Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Межслоевая обменная связь в тонкопленочных мультислоиных структурах 10
1.1. Введение 10
1.2. Прямая и косвенная обменная связь в тонкопленочных металлических структурах 10
1.2.1. Предсказание косвенного обменного взаимодействия 10
1.2.2. Гигантское магнитосопротивление и антиферромагнитная косвенная обменная связь 13
1.2.3. Осцилляции косвенной обменной связи в многослойных металлических структурах 16
1.3. Биквадратичная обменная связь и ее механизмы 28
1.3.1. Открытие биквадратичной связи 28
1.3.2. Экспериментальные исследования биквадратичной связи 31
1.3.3. Механизмы биквадратичной обменной связи 35
1.4. Выводы 42
Глава II. Методы исследования 44
2.1. Технология получения пленок методом магнетронного распыления 44
2.2. Методы исследования магнитных и магниторезистивных параметров 46
2.2.1. Индукционный метод
2.2.2. Измерение магнитосопротивления четырехточечным компенсационным методом 48
2.3. Методы исследования структуры 52
2.3.1. Электронно-микроскопические исследования 52
2.3.2. Атомно-силовая микроскопия 57
Глава III. Магнитные и магниторезистивные свойства Со/Си/Со пленок с косвенной обменной связью 63
3.1. Введение 63
3.2. Осцилляции магнитосопротивления, коэрцитивной силы и поля насыщения с изменением толщины немагнитной прослойки 64
3.3. Влияние кристаллической структуры и межслоевой обменной связи на коэрцитивную силу Со/Си/Со пленок 72
3.4. Температурная зависимость коэрцитивной силы и намагниченности насыщения пленок 78
3.5. Выводы 81
Глава IV. Межслоевая связь Со/Си/Со пленок 83
4.1. Введение 83
4.2. Модель и энергия трехслойной магнитной наноструктуры 84
4.2.1. Энергия межслоевого взаимодействия Со/Си/Со пленок .84
4.2.2. Свободная энергия трехслойной магнитной системы 94
4.3. Энергия косвенной обменной связи Со/Си/Со пленок 97
4.3.1. Билинейная и биквадратичная связь трехслойных Со/Си/Со пленок 97
4.3.2. Влияние биквадратичной связи на магнитные и магниторезистивные свойства Со/Си/Со пленок 106
4.3.3. Влияние толщины медной прослойки и микроструктурных изменений на косвенную обменную связь 108
4.4. Выводы 114
Глава V. Термическая обработка Со/Си/Со пленок 117
5.1. Введение 117
5.2. Диффузионные процессы и их влияние на магнитные и магниторезистивные свойства Со/Си/Со пленок 118
5.3. Ступенчатый отжиг Со/Си/Со пленок 125
5.4. Выводы 134
Заключение 136
Приложения 138
Список литературы 153
- Предсказание косвенного обменного взаимодействия
- Методы исследования магнитных и магниторезистивных параметров
- Осцилляции магнитосопротивления, коэрцитивной силы и поля насыщения с изменением толщины немагнитной прослойки
- Модель и энергия трехслойной магнитной наноструктуры
Введение к работе
^ Изучение многослойных магнитных наноструктур является притягатель- ным для ученных по двум причинам. Во-первых, из-за возможности использования таких структур в наноустройствах (считывающие головки для винчестеров, сенсоры магнитных полей, датчики давления и контроля механических моментов). Во-вторых, для исследования квантовых эффектов в низкоразмерных системах (гигантское магнитосопротивление, планарный эффект Холла). Успех в нанофизике основан на возможности создания новых, не имеющих подобных природных эквивалентов, структур, в которых интерфейсы играют критическую роль. Такие магнитные системы сильно отличаются от «> стандартных магнитных материалов. Межслоевые интерфейсы и энергия де- формации могут использоваться для управления магнитной анизотропией, что позволяет получать ультратонкие магнитные пленки, в которых магнитные моменты могут быть выстроены как параллельно, так и перпендикулярно поверхности пленки. Управлять обменной связью можно путем варьирования материала и толщины прослойки, которая разделяет магнитные слои, а также изме- h в в ' няя кристаллическую структуру системы в процессе внешних воздействий (например, отжиг в вакууме). Возможность контролирования межслоевой обменной связи позволяет структуру, состоящую из двух ферромагнитных слоев, и щ разделенную немагнитным материалом, преобразовать в истинный антиферро- магнетик с магнитными моментами в слоях, ориентированными антипарал-лельно друг к другу. Изменяя количество примесей в прослойке и шероховатость межфазных границ, можно выстроить магнитные моменты в смежных ферромагнитных слоях под любым углом в интервале от 0 до 180.
В области нанофизики, связанной с магнито-электронным транспортом, прогресс был высочайшим. Тому было две причины. Первая - это спин-зависимое межфазное рассеивание электронов проводимости, приводящее к ги- $) гантскому магнетосопротивлению (ГМС) [3]. Вторая причина - это подобное спин-зависимое туннелирование электронов проводимости в магнитных тун- нельных переходах (МТП), способствующее большому контактному (туннельному) магнетосопротивлению (КМС) [67]. ГМС и КМС обеспечили широкие возможности для использования ультратонких магнитных структур в новом поколении высоких технологий. Спин-вентильные структуры, обладающие ГМС, быстро нашли применение в качестве магнито-чувствительных элементов для сред, хранящих информацию, с высокой плотностью записи (> 10 Gbits/in2). Эффекты ГМС и КМС позволили разработать энергонезависимое устройство памяти высокой плотности с произвольной выборкой (MRAM). Отрасль промышленности, связанная с созданием подобных электронных устройств, чье действие основано на явлении спиновой поляризации электронов проводимости, в 1988 году получила название "магнитоэлектроника". Это произошло сразу же после открытия ГМС. В последние годы обычно используется новый термин "спинтроника".
С точки зрения технологического применения изучение многослойных магнитных структур является наиболее приемлемым. Это в первую очередь связано с более сильным проявлением квантово-размерных эффектов из-за наличия большого числа межслоевых интерфейсов. Так в многослойных Fe/Cr/Fe структурах наибольшая величина ГМС, которая была достигнута при низких температурах, равняется 220% [97]. Однако в трехслойных Fe/Cr/Fe структурах значение магнитосопротивления может быть небольшим (~ 1,5%) [6], но по сравнению с эффектом анизотропного магнитосопротивления (АМС), который для многих однослойных магнитных пленок равен ~ 0,1%, оно вправе называться гигантским. В связи с этим, тонкопленочные структуры, состоящие из двух ферромагнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой, являются хорошим материалом для проведения фундаментальных исследований с целью лучшего понимания природы квантово-размерных эффектов.
В настоящее время структуры типа Со/Си/Со находятся под пристальным вниманием исследователей, однако многие особенности поведения магнитосо- противления, межслоевой обменной связи, намагниченности и коэрцитивной силы до сих пор остаются проблемными и актуальными.
Цели и задачи работы:
Исследовать влияние структуры пленок и межфазных границ на тип и величину межслоевой косвенной обменной связи. Изучить влияние межслоевой косвенной обменной связи на магнитные и магниторезистивные свойства на-нокристаллических Со/Си/Со пленок.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: исследовать поведение магнитных и магниторезистивных свойств Со/Си/Со пленок в широком диапазоне толщин немагнитной прослойки; изучить влияние кристаллической структуры и косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями на структурночувствительные свойства, такие как коэрцитивная сила и магнитосопротивление пленок; исследовать влияние межфазных шероховатостей и микроструктурных превращений в процессе отжига на величину и тип межслоевого взаимодейст-вия; изучить диффузионные процессы, протекающие на межфазных границах при низко- и высокотемпературном отжиге, и их влияние на магнитные и магниторезистивные свойства пленок.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 167 страниц, включая 76 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 137 наименований.
Материал диссертационной работы распределен следующим образом: В первой главе приводится обзор литературы по магнитным и магниторе-зистивным характеристикам многослойных тонкопленочных структур с чередующимися магнитными и немагнитными слоями, и раскрывается современное состояние изложенных в диссертации вопросов. Рассмотрены основные прояв- ления межслоевого взаимодействия, такие как прямая и косвенная обменная связь, связь типа "апельсиновой кожуры". Представлены сведения о ГМС и АФМ обменной связи для широкого спектра многослойных магнитных структур. Обращено внимание на особенности осциллирующего поведения магнитных, магниторезистивных параметров и межслоевой обменной связи в зависимости от толщины немагнитной прослойки. Рассмотрены основные теории, объясняющие природу косвенной обменной связи в низко-размерных системах. Изложены основные принципы РККИ-теории. Опираясь на большое число научных работ, рассмотрено поведение билинейной и биквадратичной обменных связей и механизмы их возникновения. Большое внимание в обзоре уделено механизмам управления величиной биквадратичной связи. Подробно изложены принципы флуктуационного, примесного, магнито-дипольного механизмов образования 90 связи векторов намагниченности смежных магнитных слоев. Определенное место уделено неколлинеарному взаимодействию векторов намагниченности через ферромагнитные мостики, соединяющие магнитные слои сквозь немагнитную прослойку.
В конце главы сделаны выводы о проблемных сторонах исследования магнитных и магниторезистивных свойств многослойных тонкопленочных структур и отмечено, что вопрос влияния кристаллической микроструктуры на межслоевую связь и ГМС до сих пор остается открытым.
Во второй главе описаны технологические особенности получения, рассмотрены методики измерения магнитных и магниторезистивных параметров, представлены методы исследования кристаллической и магнитной микроструктуры нанокристаллических Со/Си/Со пленок.
В третьей главе представлены результаты исследования магнитных и магниторезистивных свойств Со/Си/Со пленок в зависимости от температуры изохронного отжига в широком диапазоне толщин немагнитной прослойки. Выявлен осциллирующий характер коэрцитивной силы в зависимости от толщины немагнитной прослойки. Показано, что большая величина коэрцитивной силы в пленках с толщиной немагнитной прослойки, соответствующей максимумам антиферромагнитной связи, в основном обусловлена антиферромагнитной косвенной обменной связью между слоями Со. В п. 3.4 представлены результаты температурной зависимости коэрцитивной силы Со/Си/Со пленок.
Четвертая глава посвящена исследованию межслоевой обменной связи Со/Си/Со пленок. Приведены оценки положительной магнитостатической связи, обусловленной скореллированными шероховатостями, и связи через ферромагнитные мостики. Методом подгонки теоретических кривых магнитосопро-тивления и намагниченности к экспериментальным кривым вычисленны параметры билинейной и биквадратичной связи в пленках до и после изотермического отжига.
В пятой главе представленны результаты исследования магнитных и магниторезистивных параметров Со/Си/Со пленок в процессе ступенчатого отжига и изучены диффузионные процессы в зависимости от температуры и времени отжига. Определены энергия активации и коэффициент диффузии Со/Си/Со пленок.
Основные результаты диссертационной работы выделены в виде итогового заключения.
В приложении 1 приводятся анализ выражения, описывающего поведение трехслойной магнитной системы в поле насыщения, для возможных магнитных состояний.
В приложении 2 представлен код компьютерной программы, реализующей метод подгонки.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту
1.Осцилляции коэрцитивной силы Нс обусловлены осцилляциями косвенной обменной связи при изменении толщины немагнитной прослойки Со/Си/Со пленок. В многослойных нанокристаллических пленках коэрцитивная сила определяется структурными дефектами и косвенной обменной связью между ферромагнитными слоями.
2. Поведение билинейной и биквадратичной компонент косвенной об- ^ менной связи зависит от изменения кристаллической структуры пленок и меж фазных границ в результате термической обработки. Величина биквадратичной косвенной обменной связи, при низкотемпературном отжиге в пленках с толщи ной немагнитной прослойки, соответствующей 1-ому АФМ максимуму, уменьшается, а в пленках во 2-ом АФМ максимуме, увеличивается.
3. Взаимодиффузия атомов на межфазных границах Со/Си/Со пленок при высокотемпературном отжиге приводит к образованию ферромагнитных мос тиков, что сопровождается деградацией косвенной обменной связи.
Практическая ценность
4^ Определены оптимальные параметры термической обработки Со/Си/Со пленок, позволяющие достигать максимального значения АФМ обменной связи и ГМС. Информация о типе и величине межслоевой обменной связи и ее влияние на магнитные и магниторезистивные свойства представляется ценной при получении тонкопленочных структур с заданными параметрами.
Экспериментально установленные значения межфазных шероховатостей, энергии активации и коэффициента диффузии релаксационных процессов при термической обработке, позволяют прогнозировать микроструктурные изменения и расширяют перспективы практического применения Со/Си/Со пленок в ф качестве магнитных сенсоров.
Предсказание косвенного обменного взаимодействия
Косвенное обменное взаимодействие впервые было предсказано Рудер-маном и Киттелем [92] в 1954 году для ядерных спинов в металлах. Они показали, что между двумя магнитными ионами, находящимися в матрице переходного металла, может существовать косвенная обменная связь Е, имеющая осциллирующий и короткодействующий характер: E (cos2kFr)/r3, (1.1) где kF - фермиевский волновой вектор, г - расстояние между ионами. Л Теория косвенной обменной связи между магнитными моментами лока лизованных электронов через электроны проводимости была предложена Касуя [56] и Иосида [113] в 1956 году на основе 5-й 9-бменной модели Шубина-Вонсовского [121]. Эта теория была названа теорией РККИ - обменного взаимодействия. Теория косвенного обмена к слоистым структурам впервые была приме нена в 1965 году [34]. Брюэр и сотрудники [11] в 1964 изучали связь между сплавами Ni-Fe, Ni-Fe-Co и чистым Со, разделенными рядом немагнитных ме таллов (Au, Ag, Cr, Pd, Мп). Было обнаружено, что энергия обменной связи Ц практически не зависит от температуры измерения в области от температуры жидкого азота до нескольких сотен градусов. Энергия обменной связи умень шалась почти линейно с увеличением толщины немагнитного слоя и исчезала при толщинах промежуточного слоя между 10 -г 40 нм. Из большой величины толщины прослойки, при которой исчезает энергия связи, строго вытекало, что наблюдаемая положительная связь не есть следствие эффекта "апельсиновой кожуры". Поскольку ни один из рассматриваемых промежуточных слоев не был ферромагнитным, и не была обнаружена температурная зависимость связи, наблюдаемая в случае промежуточного Pd-слоя, потребовалось новое объясне Ф ние этого эффекта. За отсутствием лучшего описания этим пленкам была при писана косвенная обменная связь.
Вплоть до середины восьмидесятых годов прошлого столетия ни в одном из исследованных случаев не было получено данных, указывающих на существование косвенного обменного взаимодействия через тонкую немагнитную прослойку. Перед учеными стоял вопрос: возможно ли такое взаимодействие теоретически?
Дрейфус [27] впервые проанализировал ситуацию с металлической про щ межуточной пластиной. В его работе электроны в ферромагнитных металлах описываются волновыми функциями: 4V = {Aeikz + Be kz )e-", 4N = (Ceik z + De"k г )eiKr, (1.2) Ф где z — координата по нормали к плоскости пленки, а г — координата в плоско сти пленки. Константы А, В, С, D и волновое число к были определены из граничных условий сшивания. Оказалось, что при к2 а2 ( а - параметр зонного расщепления) волновые функции являются осциллирующими, а при к2 с? -экспоненциально спадающими. Проинтегрировав по всем этим исчезающим волнам, Дрейфус нашел, что энергия связи ведет себя как 1/z2.
Однако этот расчет был раскритикован Бардасисом [4] и Иосидой [114], которые показали, что в приближении эффективной массы, использованной Дрейфусом [27], сумма всех осциллирующих членов точно компенсирует сумму экспоненциальных членов. Тогда остается только быстро осциллирующий член РККИ-типа: E (cos kFz)/z . (1-3) Исследователи сделали вывод, что для промежуточных слоев металла толще нескольких ангстрем косвенной связи не существует. Почти невозможно себе представить образование такого слоя без существования одного из других видов связи, например, связи через ферромагнитные мостики. Имелось, правда, два пункта в расчете, изменение которых позволило исследователям вновь думать об эффекте косвенной связи. Во-первых, было не очевидно, что на энер-гию не влияет шероховатость границ разделов различных слоев. Дрейфус [27] предположил, что вследствие шероховатости осциллирующие члены усредняются гораздо быстрее экспоненциальных и становятся экспоненциально малыми.
Пятидесятые и шестидесятые годы прошлого столетия были плодовиты на предмет интенсивности теоретических и экспериментальных исследований косвенной обменной связи [135, 128, 132, 34]. В период, начиная с семидесятых и до середины восьмидесятых годов, научный интерес к многослойным струк турам, в целом, и к косвенному обменному взаимодействию, в частности, несколько поутих. Но так продолжалось лишь до момента открытия длиннопе риодических колебаний косвенной обменной связи в структурах Dy/Y [95] и Gd/Y [62], антиферромагнитной обменной связи через немагнитную прослойку в мультислоях Fe/Cr [38] и эффекта гигантского магнитосопротивления [3] в Fe/Cr суперрешетках.
Методы исследования магнитных и магниторезистивных параметров
Просвечивающая электронная микроскопия - наилучший метод исследования как кристаллической, так и магнитной структуры тонких магнитных плёнок. Электронный микроскоп состоит из электронной пушки, которая дает частично коллимированный пучок электронов нужной энергии и системы электронных линз. Электроны создаются за счет термоэлектронной эмиссии нагретого острийного вольфрамового катода, находящегося под напряжением 60 кВ (для микроскопа Tesla BS-500, на котором производились исследования) по отношению к самому микроскопу; на пути к аноду электроны проходят через цилиндр Венельта и выходят через отверстие в аноде. Таким образом, электронная пушка служит источником электронного пучка, который расходится на небольшой телесный угол после выхода из пушки. Электроны фокусируются с помощью набора конденсорных линз и дают необходимую освещенность на образце. Самая ответственная деталь магнитной линзы - полюсный наконечник из мягкого железа, который обеспечивает магнитное поле с аксиальной симметрией для фокусировки электронов. Остальная часть линзы - магнитное ярмо с обмоткой, питающейся постоянным током, изменение силы которого позволяет изменять фокусное расстояние полюсных наконечников. Исследуемый образец помещается вблизи входа в канал наконечника объективной линзы. Конструкция наконечника и совершенство его исполнения оказывают наибольшее влияние на электронно-оптические характеристики микроскопа. Увеличенное изображение, сформированное объективной линзой, называется первым промежуточным изображением. Оно служит в качестве объекта для промежуточной линзы, которая формирует второе промежуточное изображение. Далее изображение увеличивается проекционной линзой для получения конечного изображения на экране. При прохождении сколлимированного пучка электронов через кристаллический образец происходит рассеяние в соответствии с законом Брегга. Пучки, рассеянные под малыми углами по отношению к проходящему пучку, фокусируются объективной линзой, и формируют дифракционную картину в задней фокальной плоскости линзы. В плоскость первого промежуточного изображения можно также ввести промежуточную диафрагму, ограничивающую область, дающую дифракцию. Промежуточная селекторная диафрагма при дифракции от избранной области позволяет получить дифракционную картину от небольших областей образца. Этот метод называется микродифракцией и дает возможность связать особенности структуры образца, выявляемые на микрофотографии, с его кристаллографией. Микродифракция дает возможность получить дифракционную картину от малых участков образца, и очень полезна для идентификации фаз в образцах с гетерогенной структурой. Методика микродифракции подвержена некоторым ошибкам, как систематическим, так и случайным. Основным источником ошибок при дифракции от избранной области являются: а) сферическая аберрация объективной линзы и б) неправильная фокусировка этой линзы. Оба фактора необходимо учитывать при сопоставлении изображений и соответствующих дифракционных картин. Сферическая аберрация приводит к смещению изображения в плоскости селекторной диафрагмы и результаты, полученные от проходящих и от дифрагированных лучей, по существу относятся к разным областям образца. Коэффициент сферической аберрации определяется качеством объективной линзы. Очевидно, что микроскоп должен быть надежно сфокусирован и отъюстирован.
Для электронно-микроскопических исследований Со и Со/Си/Со пленки осаждались на свежие сколы NaCl. Соль растворяли в дистиллированной воде, а снятую с NaCl пленку помещали на медную сетку с размером ячейки 50 х 50 мкм2. Готовый к исследованиям образец вставляли в медный патрон, который затем устанавливался в рабочей камере электронного микроскопа.
Для кристаллических зерен, ориентированных случайным образом, дифрагированные лучи образуют серию конусов с углом при вершине 29, где 9 -брэгговский угол отдельного отражения. Ширина колец и наличие на них отдельных пятен определяется размером и числом кристаллов, дающих вклад в дифракционную картину. Чем меньше размер зерен, тем шире кольца на картине микродифракции. В качестве примера на рис. 2.8 представлена картина микродифракции и изображение кристаллической структуры однослойной Со(12 нм) пленки.
Изучение магнитной структуры ферромагнитных пленок при помощи электронного микроскопа просвечивающего типа возможно двумя методами: -методом смещения аппертурной диафрагмы [36] и методом дефокусированно-го изображения [118]. В первом случае изображение доменной структуры подобно изображению, которое наблюдается при использовании магнитооптических эффектов Керра или Фарадея, но с большим увеличением и лучшим разрешением (рис. 2.9), во втором - на изображении выявляются междоменные границы в виде темных и светлых линий, рис. 2.10. Метод дефокусировки позволяет также выявлять тонкую структуру колебаний намагниченности - «рябь намагниченности».
Эти методы наблюдения применяются при исследовании доменной структуры многослойных плёнок, состоящих из ферромагнитных слоев, разделённых не магнитной прослойкой. Схемы формирования изображения для трёхслойной плёнки показана на рис. 2.9 и 2.10. Электроны, прошедшие области пленки с одним направлением намагниченности, отклоняются Лоренцовой силой на одинаковые углы. Они фокусируются в одной точке, приблизительно в задней фокальной плоскости объектива, создавая уменьшенное изображение источника электронов. Если в пленке имеются домены с антипараллельным направлением намагниченности, то в задней фокальной плоскости объектива возникают два изображения источника электронов. Расстояние между ними значительно меньше диаметра апертурной диафрагмы ( 1 мкм). Поэтому, если диафрагма расположена симметрично относительно оптической оси микроскопа, электроны, прошедшие области с разным направлением намагниченности, пройдут через нее. Таким образом, отцентрированная диафрагма не дает контраста между изображением доменов с разным направлением намагниченности. Когда же диафрагма смещена с оптической оси, как показано на рис. 2.9, электроны, прошедшие через участки пленки одного направления намагниченности, задерживаются ею, и соответствующие домены на конечном экране будут темными, а домены с противоположным направлением намагниченности - светлыми. Если же электроны проходят через слои, связанные косвенным антиферромагнитным взаимодействием, то домены на экране будут серого цвета. Смещая диафрагму в другую сторону от оптической оси, можно изменить контраст на противоположный.
Осцилляции магнитосопротивления, коэрцитивной силы и поля насыщения с изменением толщины немагнитной прослойки
Все исследуемые пленки были получены в одном технологическом цикле (при одинаковой температуре подложки и одинаковом давлении рабочего газа) и осаждались на одинаковые подложки. Кристаллическая структура пленок исследовалась просвечивающей электронной микроскопией и дифракцией электронов. Картины электронной микродифракции и электронно-микроскопические изображения структуры показали, что все исследуемые пленки являются поликристаллическими с размером зерна порядка 5-6 нм, рис. 3.1. После изохронного отжига в течение 30 мин в температурном интервале 100 - - 400С с шагом 50С размер зерен пленок чистого Со увеличился до 50 - 60 нм, в то время как в пленках Со/Си/Со - до 25-30 нм, рис. 3.1. Существенных изменений в структуре как только что напылённых плёнок так и отожжённых в зависимости от толщины медной прослойки не наблюдалось. На рис. 3.3 показаны осцилляции поперечного магнитосопротивления с изменением толщины немагнитной прослойки. Наибольшие значения магнитосопротивления, наблюдаемые при толщинах немагнитной прослойки 1,0 и 2,1 нм, называются 1-ым и 2-ым АФМ максимумами соответственно. Это обуслов лено тем, что при названных толщинах между ферромагнитными слоями устанавливается наибольшая по величине косвенная обменная связь. Период осцилляции магнитосопротивления равен примерно 1 нм.
В пленках с dCu=0,l нм, 1,4 нм и 2,6 нм, как и в пленках чистого кобальта, петли гистерезиса проявляли сильную анизотропию и малую величину коэрцитивной силы, рис. 3.4а. Причем в этих пленках наблюдалось анизотропное маг-нитосопротивление (рис. 3.5а), то есть оно сильно зависило от направления внешнего магнитного поля Н относительно направления тока / в образце. Если при измерении Н _І_ і , то магниторезистивный эффект для всех образцов положительный. В случае продольной конфигурации (Н \\ і), магнитосопротивление отрицательное, рис. 3.5а.
Как оказалось, пленки Со/Си/Со с ТОЛЩИНОЙ немагнитной прослойки, соответствующей 1-му и 2-му АФМ максимумам, имеют практически изотропные петли гистерезиса (рис. 3.46) с большой величиной коэрцитивной силы. Магниторезистивный эффект, в отличие от образцов с толщиной медной прослойки, it соответствующей АФМ минимуму (dcu=0,7 нм, 1,4 нм и 2,6 нм), не зависит от направления внешнего магнитного поля относительно направления тока в образце и всегда положительный, рис. 3.56. Величина Арір пленок с с/Си=1,0 нм в пять раз, а с =2,1 нм в три раза больше анизотропного магнитосопротивле-ния образцов, рис. 3.5а.
Зависимость Hs от толщины прослойки, представленная на рис. 3.6а, позволяет нам говорить об осцилляциях косвенной обменной связи. Максимальные значения поля насыщения, а, следовательно, и антиферромагнитной связи, приходятся на те же толщины медной прослойки, что и максимумы магнитосо-противления и коэрцитивной силы.
Нами показано [122], что в нанокристаллических пленках Со/Си/Со осциллирующий характер проявляет также коэрцитивная сила Нс. На рис. 3.66 представлена осциллирующая зависимость Нс от толщины медной прослойки. Максимальные значения коэрцитивной силы соответствуют толщинам Си прослойки, при которых наблюдается максимальная антиферромагнитная связь между смежными магнитными слоями. Следовательно, величина Нс зависит не только от силы закрепления доменных стенок структурными дефектами, но и от энергии косвенной обменной связи между смежными ФМ слоями.
Модель и энергия трехслойной магнитной наноструктуры
Изучая обменные взаимодействия в многослойных структурах, исследователи, в своем большинстве, используют упрощенные модели магнитных систем. В частности, в работах [63, 64] при расчете компонент обменной связи пренебрегают энергиями анизотропии и магнитостатического взаимодействия. Есть теории, в которых модель как можно точнее приближается к реальной структуре. Так в работах [90, 17] в выражение для свободной энергии системы включают энергию эффективной анизотропии. Было показано [107], что эпи-таксиальные магнитные структуры, в которых между слоями Fe существует би-квадратичная связь, являются двухосными. Очевидно, косвенная обменная связь наводит в верхнем магнитном слое двухосную анизотропию во время конденсации (или при последующих структурных изменениях), так как условия роста нижнего и верхнего слоев различны. Одноосная анизотропия нижнего слоя может наводиться магнитным полем распыляющей системы (это особо применимо к магнетронным установкам, создающим магнитное поле в несколько кА/м). В верхнем магнитном слое системы двухосная анизотропия может наводиться магнитостатическим полем нижнего слоя [34] и полем косвенного обменного взаимодействия нижнего слоя с растущим верхним слоем через промежуточный немагнитный слой. Поэтому модель магнитной системы должна учитывать помимо одноосной анизотропии еще и двухосную. Актуальность рассмотрения модели трехслойной магнитной наноструктуры, включающей в себя не только зеемановскую энергию и косвенное обменное взаимодействие, но и энергию одноосной и двухосной анизотропии и маг-нитостатическую энергию, очевидна. Как будет показано в этом разделе, при расчете компонент обменной связи необходимо учитывать направление внешнего магнитного поля и направления осей легкого и трудного намагничивания в слоях. Правомерность такого подхода Обусловлена технологическими особенностями получения исследуемых образцов.
Как уже отмечалось в разделе 1.3, при феноменологическом рассмотрении, энергия косвенной обменной связи между двумя ферромагнитными слоями через немагнитную прослойку может быть записана в виде: = -./, cos - ./2 cos2 0, (4.1) где J, и У, - энергии билинейной и биквадратичной связи. Если член У, доминирует, то при У, 0, связь между магнитными слоями ферромагнитная, а при Jt 0 - антиферромагнитная. Если доминирует член J2 и он отрицателен, минимум выражения для энергии связи получается при 90 ориентации векторов намагниченности в смежных магнитных слоях [106, 125]. Биквадратичная связь вызывает неколлинеарное выстраивание намагниченностей только в случае, когда J2 0. Иначе при нулевом внешнем поле предпочитается коллинеарное выстраивание векторов намагниченности в смежных ферромагнитных слоях.
Как будет показано ниже, в некоторых случаях недостаточно привлечь только билинейную компоненту косвенного обмена. Иногда для описания магнитных и магниторезистивных характеристик многослойной магнитной системы приходится прибегать к дополнительной компоненте межслоевого косвенного взаимодействия, к так называемой, биквадратичной связи.
Микроскопический источник биквадратичного обмена не ясен, и возможно он является различным в разных образцах [25]. Известно несколько моделей, которые были предложены для объяснения биквадратичной связи. Биквадратичная связь может возникать как внутренний эффект, обусловленный обменом коллективизированными электронами поперек парамагнитной прослойки [30], либо из-за внешних факторов, связанных с морфологией мультислойной структуры: из-за наличия примесей в материале прослойки и на межфазных границах [101], из-за атомных ступенек на поверхности подложки [100], вследствие образования ферромагнитных мостиков в прослойке [10], из-за магнитостати-ческого взаимодействия между слоями, связанного как с шероховатостями подложки, так и межфазной границы [25]. В Fe/Cr суперрешетках наличие биквад-ратичного члена может приводить к неколлинеарному магнитному упорядочению при условии J2 -\J\\I2 [106, 134].
Как видно из таблицы абсолютная величина эффективной энергии связи, измеренная по магниторезистивным кривым для образцов с dcu, соответствую-щей 1-ому и 2-ому АФМ максимумам, равна 0,23 и 0,195 мДж/м . Подобные вычисления отражают реальные физические величины качественно, но не ко личественно, так как строятся на упрощенной модели обменно-связанной магнитной системы, неучитывающей магнитную анизотропию и магнитостатиче-ское взаимодействие слоев. Отжиг этих пленок при Тотж=250С в течение получаса приводит к усилению косвенной антиферромагнитной обменной связи примерно на 20 - 30 %. В образцах с dCu = 0,7 и 1,4 нм величина эффективной обменной связи равна 0,036 мДж/м и является ферромагнитной. После отжига в этих образцах величина Зэфф увеличивается на 15 %. Оценили отношение Et.jKu для пленок в АФМ максимумах. Типичное значение константы наведенной магнитной анизотропии для Со/Си/Со пленок Ки 104 -г- 105 мДж/м3. Тогда при Есвя\05 мДж/м3 отношение Есв/Ки 1 -10. Таким образом, энергия косвенного обменного взаимодействия сравнима по величине с энергией наведенной магнитной анизотропии. Поэтому, модель магнитной структуры для на-нокристаллических пленок Со/Си/Со обязательно должна учитывать магнитную анизотропию.
Для случая ферромагнитных плёнок-разделённых немагнитной прослойкой необходимо учитывать ещё два взаимодействия - прямое обменное и маг-нитостатическое. Прямое обменное взаимодействие реализуется в трехслойной системе путем образования ферромагнитных мостиков связывающих ферромагнитные слои через немагнитную прослойку, рис. 1.12. Как показано в работе [57] ферромагнитные мостики исчезают при толщинах немагнитных прослоек выше 3 нм. Образование ферромагнитных мостиков обусловлено поликристаллическим характером роста пленок. Например, при островковом росте в муль-тислоях образуются шероховатости и микроотверстия [10].
