/М2 ). К=К,/К2 , "1" - легкоплоскостной слой,

"2" - одноосный слой.

В п.2.4. анализируется перемагничивание одноосного ферромагнетика с неоднородным приповерхностным слоем с анизотроией типа "легкая плоскость". Методика нахождения поля перемагничивания, являющегося управляющим параметром в уравнениях Брауна, основана на численном решении уравнений и поиске критических решений. Критерий потери устойчивости решений базируется на принципе максимального промедления (без учета флуктуаций).

На рис.1 приведен пример расчетных зависимостей поля перем'аг-

ничивания Ферромагнетика в зависимости от толщины приповерхностного слоя для случая резкого изменения эффективной анизотропии на

ли

границе раздела. Толщина слоя Ь нормирована на Дг =^(Аг/Ка ) , Ь2К = Нм/(2К2/М2) , - нормированная на К2 эффективная анизо-

тропия на поверхности слоя.

Рис.1 . Зависимости критических полей перемагничивания

от толщины I приповерхностного слоя: 1 -2 - Ки)=0,2 ; 3 - Ки)=0,4.

6 ±

+

Отметим, что асимптотика » <х> ) согласуется с анали-

тической формулой (1). В случае линейного изменения анизотропии в слое зависимость поля перемагничивания от толщины слоя имеет те же тенденции, что и на рис.1 , однако поле перемагничивания может быть менее 10 X от поля эффективной анизотропии Ферромагнетика.

Для модельных профилей, апроксимирующих профили эффективной анизотропии ионно-имплантированных пленок, исходя из численных решений, получена эмпирическая формула, связывающая величину поля перемагничивания с толщиной приповерхностного слоя Ь0(Ь0 нормирована на Ля ) с близкой к нулю эффективной анизотропией и безразмерным градиентом эффективной анизотропии в переходном слое й = Ац/ХЪц , где Ь2 - толщина переходного слоя:

1 + СО,349 ~ 0,021 Ьо) (пв <,047 + 1,23бЬ„ - 0,113 ЬЪ

(2)

Формула (2)" работает в области наибольшей нелинейности зависимости поля И», от градиента й : 0,2 < в < 2,0 , Ь„ < 5 .

Особый интерес представляет вертикальное перемагничивание ионно-имплантированных ферритов-гранатов с отрицательной константой магнитострикции. В п.2.5 построена математическая модель формирования профиля эффективной анизотропии при ионной имплантации. При этом приняты следующие допущения, оправданные во многих практических случаях: не учитываются эффекты каналирования имплантируемых ионов; пучок ионов, достигающий поверхности, является моноэнергетическим; доза имплантируемых ионов ограничивается линейным участком зависимости магнитоупругой энергии от уровня разрушений в кристалле (для ионов бора В* доза не должна превышать 25 мкКл).

Алгоритм построения профиля эффективной анизотропии сводится к нахождению распределения имплантируемых ионов в мишени (исполь-'зуется асимметричное рапределение Пирсона с четырьмя моментами); затем - распределения дефектов, вызванных энергетическими потерями ионов (суммируются энергетические потери ионов по распределению остановившихся ионов); и, наконец, - магнитострикционного вклада в эффективную анизотропию Ферромагнетика. Этот алгоритм реализован в программах "BORON" и "HELIUM".

Из представленных на рис.2 расчетных зависимостей поля пере-+ +

"h2K

Рис.2 . Зависимости критических полей перемагничивания

zk

феррита-граната от дозы D имплантации ионов В+ ; энергии ионов: 1-70 кэВ ; 2 - 150 кэВ; 3 - 230 кэВ.

20 25

+

магничивания hiX от дозы имплантации D следует, что невозможно снизить поле Ьгк более чем в 3-4 раза при имплантации ионов одной энергии из-за существенно неоднородного профиля эффективной анизотропии.

Однако, как показывает расчет, подбором величин энергий ионов и доз имплантаций можно получить заданный профиль эффективной анизотропии и снизить поле hzx более чем в 20 раз.

На рис.3 представлен пример расчета (последовательно использованы программы "HELIUM" , "COMBI" и "MAGFLM") распределения 1

ионов Не+ с энергиями 30 кэВ (доза 10 мкКл), 70 кэВ (доза 20 мкКл), 100 кэВ (доза 20 мкКл), 150 кэВ (доза 20 мкКл); профиля эффективной анизотропии 2 и критического распределения 3 магнитных моментов, соответствующего критическому полю =0,045 .

Таким образом, математическое моделирование квазистатического вертикального перемагничивания ионно-имплантированных Ферритов-гранатов с использованием разработанных в работе алгоритмов и программых средств позволяет существенно упростить и ускорить получение исходных данных как для Физических экспериментов, так и для технологических проработок.

В главе 3 описаны разработанная стробоскопическая методика измерения времени оптического переключения ячейки магнитооптического транспаранта (п.3.1.)« разработанная оригинальная технология изготовления двухслойной токопроводящей разводки для создания локальных магнитных полей в области перемагничиваемых ячеек (п.3.1.), приведены результаты экспериментальных исследований Функционирования макетных образцов магнитооптических транспарантов (п.3.1.), изготовленных по разработанной технологии, подробно рассмотрены предложенные и защищенные авторскими свидетельствами конструкции новых типов матричных магнитооптических траспарантов с вертикальным перемагниччванием ячеек (п.3.2. и п.3.3.).

Отметим кратко особенности технологии изготовления двухслойной токопроводящей разводки. Нижний слой разводки формируется непосредственно на ячеистой структуре с подслоем окисла толщиной порядка 0,1 мкм , наносимого пиролитическим методом. Толщина напыленной пленки алюминия составляла 0,8-1,0 мкм. Рисунок токо-проводящих шин формируется фотолитографией. Токопроводящие шины

нижнего слоя покрываются электролитическим окислом А1а0; и закрываются затем пиролитическим окислом 3102 толщиной порядка 0,2 мкм. Верхний слой токопроводящих шин Формируется аналогично нижнему слою. Токопроводящие шины выдерживали токовую нагрузку до 2 А в течение 100 мкс.

При исследовании . изготовленных макетов магнитооптических

транспарантов с количеством элементов в матрице 32X32 и 128X128

были определены следующие технические характеристики: время опти-

а

ческого переключения островковой ячейки размером 30X30 мкм - около 3 мкс (для МПФГ состава (Вз.Тт)г (Рейа)504а ); то же для Планерной ячейки ф 100 мкм - около 40-50 мкс; пороговый ток переключения 150-250 мА; фарадеевский угол вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света около 20 град, в ячейках толщиной 5-7 мкм.

Были выявлены также принцииальные недостатки транспарантов, в которых реализован механизм перемагничивания ячеек движением ДГ в плоскости ячейки: при коллапсе домена (полосового или цилиндрического) в ячейке случайная поляризация доменных границ становится причиной неконтролируемого изменения порогов'ого поля перемагничивания ячейки, а следовательно ненадежного переключения ячейки при заданном режиме управления. Кроме того магнитные поля рассеяния ячеек в матрице оказывают влияние на величину порогового поля перемагничивания адресуемой ячейки. В наиболее жестких условиях перемагничивания ячейки на фоне однородно намагниченных ячеек матрицы величина изменения порогового поля может достигать 2535% .

Отмеченные выше недостатки магнитооптических транспарантов устраняются при реализации механизма вертикального перемагничивания ячеек транспаранта. Базовая схема фрагмента транспаранта с вертикальным перемагничиванием дана на рис.4 (стрелками указаны направления векторов намагниченности ).

Рис.4 . Схема фрагмента транспаранта: 1 - магнитооптическая ячейка; 2 - немагнитная подложка; 3 - магнитный слой; 4 - токопроводящие шины.

+

+

В отсутствие токов ячейка находится в монодоменном состоянии, определяемом выбором магнитных параметров материала. При•протекании тока I по системе токопроводящих шин нормальная к плоскости адресуемой ячейки компонента поля вращает вектор намагниченности слоя 3 к направлению поля. По достижении полем критического значения ДГ срывается с поверхности и, двигаясь сверху вниз, пере-магничивает ячейку.

Вертикальное перемагничивание ячейки движением торцевой ДГ, наряду с увеличением быстродействия транспаранта, повышает его надежность, из-за независимости порогового поля от поляризации ДГ, а также из-за уменьшения магнитных полей рассеяния, которые частично замыкаются в верхнем магнитном слое.

Использование в ячейке транспаранта многослойной пленки с различающимися пороговыми полями перемагничивания каждого слоя позволяет реализовать многоуровневый транспарант с вертикальным перемагничиванием слоев (п.3.3.); ( результирующий угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света определяется алгебраической суммой углов поворота в каждом магнитном слое).

В главе 4 проведен подробный анализ нелинейной динамики кластеров вертикальных блоховских линий (ВБЛ) в сдвиговом регистре памяти, представляющим собой замкнутую доменную границу, содержащую ВБЛ и помещенную в пространственно-периодический потенциальный рельеф. Потенциальный рельеф (п.4.1.) образован путем ионной имплантации редкоземельного феррита-граната в виде чередующихся имплантированных и неимплантированных полосок благодаря магнито-стрикционному вкладу в эффективную анизотропию. Из уравнений теории упругости в приближении изотропной упругой полубесконечной среды при условии малой глубины имплантированного слоя Ъ<<с1 С с! — толщина пленки ) в п.4.2. получено выражение для магнито-стрикционной добавки в потенциальный рельеф:

К,(х)= К011 п^п(/„Я/2 )соз(Дх) , ( 3 )

где К0 = - В а/а[и1+ >> )/6Я с!](1-2^ )(В.,+ 2В2 ), £а - изменение параметра кристаллической решетки при имплантации, = 2Яп/Ь, Л- ширина имплантированной полоски, I. - период полосовой имплантированной структуры, >) - коэффициент Пуассона, В1 и Ва - маг-нитоупругие постоянные. Задавая потенциальный рельеф для ВБЛ, в дальнейшем для простоты учитывается только главная гармоника Фурье-разложения, т.е. полагается К4 (х)=К0соз(2/Гх/Ю .

В п. 4.3. на основе редуцированных уравнений динамики ВБЛ, полученных Звездиным А.К. и Попк'овым А.Ф., проведены аналитические оценки критических импульсных полей продвижения ВБЛ в потенциальном рельефе. В случае, когда (уи - подвижность ДГ, Н' - эффективный градиент поля стабилизации ДГ, - собственная частота колебаний ВБЛ в потенциальной яме) и импульс поля имеет предельно асимметричную форму в виде ступеньки, условие переброса хтах =Ь/2 приводит к следующему выражению для нижней границы критического поля переброса ВБЛ в соседнюю потенциальную яму :

К1 У2 3/2 </2

н„ = гзС ь (к0)

( 4 )

где Ь2 =Н 'А /4Я М . Верхняя граница критического поля переброса находится из условия, что для вязкого движения ВБЛ диссипативные потери энергии при прохождении второй потенциальной ямы не позволяют ВБЛ перескочить в следующую яму:

кг г к< а к< г з/г 2 </г </г.

[(Н" ) -(Нг ) ]/(Н2 ) = (2 /ЗС )(М /Ко) Ь (¿(Ь/Л )ае., ,( 5 )

где аС. - параметр затухания Гильберта, Л - параметр ширины ВБЛ, - безразмерный постоянный коэффициент, введенный для согласования с численным решением уравнений динамики ВБЛ. Нижняя и верхняя границы критических полей определяют область стабильного продвижения ВБЛ в сдвиговом регистре памяти.

Технологический разброс параметров по площади модуля ЗУ на ВБЛ, а также неоднородность поля смещения могут существенно ограничить максимальную плотность записи информации в сдвиговый регистр из-за недопустимого уменьшения ширины области стабильного продвижения ВБЛ для наибольшего ухода параметров при заданном потенциальном рельефе. Обеспечение работоспособности регистра в этом случае требует увеличения периода потенциального рельефа, а следовательно ведет к уменьшению максимальной плотности записи информации. Оценку плотности записи информации в полностью заполненном регистре можно сделать, определив минимально возможный период потенциального рельефа 1, из уравнения, полученного с учетом относительных разбросов граничных критических полей продвижения (^Н)^ и (5 Н)2 от номинальных:

( б )

где Q - фактор качества материала. Для доменосодержащего материала с параметрами А=2> 10 эрг/см, К=8-10* эрг/см3 , 4JC М=1000 Гс, с<.=0,2 , Ь=0• 164, периодом полосовой доменной структуры 1,5 мкй и глубиной потенциального рельефа ае0 = К0/2ЖМа =0,3 в случае разброса нижней и верхней границ области стабильности на 5% от номинала максимальная плотность записи информации ограничена 570 Мбит/см2 .

В п.4.4. выполнен численный анализ устойчивой работы сдвигового регистра памяти на ВБЛ. Для анализа использовались редуцированные уравнения нелинейной динамики ВБЛ, обобщенные на случай кластеров ВБЛ с учетом магнитостатического притяжения между 2ÍC -кластерами, совместно с уравнениями движения ДГ. Уравнения вместе с начальными условиями интегрировались численно методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Полученные численные решения использовались для анализа условий стабильного продвижения 2SI -кластеров ВБЛ вдоль ДГ в потенциальном рельефе в зависимости от_магнитных параметров доменосодержащего материала, параметров импульсного магнитного поля смещения, параметров потенциального рельефа. Для определенности доменосодержащий материал характеризовался следующими параметрами: Кц=8-10* эрг/см , А=2-10 эрг/см, 43ГМ = 1000 Гс, £■=1,8' 10®" э'с', Ь=о', 164, сС =0,2 ( 0Í =0,1), L/A =10 (L/A =20) , соответствующими субмикронным доменам.

Как следует из расчетов, область стабильного продвижения ВБЛ (рис.5) не имеет ограничений по длительности импульса. При увеличении длительности заднего фронта импульса магнитного поля ширина области стремится к постоянной величине и составляет 50% от значения нижнего критического поля, что хорошо согласуется с аналитической формулой (5).

шается, +

ь,

0,10. Ц05

а вся область сдвигается р сторону меньших полей (.рис. 6;.

Рис.6. Область стабильного продвижения кластеров БЕЛ в зависимости от намагниченности доменосодержащего материала, Ф<>=0,3 .

Ш

800

т

юоо

4ЯМ, Гс

Рассчитанные области стабильного продвижения невзаимодействующих и взаимодействующих кластеров ВБЛ от глубины потенциального рельефа 5Б0 представлены на рис.7 .

+

Рис.7. Области стабильного продвижения кластеров Ь'БЛ в зависимости от глубины потенциального рельефа зе„ : - - - для изолированных кластеров;

----- для взаимодействующих кластеров.

зе0

0.А ор

В случае магнитостатического взаимодействия кластеров область ограничена снизу критическим значением глубины арок =0,067, обусловленным стягиванием их в одну потенциальную яму. При больших значениях глубины потенциального рельефа вр0 происходит переполяризация ДГ без Переброса кластеров в соседние потенциальные ямы.

В п.4.5. анализируется продвижение кластеров ВБЛ в однородной доменосодержащей пленке под действием импульсов магнитного поля смещения. Доменосодержаая МПФГ имела следующие параметры: 4ЯМ=90 Гс, ^ =0,86-10? э'с-* , 0=30, (¿=0,25 , Н'=4•104 Э/см,

количество ВБЛ в кластере N=10 , характеристическая длина о —

1=1,5-10 см ; параметры импульса: ^„„=1,5 мкс, передний и задний фронты - 0,08 мкс. Проведенные в работе расчеты согласно нелиней-

ной модели показывают, что более высокая скорость ДГ во время действия короткого импульса магнитного поля обуславливает также и большую вязкость движению кластеров ВБЛ; возвратное движение ДГ, происходящее в градиентном стабилизирующем поле с меньшей скоростью, обуславливает нелинейное уменьшение вязкости движению кластеров. Поэтому кластер не возвращается в исходное положение, а проскакивает его. В случае больших длительностей импульса магнитного поля эффект не наблюдается. Расчеты подтверждены экспериментально Шишковым А.Г. и др. (МГУ): на рис. 8 и 9 представлены временные и полевые зависимости смещения кластера. Качественное и количественное соответствие расчетных и экспериментальных зависимостей является убедительным доводом в пользу теории сокращенного описания динамики ВБЛ (редуцированных уравнений) и эффективности ее использования для моделирования узлов ЗУ на ВБЛ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана математическая модель квазистатического вертикального перемагничивания одноосного ферромагнитного диэлектрика с неоднородным приповерхностным слоем и создан пакет программ, позволяющий оптимизировать технические параметры ячеек транспаранта при многократной ионной имплантации. Показано, что в случае многократной ионной имплантации можно уменьшить поле перемагничивания ячейки магнитооптического транспаранта более чем в 20 раз по сравнению с однородной ячейкой.

2. Предложены и защищены авторскими свидетельствами 7 конструкций магнитооптических транспарантов и способ записи информации в транспарант, которые позволяют уменьшить на 1.5-2 порядка время переключения магнитооптической ячейки, а также расширить Функциональные возможности транспаранта.

3. Построена теория потенциального рельефа для вертикальной бло-ховской линии в сдвиговом регистре, возникающего при пространственно-периодической ионной имплантации доменосодержащего материала .

4. Разработана математическая модель сдвигового регистра памяти на ВБЛ и создан пакет программ, обеспечивающий проведение вычислительных экспериментов на ЭВМ.

5. Найдена область устойчивой работы регистра с учетом магнито-статического взаимодействия кластеров ВБЛ. Показано, что маг-нитостатическое взаимодействие кластеров определяет нижнюю границу глубины потенциального рельефа. Установлена зависимость области устойчивой работы регистра от основных параметров материала и управляющих полей.

6. На основании анализа работоспособности сдвигового регистра проведена численная оценка предельной плотности записи, связанная с физическими ограничениями.

7. Объяснен нелинейный механизм автодвижения кластеров ВБЛ в однородной доменосодержащей пленке в импульсном поле смещения, обусловленный нелинейной зависимостью вязкого движения кластеров ВБЛ от их скорости.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных

работах:

1. Зюбин В.В., Зюбина Н.В., Петров A.A. Магнитооптический транспарант с электрическим управлением. // Тез. докл. IV Всесо-

юэной школы по оптической обработке информации. Минск. 1982. 'г. Нам Б. П., Клин В. П., Бондарь С. А., Петров A.A., Зюбин В. В., Павлов В.Т., Соловьев А.Г., Тюменцева С.И. Динамический управляемый транспарант для оптоэлектронного запоминающего устройства. / A.C. СССР 1104583, 1982.

3. Зюбин В.В., Зюбина Н.В., Клин В.П., Нам Б.П., Павлов В.Т., Петров A.A., Соловьев А.Г., Тюменцева С.И. Особенности магнитооптических транспарантов с электрическим управлением.

// Тез. докл. VI Всесоюзного семинара по средствам памяти на цилиндрических магнитных доменах. (Симферополь;. М: 1983. ТС-12. ВЫП.7.

4. Зюбин В.В., Зюбина Н.В., Попков А.Ф., Звездин А.К., Петров A.A., Нам Б.П., Клин В.П. Магнитооптический транспарант. / А.С.СССР 1141903. 1983. .

5. Нам Б.П., Клин В.П., Петров A.A., Зюбин В.В., Павлов В.Т., Соловьев АЛ'., Маланшенкова Н.И. Магнитооптический транспарант. / A.C. СССР 1140616. 1984.

6. Зюбин В.В., Попков А.Ф., Зюбина Н.В., Петров A.A., Нам Б.П., Клин В.П. Магнитооптический транспарант.

/A.C. СССР 1176745.1984.

7. Зюбин В.В., Зюбина Н.В., Попков А.Ф., Петров A.A., Нам Б.П., Клин В.П. . Магнитооптический транспарант.

/ A.C. СССР 1232060. 1984.

8. Зюбин В.В., Зюбина Н.В. Измерение времени оптического переключения МОУТ.//Электронная техника. 1985.СЕР.6 . ВЫП.8(207).

9. Зюбин В.В., Петров A.A., Звездин А.К. Исследование функционирования магнитооптического пространственно-временного модулятора света. // Тез. докл. Всесоюзного совещания по доменным и магнитооптическим запоминающим устройствам. Суздаль. 1985.

1U. Зюбин В.В. Разработка и исследование магнитооптического управляемого транспаранта. // Научно-технический отчет по НИР "Эдельвейс-Т" гос. per. номер Ф19728. 1984. С.56-76.

11. Четкин М.В., Филатов В.Н., Курбатова Ю.Н., Звездин А.К., Зюбин В.В. Способ записи .информации в магнитооптический транспарант.// A.C. СССР 1451766. 1985.

12. Звездин А.К., Зюбин В.В., Попков А.Ф. Вертикальное пере-магничивание двухслойной магнитооптической ячейки.

// Тез. докл. X Всесоюзной шк.-семинара по новым магнитным материалам микроэлектроники. Рига. 1986.

13. Зюбин B.B., Рябоконь В.Н., Зюбина Н.В., Петров A.A.,

Нам Б.П., Клин В.П. Магнитооптический запоминающий транспарант. / A.C. СССР 1176745. 1986.

14. Четкин М.В., Звеэдин А.К., Зюбин В.В., Гадецкий С.Н.," Лыков В.В., Терещенко В.Д., Ахуткина А.И., Курбатова Ю.Н., Парыгина И.В. Магнитооптический пространственно-временной модулятор света. / А.С.СССР 1451766. 1986.

15. Ззеэдин А.К., Зюбин В.В., Попков А.Ф. О квазистатическом вертикальном перемагничивании ионно-имплантированного ферромагнетика. // Тез. докл. Всесоюзной шк.-семинара по доменным и магнитооптическим запоминающим устройствам. Тбилиси. 1987.

16. Зюбин В.В. Движение ВБЛ в потенциальном рельефе. Аналитический подход. // Научно-технический отчет по НИР "Эстрагон", гос. per. номер Ф32939. С.66-74.

17. Звездин А.К., Зюбин В.В., Попков А.Ф. Квазистатическое вертикальное перемагничивание двухслойного ферромагнетика. // Микроэлектроника. 1988. Т.17. ВЫП.2.

18. Попков А.Ф., Зюбин В.В. Модель сдвигового регистра на ВБЛ. // Микроэлектроника. 1989. Т.18. ВЫП.2.

19. Редько.В.Г., Попков А.Ф., Звездин А.К., Зюбин В.В., Винокурова Т.В. Динамика взаимодействующих кластеров ВБЛ в сдвиговом регистре.// Тез. докл. IX Всесоюзного н/т семинара по применению ЦМД/ВБЛ в системах обработки и хранения информации. Москва. 1989.

20. Зюбин В.В. Переключение функционального элемента магнитооптической матричной ИС. // Электронная техника. 1У90. СЕР.10. ВЫП.2(80).

21. Звездин А.К., Зюбин В.В., Попков А.Ф. Вертикальное перемагничивание ионно-имплантированной структуры.// Электронная техника. 1990. СЕР.З. ВЫП.4(138).

22. Шишков А.Г., Гришачев В.Г., Ильичева E.H.', Сосунов Ю.Е., Звеэдин А.К., Попков А.Ф., Зюбин В.В. Однонаправленное продвижение ВБЛ под действием импульсов поля смещения.

// Тез.докл. XII Всесоюзной шк.-семинара по новым магнитным материалам микроэлектроники. Новгород. 1990.

23. Редько В.Г., Попков А.Ф., Звездин А.К., Зюбин В.В., Винокурова Т.В. Динамика взаимодействующих кластеров блоховских линий в сдвиговом регистре.

// Микроэлектроника. 1990. Т.19. ВЫП.6.