Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 11
1.1. Магнитотранспортные свойств а 11
1.1.1. Косвенное обменное взаимодействие 11
1.1.2. Гигантское магнитосопротивлєние 17
1.1.3. Анизотропное магнитосопротивлєние 25
1.2. Природа анизотропии тонких ферромагнитных пленок 28
1.2.1. Наведенная магнитная анизотропия 28
1.2.2. Случайная магнитная анизотропия 30
1.2.3. Многоосная индуцированная магнитная анизотропия 34
1.2.4. Поверхностная магнитная анизотропия 36
1.3. Магнитная структура многослойных пленок 41
ГЛАВА 2. Методика эксперимента 47
2.1. Магнетронное распыление как метод получения пленок , 47
2.2. Методы исследования структуры пленок 52
2.2.1. Исследования магнитной и кристаллической структуры методом просвечивающей микроскопии 52
2.2.2. Атомно-силовая микроскопия 57
2.3. Магнитометрические методы 60
2.3.1. Индукционный метод 60
2.3.2. Метод ферромагнитного резонанса 63
2.4. Методика гальваномагнитных измерений 68
2.4.1. Изучение магнитной анизотропии пленок на основе гальваномагнитных эффектов 71
ГЛАВА 3. Анизотропия гальваномагнитных свойств пленок Со/Си/Со 73
3.1. Зависимость анизотропии магнитных свойств и магнитосо противления от толщины немагнитной прослойки 73
3.2. Влияние изотермического отжига на анизотропию магнитных и магниторезистивных свойств пленок Со/Си/Со 78
3.2.1. Изотермический отжиг образцов во внешнем постоянном магнитном поле 78
3.2.2. Влияние изотермического отжига без внешнего магнитного поля на анизотропию свойств пленок Со/Си/Со 81
3.3. Влияние анизотропных эффектов на гигантское магнитосопротивление...86
3.3.1. Анизотропный магниторезистивный эффект в трёхслойных Со/Си/Со плёнках 86
3.3.2. Влияние толщины магнитных и немагнитных слоев на магнитосопротивление 88
3.4. Выводы 94
ГЛАВА 4. Магнитная анизотропия и коэрцитивная сила пленок Со/Си/Со 95
4.1. Коэрцитивная сила нанокристаллических пленок Со/Си/Со с косвенным обменным взаимодействием 95
4.2. Случайная магнитная анизотропия пленок Со/Си/Со 117
4.3. Поверхностная магнитная анизотропия пленок Со/Си/Со 130
4.4. Выводы 139
ГЛАВА 5. Особенности наведенной магнитной анизотропии пленок Со/Си/Со 142
5.1. Исследование зависимости величины и типа наведенной магнитной анизотропии от косвенного обменного взаимодействия методом ФМР 142
5.2. Модель трехслойной пленки с косвенной обменной связью 150
5.3. Исследование влияния косвенной обменной связи на анизотропию процессов намагничивания 160
5.4. Выводы 175
Заключение 177
Список литературы 180
- Природа анизотропии тонких ферромагнитных пленок
- Исследования магнитной и кристаллической структуры методом просвечивающей микроскопии
- Зависимость анизотропии магнитных свойств и магнитосо противления от толщины немагнитной прослойки
- Коэрцитивная сила нанокристаллических пленок Со/Си/Со с косвенным обменным взаимодействием
Введение к работе
Наноструктурные объекты в последнее десятилетие являются предметом интенсивных исследований, поскольку на них базируется современная нанонаука и нанотехнологии. Изучение ультратонких магнитных металлических наноструктур привело к возникновению новых эффектов, которые, в первую очередь, являются притягательными для изучения основных физических свойств низко-размерных систем, а также интересны в качестве базовых элементов наноструктурных устройств. Успехи в этой новой отрасли науки - спинтронике [1] были достигнуты благодаря стремительному совершенствованию технологии получения и исследования микро-, наноструктур, что предоставило ученым-физикам широкие возможности в конструировании различных композитных материалов [2]. Использование метода ионно-плазменного напыления, а именно магнетронного распыления, позволило достичь максимальных значений гигантского магнитосопротивления (ГМС), наблюдаемого в мультислоях ДЯ/Д=1Ю% [3], а также получать многослойные пленки в промышленных масштабах.
Повышение величины ГМС и чувствительности магнитных структур, начиная с 1988, было основной целью исследователей [4]. Успехи, сделанные в этом направлении, позволили внедрить структуры с эффектом ГМС во многие отрасли промышленности. Классическими примерами использования элементов с эффектом ГМС являются считывающие головки в устройствах магнитной записи информации [5, 6] и магнитная память с произвольной выборкой [7]. Благодаря хорошему соотношению сигнал - шум и высокой чувствительности многослойные пленки широко используются в качестве магниторезистивных датчиков [8, 9, 10, 11,12].
Кроме практического применения, многослойные магнитные структуры представляют интерес и как объекты с совершенно новыми магнитными и магниторезистивными свойствами. Причина этого заключается в том, что многослойные пленки представляют собой новую конфигурацию магнитоупорядоченной системы, свойства которой обусловлены
5 взаимодействием спинов не только внутри каждого отдельного магнитоупорядоченного слоя, но и дополнительным взаимодействием между ближайшими слоями. Варьируя толщину немагнитной прослойки, можно управлять косвенной обменной связью, что позволяет изменять угол между магнитными моментами в смежных слоях от 0 до 180.
В настоящее время актуальными являются исследования, направленные на изучение влияния косвенной обменной связи на магнитные свойства многослойных пленок [13, 14, 15]. Установление источников и механизмов трансформаций магнитной анизотропии, коэрцитивной силы и доменной структуры позволило бы получать структуры с заданными свойствами, а также объяснить эти уникальные физические явления.
Целью диссертационной работы является исследование влияния косвенной обменной связи на магнитную анизотропию и доменную структуру нанокристаллических пленок Со/Си/Со.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать влияние косвенной обменной связи и магнитной
анизотропии на магниторезистивные свойства пленок Со/Си/Со с различной
толщиной ферромагнитных слоев и немагнитной прослойки.
2. Создать установку для проведения измерений удельного
электросопротивления по 4-х точечной схеме и исследования анизотропии
магнитосопротивления.
3. Исследовать поведение параметров магнитной микроструктуры и
случайной магнитной анизотропии в зависимости от типа и величины
косвенного обменного взаимодействия в области приближения
намагниченности к насыщению.
4. Изучить наведенную магнитную анизотропию в нанокристаллических
пленках Со/Си/Со с различной толщиной немагнитной прослойки методом
ферромагнитного резонанса (ФМР).
5. Определить взаимосвязь магнитной анизотропии с косвенной
антиферромагнитной связью. Провести расчеты компонент магнитной анизо
тропии и косвенной обменной связи, используя аппроксимацию экспери
ментальной кривой намагничивания.
Исследовать поверхностную магнитную анизотропию пленок (Co/Cu)n с целью определения поверхностных и объемных составляющих магнитной анизотропии, а также влияния межслоевых границ на её свойства.
Методом Лоренцовой микроскопии исследовать доменную структуру пленок Со/Си/Со с различным типом косвенной обменной связи.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Осцилляции средней анизотропии магнитного блока в
нанокристаллических пленках Со/Си/Со обусловлены изменением косвенной
обменной связи между ферромагнитными слоями. Косвенная
антиферромагнитная связь уменьшает радиус ферромагнитной корреляции и
приводит к возрастанию величины средней магнитной анизотропии блока.
2. Средняя анизотропия магнитного блока в нанокристаллических
пленках Со/Си/Со играет роль эффективной магнитной анизотропии, которая
определяет вид доменной структуры, процессы намагничивания и величину
коэрцитивной силы.
3. В нанокристаллических пленках Со/Си/Со с косвенной антиферро
магнитной обменной связью формируется многоосная магнитная анизотропия.
4. Конфигурация доменных границ зависит от величины и типа
косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями.
Научная значимость работы состоит в том, что в ней установлена взаимосвязь магнитной анизотропии и косвенной обменной связи. Комплексное исследование трансформаций интегральной и микроскопической магнитной анизотропии, в зависимости от типа и величины косвенной обменной связи, позволяет спрогнозировать магнитные свойства многослойных структур.
Диссертационная работа подготовлена при частичной поддержке Министерства промышленности, науки и технологий (гос. контракт №
7 40.012.1.1.115), Министерства образования Российской Федерации (Молодежный проект - 2003) и ФЦП «Интеграция» 2002 - 2003 гг.
Личное участие автора в получении результатов состоит в следующем:
получение трехслойных и многослойных (Со/Си)„ пленок методом магнетронного напыления. Для определения скорости напыления пленок автором был собран и установлен кварцевый измеритель толщины;
термическая обработка образцов. Для проведения многоступенчатой термической и термомагнитной обработки пленок автором была создана малоинерционная печь радиационного нагрева, позволяющая отжигать серию образцов при температурах до 550С;
измерение магнитосопротивления. Для измерения ГМС, а также установления анизотропных свойств магнитосопротивления, автором была создана установка, позволяющая проводить прецизионные измерения удельного электросопротивления по 4-х точечной схеме;
измерение магнитных параметров индукционным методом;
исследование структуры пленок;
измерение методом ферромагнитного резонанса;
расчеты квазистатических и резонансных параметров многослойных пленок.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на
Международной Байкальской научной конференции «Магнитные материалы»
(Иркутск, 2001 г.), Всероссийской межвузовской научно-технической
конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики»
(Владивосток, 2001, 2002 гг.), Региональной конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2001, 2002 гг.),
Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по
физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов
(Владивосток, 2001, 2002 гг.), Международной школы-семинара «Новые
щ магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002 г.), The Russia - JapanSeminar on Semiconductor Surfaces (Vladivostok, 2002), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2002 г.;
8 Красноярск, 2003 г.), Международной научно-технической конференции «Пленки - 2002» (Москва, 2002 г.).
Структура и объем диссертации ' -, * ' *
Диссертационная работа состоит из введения, основной части состоящей из пяти глав, заключения и списка литературы из 248 наименований. Общий объем диссертации составляет 200 страниц, включая 67 рисунков и 11 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи исследования, изложены защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.
Первая глава содержит краткий литературный обзор. В ней освещено современное представление изложенных в диссертации вопросов. Описаны особенности магнитных и магниторезистивных свойств пленок с чередующимися ферромагнитными и парамагнитными слоями. Рассмотрены как прямое, так и косвенное обменное взаимодействие между ферромагнитными слоями. В этом параграфе описаны модели гигантского магнитосопротивления и источники спинзависимого рассеяния электронов проводимости. Кроме того, проанализированы особенности анизотропного магнитосопротивления в мультислойных структурах.
Во втором параграфе особое внимание уделено магнитной анизотропии многослойных пленок, Проанализированы механизмы наведения одноосной анизотропии в нанокристаллических пленках в процессе напыления и последующей термической обработки. Показана возможность применения модели случайной магнитной анизотропии для описания магнитных свойств поли-, нанокристаллических пленок. Поверхностная анизотропия, источником которой являются поверхности раздела, также рассмотрена в данном обзоре. Показано, что в мультислоях с косвенным обменным взаимодействием, между ферромагнитными слоями, возможно проявление многоосной анизотропии.
В третьем параграфе описаны особенности доменной структуры многослойных пленок с косвенно антиферромагнитной связью, а также рассмотрена модель доменного разбиения в таких образцах.
В завершение главы указывается, что несмотря на большое число работ по данной тематике, недостаточно исследованы вопросы связанные с угловой зависимостью эффекта ГМС, а также с анизотропным магнитосопротивлением в многослойных пленках Со/Си. Практически не исследовано влияния билинейной и биквадратичной компонент косвенной обменной связи на магнитную анизотропию и доменную структуру в нанокристаллических многослойных пленках.
Вторая глава посвящена технологии получения пленок и методов исследования их структуры, магнитных и магниторезистивных свойств. Приводится методика получения пленок Со/Си/Со. Описана методика определения толщины пленок с помощью кварцевого измерителя толщин.
Рассмотрены методы Лоренцовой просвечивающей микроскопии и микродифракции, которые использовались для исследования магнитной и кристаллической структур пленок. Рельеф поверхности пленок исследовался с помощью атомной силовой микроскопии.
Приводится описание методов и методик, которые применялись для определения параметров магнитной анизотропии. Магнитную анизотропию исследовали индукционным методом, ферромагнитным резонансом (ФМР), также степень анизотропности пленок оценивали гальваномагнитным методом. Регистрацию кривых намагничивания и петель магнитного гистерезиса осуществляли индукционным методом. Тип анизотропии дополнительно исследовался методом полярных диаграмм относительной намагниченности. Параметры локальной магнитной анизотропии были найдены из кривых намагничивания, используя закон приближения к насыщению.
Приведена схема установки и методика измерения магнитосопротивления пленок четырехточечным компенсационным методом.
В третьей главе представлены результаты измерения гальвано магнитных и магнитных свойств пленок Со/Си/Со с толщиной медной прослойки от 0 до 2,4 нм до и после термической и термомагнитной обработки. Выявлены
10 особенности магнитных и магниторезистивных свойств в пленках Со/Си/Со с толщиной медной прослойки dCa= 1,0 и 2,1 нм.
В четвертой главе исследуется влияние косвенной обменной связи на величину случайной магнитной анизотропии (СМА) и коэрцитивной силы, а также тип доменной структуры трехслойных плёнок Со/Си/Со.
В первом параграфе описано влияние косвенной обменной связи на величину коэрцитивной силы пленок Со/Си/Со с толщиной медной прослойки da = 0, 0,7, 1,0, 1,6, 2,1, и 2,4 нм. Представлены результаты исследования кристаллической структуры, доменной структуры и рельефа поверхности изучаемых образцов.
Во втором параграфе изложены результаты исследования магнитной микроструктуры нанокристаллических пленок Со/Си/Со в рамках модели случайной магнитной анизотропии. Показано, что осцилляции параметров средней анизотропии магнитного блока обусловлены косвенной обменной связью.
В третьем параграфе исследуется поверхностная магнитная анизотропия в пленках (Co/Cu)n с различной толщиной медной прослойки.
В пятой главе изложены результаты исследования методом ФМР наведенной магнитной анизотропии в пленках Со/Си/Со. Показано, что в пленках с толщиной медной прослойки, соответствующей максимумам антиферромагнитного взаимодействия, формируется многоосная анизотропия. Методом полярных диаграмм относительной намагниченности М/Мг установлено, что наблюдается корреляция двухосной анизотропии с биквадратичной компонентой косвенной обменной связи. Методом Лоренцовой микроскопии выявлены особенности доменной структуры, возникающие в пленках Со/Си/Со с косвенным антиферромагнитным взаимодействием.
Основные результаты настоящей работы выделены в виде итогового заключения.
Природа анизотропии тонких ферромагнитных пленок
Тонкие магнитные пленки как предмет для исследования оптических явлений известны еще с XIX века [16]. Однако впервые магнитные свойства тонких пленок были описаны Блоисом в 1955г. [17] на примере пермаллоевых пленок. В последующие годы наблюдается бум в изучении магнитных пленок сначала однослойных, а затем, начиная с 60-х годов, и многослойных структур [18]. В рассматриваемых структурах вследствие как обменного, так и дипольного взаимодействия между отдельными частями всей системы. магнитное состояние одного слоя может влиять на состояние другого слоя или нескольких слоев. Таким образом, поведение магнитных слоев оказывается взаимосвязанным.
Простейшей многослойной структурой является случай, когда две ферромагнитные пленки осаждены друг на друга. Естественно, пленки должны иметь различные магнитные свойства (например, магнитную анизотропию), которые могут быть обусловлены различным составом пленок или другими причинами. В случае магнитомягких материалов (комбинация из Ni-Fe или Ni-Со [18]), между слоями возникает ферромагнитный обмен, который приводит к параллельной ориентации намагниченности в каждом слое в размагниченном состоянии. Такой тип связи называется ферромагнитная «положительная» обменная связь.
Однако в структурах, состоящих из редкоземельных элементов и слабомагнитострикционных сплавов [18], наблюдается типичная «отрицательная» обменная связи, приводящая к антипараллельной ориентации намагниченности в слоях. Впервые свойства классических трехслойных структур были описаны Брюэром и сотрудниками [19] на примере Ni-Fe/Pd/Co-Ni-Fe. В исследуемой пленке через слабоферромагнитную прослойку реализуется прямое обменное взаимодействие.
В многослойных структурах, состоящих из ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, также может возникать обменная связь. В настоящее время существует несколько моделей описания такой связи. Простейшие из них основаны на магнитостатическом взаимодействии, в котором участвует или вся пленка, или же крупномасштабные периодически расположенные области пленки.
В случае, если диаметр пленки не намного превышает суммарную толщину структуры, возможно антипараллельное выстраивание вектора намагниченности в каждом слое, что приводит к уменьшению эффективного размагничивающего поля. Этот вид магнитостатического взаимодействия проявляет себя в системах хранения информации [18].
В многослойных структурах возможно существование магнитостатической связи, обусловленной периодичными шероховатостями поверхностей раздела, которые наблюдаются в большинстве поликристаллических пленок. Впервые этот эффект был рассмотрен Неелем [20], который показал, что замыкание потока между полюсами обеих пленок приводит к положительной связи между векторами намагниченности обеих ферромагнитных пленок. Данный вид взаимодействия называется связью типа «апельсиновой кожуры», или «Неелевскои». Однако, например, для многослойных поликристаллических пленок Со/Си, полученных методом магнетронного распыления, вклад связи типа «апельсиновой кожуры» оказывается очень мал ( = 0,01-0,1 мДж/м ), по сравнению с измеренным значением межслоевой связи ( » 0,8 мДж/м ) [21]. Из этого следует, что помимо связи типа «апельсиновой кожуры», существуют другие, более сильные, механизмы обменного взаимодействия.
Для многослойных пленок с тонкими немагнитными прослойками ( 6 нм) положительная обменная связь между ферромагнитными слоями осуществляется посредством ферромагнитных мостиков (пиноли или пинхолы от англ. pinhole) в прослойке. На примере мультислоев Со/Си и FeNi/Ag с толщиной немагнитных прослоек I нм, полученных методом магнетронного распыления, высокоразрешающей электронной микроскопией было показано существование сквозных пинолей, а также рассчитана величина эффективной ферромагнитной связи, обусловленной пинолем (J «20 мДж/м2) [21]. С учетом плотности распределения пинолей (характерное расстояние между пинолями около 10 нм, а диаметр микроотверстия =0,8 нм), величины индуцированного косвенного обменного взаимодействия достаточно, чтобы описать магнитное поведение образцов с тонкими немагнитными прослойками. В работе [22], методом атомной силовой микроскопии (АСМ), показано существование пинолей в медной пленке, полученной методом магнетронного распыления, толщиной 10 нм. Средний диаметр пинолей составляет 80 нм. Помимо прямой обменной связи между ферромагнитными слоями, в многослойных структурах между слоями существует косвенное обменное взаимодействие, реализуемое посредством электронов проводимости [23]. Теория косвенной обменной связи впервые была применена Рудерманом и Киттелем [24] для объяснения поведения ядерных спинов в металле. Затем эта модель была распространена для случая взаимодействия магнитных моментов локализованных электронов посредством электронов проводимости [25] и [26]. Эта теория впоследствии была названа теорией РККИ - обменного взаимодействия [27, 28, 29]. Начиная с 1965 года [18], [19] и до наших дней данная теория активно применяется для описания косвенного обменного взаимодействия в многослойных структурах, в том числе и трехслойных [30, 31, 32, 33 и 34]. РККИ-модель предсказывает коротко- и длинноволновые осцилляции косвенной обменной связи от ферромагнитной (ФМ) до антиферромагнитной (АФМ). Для прослойки Си (001) рассчитанные значения коротковолновых осцилляции (Лі) составляют 2,6 монослоев, а длинноволновых Л2 = 5,9 монослоев [28].
Исследования магнитной и кристаллической структуры методом просвечивающей микроскопии
В отличие от ферромагнитных материалов с монокристаллической структурой, где анизотропия возникает вследствие спин-орбитального и магнитного диполь-дипольного взаимодействий [113], в поликристаллических ферромагнетиках существует несколько источников наведенной анизотропии. В качестве основных источников наведенной магнитной анизотропии (НМА) выделяют следующие: направленное упорядочение атомных пар; магнитострикционные напряжения; эффект затенения; предпочтительная ориентация неоднородностей (структурных дефектов). Теория направленного упорядочения атомных пар [114, 115, 116], как механизм образования НМА, хорошо объясняет эффекты термомагнитной обработки в массивных образцах ферромагнитных сплавов. Преимущественная ориентация пар одинаковых атомов, устанавливающаяся при термомагнитном отжиге (ТМО), сохраняется при понижении температуры и, как следствие, возникает магнитная анизотропия. Этой теории недостаточно для объяснения наблюдаемой величины НМА в тонких пермаллоевых пленках, и тем более в пленках чистых металлов. Было высказано предположение [17, 117, 118], что основные источники анизотропии имеют другую природу.
Теория магнитострикционных напряжений [119] основывалась на том, что в случае понижения температуры во время магнитного отжига магнитострикционные деформации могут «замораживаться». Вследствие этого явления в веществе наводится преимущественное направление намагниченности в направлении магнитного поля.
При конденсации пленок, направление роста кристаллитов зависит от угла падения молекулярного пучка на подложку [120]. Такие вытянутые перпендикулярно плоскости падения потока кристаллиты образуются вследствие эффекта самозатенения атомов. Кроме того, обнаруживается анизотропия формы и распределения микро- и макро пор [121], Поэтому можно также считать данную разновидность анизотропии - анизотропией формы пор.
Предпочтительная ориентация неоднородностей, как источник НМА, впервые рассмотрена в работе [122]. Согласно этой теории, в пермаллоевых пленках одноосная анизотропия обуславливается упорядочением атомных пар и упорядочением дефектов (вакансий, дислокаций). Изменение НМА в результате ТМО происходит вследствие изменения ориентации дефектов. В работе [123] дается модельное обоснование влияния структурных дефектов на величину НМА. Индуцирование магнитной анизотропии связывается с магнитостатической энергией границ зерен и блоков. Вследствие наличия точечных дефектов на границе зерен (вакансий, примесных атомов) намагниченность вещества границы меньше намагниченности зерна. При ТМО дефекты перераспределяются таким образом, чтобы понизить магнитостатическую энергию межзеренной границы. Расчеты, проведенные на основе магнитостатической теории, гораздо лучше описывают экспериментальные данные о зависимости Kv от состава, температуры и т.д., чем предсказания других теорий.
Таким образом, в конденсированных однослойных поликристаллических пленках существует три разновидности анизотропии: анизотропия роста, магнитоупругая и НМА, обусловленная границами между зернами.
В ферромагнитных поликристаллических материалах размер зерна Rc имеет порядок нескольких микрометров. Если Rt = (15 нм), то данный материал относится к классу нанокристаллических материалов [124]. Помимо размера зерна, критерием для разделения образцов служит длина обменных корреляций Ь = (А/КІ)]/2 где Л и К- константы обменного взаимодействия и магнито-кристаллической анизотропии, соответственно, - важнейший параметр в теории доменных границ. В случае если Re сопоставим или меньше 6 , магнитные
свойства материала существенно изменяются, по сравнению с крупнозернистыми образцами, и такие материалы относят к нанокристаллическим. Типичная величина 5 для Fe составляет 18 нм, Со - 5,5 нм и Ni - 51 нм [125,126].
Изначально свойства наноструктурных объектов изучались на ферромагнитных частицах. Индивидуальные ферромагнитные частицы можно разделить на три типа [127]. К первому принадлежат частицы большого размера, в которых наблюдается доменная структура. В них перемагничивание определяется движением доменных границ, вследствие этого они обладают малой коэрцитивной силой. С уменьшением размера частицы, наступает ситуация, когда выгодным становится однодоменное состояние. Это второй тип частиц, для которых вращение вектора намагниченности является единственно возможным механизмом перемагничивания. К третьему типу относятся частицы, для которых характерно явление суперпарамагнетизма.
Вышеупомянутая классификация действительна только для изолированных частиц. Совершенно другая ситуация наблюдается, если частицы находятся в контакте друг с другом, что имеет место в наноструктурных материалах [128]. Нанокристаллические плёнки представляют собой ансамбль связанных обменным взаимодействием кластеров, либо зёрен, лёгкие оси которых ориентированы случайным образом. Данная модель лежит в основе теории случайной магнитной анизотропии — СМА. Изначально теория СМА использовалась для объяснения тонкой магнитной структуры в поликристаллических магнитных пленках [129, 130, 131].
Важнейшим источником локальной анизотропии является магнитокристаллическая анизотропия, которая изменяется случайно от одного кристаллита к другому. Намагниченность не следует этим местным изменениям анизотропии из-за обменного взаимодействия, которое сглаживает путь вектора намагниченности, так что для группы кристаллитов устанавливается среднее направление намагниченности размером 2Rf, где Rf - ферромагнитный корреляционный радиус [130].
Помимо кристаллографической анизотропии, вклад в СМА дают магнитострикционные эффекты, например, анизотропные напряжения в пленках [132]. Могут иметь место вариации наведенной анизотропии в объеме кристаллита за счет пар Нееля-Танигучи. Поверхностные шероховатости пленки, межзеренные границы, поры, немагнитные включения тоже оказывают влияние на СМА [17].
Зависимость анизотропии магнитных свойств и магнитосо противления от толщины немагнитной прослойки
Практически все предыдущие рассуждения ограничивались случаями, в которых рассматривались одноосные поликристаллические ферромагнитные пленки. Однако возможна ситуация, когда магнитные поликристаллические пленки будут обладать областями с локальной многоосной анизотропией [139]. Выделяют несколько источников двухосной анизотропии в однослойных структурах: (1) неоднородные анизотропные напряжения в магнитострикционных пленках; (2) магнитостатические поля, обусловленные поверхностными шероховатостями; (3) флуктуации по величине наведенной анизотропии вследствие неоднородности температуры подложки в процессе осаждения пленки; (4) однородные анизотропные напряжения, создающие флуктуации магнитострикции; (5) различия в величинах Ки обменносвязанных смежных областей пленки, которые возникают вследствие наличия структурных дефектов. Таким образом, неоднородности в величине или направлении поля одноосной анизотропии создают локальное поле двухосной анизотропии.
В многослойных структурах возможны ситуации, в которых легкие оси неколлинеарны и направление намагниченности изменяется от слоя к слою. Такие пленки будут обладать анизотропией высших порядков [140]. При произвольных направлениях осей лёгкого намагничивания следует ожидать появления двухосной компоненты анизотропии, но, кроме того, при этом возможно и большее число компонент высших порядков. В двух связанных плёнках с одинаковыми толщинами, намагниченностями и величинами одноосной анизотропии, лёгкие оси намагничивания которых взаимно перпендикулярны, в слабых полях существует двухосная анизотропия с константой анизотропии к /2Е„. В сильных полях анизотропия ослабляется, как 1/Я, и система постепенно становится изотропной. В более высоких приближениях появляется дополнительный член, дающий при Н = 0 двухосную и четырёхосную анизотропию. Этот член очень мал при большой энергии связи, а в сильных полях он убывает, как \JH3, Таким образом, двухосная анизотропия проявляет себя в многослойных пленках с косвенной обменной связью (в данном случае речь идет только о билинейной составляющей обменного взаимодействия) и влияет на конфигурацию намагниченностей в смежных ферромагнитных слоях.
В настоящее время, только в работе [141], была рассмотрена микроскопическая модель, описывающая возникновение анизотропии высших порядков (рис. 1.4). Данный механизм аналогичен флуктуациям билинейного взаимодействия, предложенным Слончевским для объяснения биквадратичной связи [62]. В этом случае, из-за флуктуации межслоевой билинейной связи, возникает дополнительный вклад в энергию обменной связи, которую называют биквадратичной обменной связью. В работе [141] показано, что в любой системе, в которой присутствует поперечные флуктуации, должны возникать дополнительные энергетические члены. Как, например, в случае с билинейной и биквадратичной связью. Эти дополнительные члены имеют симметрию более высокого порядка, нежели основные. Механизм индуцирования анизотропии высокого порядка, представленный на рис 1.4, характерен для структур, выращенных методом молекулярной эпитаксии, в которых могут реализовываться атомные террасы. В образцах, полученных магнетронным распылением, существенную роль в возникновении флуктуации магнитной энергии играют пиноли [21], [22]. Однако пинольная модель, как источник анизотропии высокого порядка, в настоящее время не рассматривалась.
В работе [104] рассматривают анизотропию намагниченности в плоскости, наблюдаемую в суперрешё тках Fe/Cr. В образцах с билинейной и би квадратичной косвенной обменной связью, в малых полях, фиксировали двухосную анизотропию, которая проявляет себя в процессах намагничивания. В высоких магнитных полях вид кривой намагничивания определяется кристаллографической анизотропией.
Магнитная анизотропия играет важную роль в ультратонких ферромагнитных пленках. Многие ферромагнитные свойства прямо или косвенно определяются анизотропией, например, ориентация намагниченности доменов, доменная структура, коэрцитивная сила и процессы перемагничивания, Понимание природы магнитной анизотропии и её корреляция со свойствами пленок, такими, как структура и морфология, очень важны для интерпретации магнитного поведения ультратонких структур. Кроме магнитокристаллической и магнитоупругой анизотропии, решающую роль играет магнитная анизотропия, которая возникает вследствие наличия поверхностей раздела. Изменяя толщины слоев в мультислойных структурах, а также варьируя материалы, можно управлять их анизотропными свойствами. Наиболее значительные изменения магнитных свойств происходят при изменении направления оси легкого намагничивания из плоскостной в перпендикулярную ориентацию. Это явление обычно называется перпендикулярная магнитная анизотропия (ПМА).
ПМА, как результат граничной или поверхностной анизотропии, была предсказана Неелем в 1954 г. [142]. Первые эксперименты, в которых исследовали такую граничную (межфазную) анизотропию, были выполнены в 1968 на ультратонких пленках NiFe на Си (111), В мультислоях ПМА была обнаружена в 1985 в системе Co/Pd , а затем и Co/Pt, Co/Au, Co/Ru, и Co/Ir [143].
Коэрцитивная сила нанокристаллических пленок Со/Си/Со с косвенным обменным взаимодействием
В случае t tc, константа магнитоупругой поверхностной анизотропии равна [145]: где В для ГПУ (0001) Со находится как: В = 2с 3 " +с 2 33 {ХА +1,), ли Я «и коэффициенты упругости и магнитострикции, соответственно. Экспериментально определенная величина рассогласования кристаллических решеток Со и Си для мультислоев, полученных молекулярно -лучевой эпитаксией, равна TJ=-2% [154]. В этом случае для описания процесса снятия несоответствия параметров решетки необходимо учитывать не только упругие деформации, но и дислокации несоответствия, что усложняет его теоретическую интерпретацию. Из обзора экспериментальных данных, представленных в [143] следует, что величина К, для Со/Си, зависит от способа получения, кристаллографической ориентации и подложки. Типичные значения Кя для мультислоев сапфир/(Со/Си(111))„, полученных магнетронным распылением на постоянном токе, Кг =— 0,02 эрг/см. Для структур стекло/Си/(Со/Си)п осажденных термическим испарением, К, (0,1 -ь 0,12) эрг/см . В настоящее время существуют многочисленные экспериментальные методики исследования топологии намагниченности в пленках. Большинство из этих методов регистрируют магнитные поля в ферромагнетике или на его поверхности, чтобы воспроизвести магнитный контраст. Например, самый старый метод для формирования изображения микроструктуры ферро 42 магнетика— метод порошковых фигур [16]. В Лоренцовой микроскопии изображение магнитной структуры возникает вследствие отклонения сфокусированного электронного пучка при прохождении его сквозь ферромагнитный образец [155, 156]. В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) разрешение Лоренцовой микроскопии может быть достаточно высоким, но результирующий контраст является усредненным по толщине образца. ПЭМ позволяет исследовать только тонкие пленки, что не позволяет получить информацию о распределении намагниченности в массивных материалах. В работе [157] показана возможность наблюдения доменной структуры методом Лоренцовой микроскопии в отраженном пучке в растровом электронном микроскопе (РЭМ). Возможность исследования поверхности массивных материалов является основным преимуществом этого метода, но разрешение в редких случаях бывает лучше, чем 1 цм. Электронная голография [158], метод, основанный на интерференции электронов, позволяет визуализировать и получить абсолютные значения магнитного потока тонкой ферромагнитной пленки с высоким разрешением ( 2-10 нм). Одним из наиболее универсальных методов исследования магнитной структуры является магнитная силовая микроскопия (МСМ), позволяющая получить магнитный контраст поверхности массивных и тонкопленочных материалов. МСМ основана на магнитостатическом взаимодействии между ферромагнитным зондом (кантилевером) и полями рассеивания поверхности ферромагнетика. МСМ может использоваться для определения местоположения границы домена с пространственным разрешением приблизительно 10 нм, но из полученного изображения трудно извлечь количественную информацию [159, 160]. Сканирующая электронная микроскопии с поляризационным анализатором (SEMPA) основана на измерении поляризации спина вторичных электронов, исходящих из ферромагнитного образца под действием падающего пучком электронов высокой энергии [161]. Разрешение SEMPA определяется диаметром падающего электронного пучка и составляет 20 нм. Исследование доменной структуры многослойных пленок выявило ряд особенностей, не встречающихся в однослойных пленках. Это связано с наличием немагнитной прослойки в этих пленках и, как следствие, с большим разнообразием механизмов, способных индуцировать косвенную обменную связь и магнитную анизотропию, которые и определяют доменную структуру и магнитные свойства образцов. Доменная структура пленок, ферромагнитные слои которых связанны антиферромагнитно, характеризуется беспорядочной формой доменов, что связано с компенсацией магнитного потока в антиферромагнитно связанных участках плёнки [51]. Поэтому, по мнению авторов, возможна любая ориентация доменной границы и фактически формирование доменной границы будет определено случайными влияниями. Проведенное в работе [162] исследование методом SEMPA доменной структуры пленок Со/Си со слабой антиферромагнитной связью показало, что средний размер доменов rdom \\ш, ширина Неелевскнх доменных границ 200 нм (рис. 1.7). Авторы полагают, что тип и размер доменов определяется косвенной обменной связью и взаимодействием доменных границ со структурными дефектами.
Из-за особенностей формирования изображения доменной структуры при исследовании доменной структуры многослойных пленок методом просвечивающей Лоренцовой микроскопии в режиме дефокусировки [163], области с антиферромагнитным упорядочением смежных магнитных моментов находятся между доменными границами одной яркости и характеризуются менее контрастной структурой ряби намагниченности.
Похожие диссертации на Магнитная анизотропия нанокристаллических пленок Co/Cu/Co
