Введение к работе
Актуальность темы. В настоящие время в связи с развитием микро- и нанотехнологий наблюдается повышенный интерес к тонким магнитным пленкам. Для эпитаксиального роста магнитных пленок, магнитных мультислоев и сверхрешеток в качестве подложек используют полупроводниковые монокристаллы. Среди полупроводниковых подложек наибольший интерес представляет кремний. Интерес к магнитным пленкам, выращенным на монокристаллах Si, обусловлен перспективами фундаментальных исследований и практического использования таких систем в качестве базовых элементов спинтроники [1-5]. Получение эпитаксиальных пленок и контроль за их качеством стали возможными благодаря сочетанию таких факторов, как прогресс сверхвысоковакуумной техники, развитие современных методов исследования высокого разрешения.
Магнитные свойства (коэрцитивная сила, магнитная анизотропия и т.д.) эпитаксиальных пленок существенно зависят от ориентации и морфологии подложки, от механизма роста ферромагнитной пленки. Варьируя структуру и морфологию монокристаллических подложек Si можно управлять и коэрцитивной силой, и магнитной анизотропией, получая материалы с требуемыми магнитными параметрами. Высокие значения HС требуются для магнитных носителей данных и для постоянных магнитов, в то время как мягнитомягкие - необходимы для датчиков, считывающих головок и сердечников трансформаторов.
Несмотря на то, что до настоящего времени на разработку технологий изготовления эпитаксиальных магнитных пленок (в частности Co/Si) и приборов на их основе затрачено много сил и средств, вопрос о влиянии структуры и морфологии поверхности подложек на магнитные свойства остается до конца не решенным.
Наиболее быстро развивающейся областью физики конденсированного состояния являются системы, в которых все три измерения имеют наноразмерный масштаб. Переход от объемных материалов к низкоразмерным сопровождается появлением новых видов доменной структуры, таких как вихри, структуры C- и S-типа [6, 7]. Это делает наноразмерные структуры интересным и перспективным направлением фундаментальных исследований. С другой стороны, использование ферромагнитных наноструктур в вычислительной технике позволит решить целый ряд прикладных задач, связанных с хранением информации.
Целью диссертационной работы является исследование структуры и морфологии эпитаксиальных пленок Со, осажденных на монокристаллические подложки Si(001) и Si(111) с буферным слоем Cu, и их влияние на магнитные свойства (коэрцитивную силу и магнитную анизотропию), а также исследование магнитных свойств массивов эпитаксиальных нанодисков Со.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Получить эпитаксиальные пленки Со на монокристаллических подложках Si(001) и Si(111) с буферным слоем Cu. Установить оптимальную толщину слоя буфера.
-
Исследовать структуру эпитаксиальных пленок Со.
-
Изучить процессы формирования пленок Cu и Co на подложках Si(001) и Si(111) и их морфологию.
-
Исследовать коэрцитивную силу и магнитную анизотропию эпитаксиальных пленок Со.
-
Исследовать доменную структуру эпитаксиальных пленок Со.
-
Исследовать процессы перемагничивания в ансамблях эпитаксиальных нанодисках Со.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней установлена взаимосвязь коэрцитивной силы и магнитной анизотропии эпитаксиальных пленок Со, осажденных на монокристаллы Si, со структурой и морфологией пленок. Выявлено влияние формы образца, ступенек и шероховатости поверхности пленок на формирование магнитных свойств и доменную структуру. Исследовано влияние магнитокристаллической анизотропии на процессы перемагничивания массивов эпитаксиальных нанодисков Со.
Разработанные технологии могут быть использованы для получения низкокоэрцитивных эпитаксиальных пленок Со с заданной анизотропией. Результаты работы могут быть полезны для технологов и разработчиков новых магнитных материалов для наноэлектроники, а также для технологии получения сред для записи информации со сверхвысокой плотностью. Результаты могут использоваться при чтении лекционных курсов.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Выявленные закономерности влияния морфологии и кристаллографической ориентации подложек Si на шероховатость поверхности и структуру эпитаксиальных пленок Со.
-
Результаты комплексного исследования и анализа влияния структуры и морфологии эпитаксиальных пленок Со на магнитную анизотропию, коэрцитивную силу и доменную структуру.
-
Особенности формирования распределения магнитных моментов и величины коэрцитивной силы массивов эпитаксиальных нанодисков Со(111).
Достоверность полученных результатов подтверждена:
- многократной повторяемостью экспериментальных данных;
- комплексом методов исследования (ДБЭ, СТМ, МОКЕ, МСМ, ФМР, индукционным методом);
- согласием теоретических оценок с экспериментальными данными;
- согласованностью с известными литературными данными.
Личный вклад автора в получение результатов состоит в следующем.
Автором диссертационной работы были получены исследуемые образцы, исследованы структурные и магнитные свойства пленок в зависимости от морфологии и ориентации поверхности подложек. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Baikal International Conference «Magnetic Materials. New Technologies» (Irkutsk 2008),Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученных по физике (Владивосток 2009, 2010 г.), Межрегиональной конференции молодых ученных по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (Владивосток 2009 г.), Международной конференции Новое в магнетизме и магнитных материалах (Москва 2009 г.), Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка 2010 г.), Международном симпозиуме нанофизика и наноэлектроника (Нижний Новгород 2010), Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism» Nanospintronics (Ekaterinburg, Russia 2010), The Ninth Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces (Vladivostok, 2010 g.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, основные из которых перечислены в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, основной части, состоящий из пяти глав, заключения и списка литературы из 135 наименований. Общей объем диссертации составляет 134 страницы, включая 95 рисунков и 1 таблица.
