Способ измерения анизотропии тонкой магнитной пленки Советский патент 1987 года по МПК G01R33/02 

11347054

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для изь{ерения поля анизотропии тонких магнитных пленок в широком интервале полей.

Цель изобретения - повышение точности измерения,

На фиг.I и 2 показаны зависимости, поясняющие осуществление предлагае- Q мого способа; на фиг.З - установка для измерения Н.

Сущность способа заключается в следующем,

В пермаллоевых одноосных тонких 15 магнитных пленках ось трудного намагничивания (ОТН) лежит в плоскости пленки. Если вдоль ОТН такой пленки, обладающей незначительной угловой дисперсией анизотропии, одновременно 20 действуют постоянное и синусоидальное переменное магнитные поля, в пленке возникают гармоники индукции.

При UK - Н Нц + Н амплитуда второй и третьей гармоник определяется выражениями

Э/2

где ih - относительная погрешность

измерения Н.

Устремляя HO к Н и пренебрегая членами второго порядка малости и

более, из (l) - (4) получают

-

йПо л о Гмакс

да2

макс

uh. -1

йа, а

(5) (6)

где дЬ

1

йа,/аГ

дЬ, - относительная погрешность измерения с помощью а„ и а ;

акс

относительная ; погрешность измерения максимума & йа, - погрешность измерения нуля а.

Сравнивают результаты (5) и (6). Для уменьшения &h необходимо умень/макс/

ИЛИ . Вели- не может быть меньшить Да,/а

чина

1 г /«акс

3л -

я

,(1 (Ко - H.-f| ; (1)

i;

(I /HO н

где а, а,

а 2В„/ЗТ,

амплитуды соответственно второй и третьей гармоник индукции;

;25 ше относительной погрешности измерительного прибора. Вклад в эту погрешность дает также нестабильность источников постоянного и переменного магнитных полей. Если суммарная по- /ovSO грешность составляет достаточно малую величину, например ua. 0,005, т.е. класс точности приборов

-5/

BO - индукция насыщения; Hg - напряженность постоянного поля; Н - амплитуда напряженности

переменного поля; Н - напряженность поля анизотропии.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что при Нд Нц вторая гармоника максимальна, а третья равна нулю.

0,5, погрешность ДЬ все равно большая: дН 0,055, т.е. на порядок

2g Bbmie погрешности используемых приборов.

Величина Ла, определяется тремя факторами: шумами измерительного тракта и наводками, что устраняется

4Q использованием малошумящей аппаратуры и хорошей экранировкой, и неидеальностью реальных селективных усилителей. Последнее приводит к тому, что вместе с третьей гармоникой час45 тично измеряется и вторая. Следовательно, для обеспечения требуемой величины Ла необходимо,чтобы паблялась селективным усилителем,настроенным на а,до уровня не превьш1ающего

макс

Нт

нГ

(3)

3. В

поле Н-

где а - значение

Н.

Погрешность измерения Н определяется величиной отклонения Н, от Hj, в районе максимума а или нуля а,, в зависимости от способа измерения (фиг.1).

ih 1 -

(4;

где ih - относительная погрешность

измерения Н.

Устремляя HO к Н и пренебрегая членами второго порядка малости и

более, из (l) - (4) получают

tj -

л о Гмакс

да2

макс

-1

йа, а

(5) (6)

где дЬ

1

йа,/аГ

дЬ, - относительная погрешность измерения с помощью а„ и а ;

акс

относительная ; погрешность измерения максимума & йа, - погрешность измерения нуля а.

Сравнивают результаты (5) и (6). Для уменьшения &h необходимо умень/макс/

ИЛИ . Вели- не может быть меньшить Да,/а

чина

1 г /«акс

ше относительной погрешности измерительного прибора. Вклад в эту погрешность дает также нестабильность источников постоянного и переменного магнитных полей. Если суммарная по- грешность составляет достаточно малую величину, например ua. 0,005, т.е. класс точности приборо

0,5, погрешность ДЬ все равно большая: дН 0,055, т.е. на порядок

2g Bbmie погрешности используемых приборов.

Величина Ла, определяется тремя факторами: шумами измерительного тракта и наводками, что устраняется

4Q использованием малошумящей аппаратуры и хорошей экранировкой, и неидеальностью реальных селективных усилителей. Последнее приводит к тому, что вместе с третьей гармоникой час45 тично измеряется и вторая. Следовательно, для обеспечения требуемой величины Ла необходимо,чтобы паблялась селективным усилителем,настроенным на а,до уровня не превьш1ающего

50 )т.е. ослабление второй гармоники фильтром, настроенным на частоту, третьей гармоники, должно составлять

55

2 величину порядка (20 Ip---) дБ. J Л а ,

Полагая а г лЬ, 0,01 получают, что вторая гармоника должна ослабляться на 30 дБ. Это может быть осуществлено с помощью промышленных приборов.

Таким образом, измерение поля анизотропии с помощью третьей гармоники позволяет уменьшить погрешность до 1 % и менее.

Однако формулы (l) и (2), а следовательно, и (5) и (б) получены в V предположении, что ОТН совпадает с направлением поля. Если пленка устанавливается так, что между ОТН и направлением поля- существует некоторый угол ( и вектор поля лежит в плоскости пленки (ОТН пермаллоевых пленок тоже лежит в плоскости пленки при перемагничивании пленки может возникнуть гистерезис, и в зависимости а,(Н,Н„,Н), а,(Н,Нд,Н будут отличные от (1) и (2), В этом .случае получить аналитические выражения, подобные (1) и (2), нельзя, поэтому задача решается численно.

Расчет показывает, что при ( ф О в поле Ид - К1 третья гармоника уже не обращается точно в ноль, а

лишь -стремится к некоторому минималь- 25 ка помещается в измерительную катуштт тт WHH

ному значению, причем поле Н Н

ку 9, сигнал с которой через включенную ей навстречу компенсирующую катушку 10 подается на селективные микровольтметры 11 и 12, настроенные 30 на вторую и третью гармоники сигнала Катушки 3 поля и измерительная катушка устанавливаются соосно так, что вектор магнитного поля всегда находится в плоскости исследуемой пленгде достигается минимум а,,, не совпадает с Н и увеличивается с ростом (f, На фиг.2 представлены зависимости

Hf (if) и ((), откуда видно.

что с

мак.с

(Ц )

ростом { величина а уменьшается. Поэтому критерием совпадения ОТН с направлением поля может

быть максимум

мкн

о

мин

На фиг.1 приведены зависршости

и от Нд/Нц при 1. На фиг.2 приведены зависимости

от HO/H

н„/н,

НГ /Н

от ( и от V , где JJ мим постоянное поле, в котором а (Е) достигает минимума, значение а в этом же поле.

На фиг.З приведена схема ,установ- ки для измерения Н.

Пример. Исследования проводят на плоских одноосных тонких магнитных пленках Fe-Ni-Co, осажденных на стеклянную подложку методом ионко плазменного распыления в постоянном ориентирующем магнитном поле 160 Э.

Устройство для ох;уществления предлагаемого способа содержит генератор 1 переменного тока, конденсатор 2 переменной емкости, катушки 3 Гельмгольца с константой поля 47 Э/А, вольтметр 4 переменного тока, эталонный резистор 5, источнике постоянного напряжения,, амперметр 7 постоянного тока, дроссель 8 индуктивностью 0,7 Гн, измерительную катушку 9 с пленкой, компенсирующую катушку 10, селективные микровольтметры 11

Сигнал с генератора 1 через конденсатор 2 и резистор 5 поступает на катушки 3 Гельмгольца, создавая переменное магнитное поле, которое

измеряется вольтметром 4 по величине падения напряжения на резисторе 5. Постоянный ток от источника 6 через амперметр 7 и дроссель 8 поступает в катушки 3 Гельмгольца, создавая

постоянное магнитное поле которое измеряется с помощью амперметра 7.

Конденсатор 2, настроенный в резонанс с катушками 3, служит для развязки по постоянному току цепи генератора 1. индуктивность дросселя 8 много больше индуктивности катушек 3, поэтому переменный ток в цепи дросселя много меньше, чем в катушках 3. Исследуемая тонкая магнитная пленку 9, сигнал с которой через включенную ей навстречу компенсирующую катушку 10 подается на селективные микровольтметры 11 и 12, настроенные на вторую и третью гармоники сигнала. Катушки 3 поля и измерительная катушка устанавливаются соосно так, что вектор магнитного поля всегда находится в плоскости исследуемой плен Установив некоторую амплитуду переменного магнитного поля Н и меняя величину постоянного магнитного

поля HO, находят область, где значение а(Нд) максимально, дополнительно вращают пленку вокруг оси, перпендикулярной плоскости пленки, добиваясь совпадения ОТН пленки и вектора

поля, критерием чего служит максимум второй гармоники в зависимости от угла поворота, затем определяют поле Нд, В котором а(Нд) 0.

Погрешность измерения Н не пре- вьшзает 0,5%. Измерения проводятся в диапазоне частот 180 - 300 Гц, в полях Н 203, HO 690Э.

Формула изобретения

Способ измерения анизотропии тонкой магнитной пленки, включаюш гй перемагничивание пленки в направлении оси трудного намагничивания пере

менным к постоянным магнитными полями, измерение зависимости амплитуды второй гармоники индукции в пленке от -величины постоянного магнитного поля при фиксированном переменном магнитном поле .и определение постоянного магнитного поля, при котором амплитуда второй гармоники индукции максимальна, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, не меняя величины постоянного

магнитного -поля, вращают пленку во- кру г нормали к плоскости пленки и , устанавливают пленку в такое положение, при котором амплитуда второй гармоники индукции максимальна, измеряют зависимость амплитуды третьей гармоники индукции от величины постоянного магнитного поля и определяют поле анизотропии как поле, в котором амплитуда третьей гармоники индукции равна нулю.

,

2JJ HoJH

Изобретение позволяет повысить точность измерения. Сигнал с генератора 1 переменного тока через конденсатор 2 переменной емкости и резистор 5 поступает на катушку (К) 3 Гельмгольца, создавая переменное магнитное поле (МП), которое измеряется вольтметром 4 переменного тока. Постоянный ток от источника 6 постоянного напряжения через амперметр 7 постоянного тока и дроссель 8 поступает на К 3 Гельмгольца и создает постоянное МП, которое измеряется амперметром 7 постоянного тока. Тонкая магнитная пленка помещается в измерительную К 9, сигнал с которой через компенсирующую К 10 подается на селективные микровольтметры 11,12, настроенные на вторую и третью гармоники (г) сигнала. К 3 Гельмгольца и измерительная К 9 установлены соос- но так, что вектор МП всегда находится в плоскости тонкой магнитной пленки. Вращают тонкую магнитную-пленку вокруг нормали к ее плоскости и устанавливают ее в такое положение, при котором амплитуда второй Г индукции максимальна, измеряют зависимость амплитуды второй Г индукции от величины постоянного МП и определяют поле анизотропии как поле, в котором амплитуда третьей Г индукции равна нулю. 3 ил. I (Л со k о сд

наки 02 IUQ

ИНН

HffKC

Редактор И„Горная

Составитель А.Дивеев

Техред А.Кравчук Корректор А.Тяско

Заказ 5118/45 Тираж 729Подписное

БНИШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4