Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Обзор литературы 10
1.1 Методы локальных измерений параметров тонких магнитных пленок 10
1.2 Явление ферромагнитного резонанса 20
1.3 Выводы 26
ГЛАВА II Сканирующий спектрометр ФМР. методика измерения локальных магнитных характеристик тонких магнитных пленок 29
2.1 Сканирующий спектрометр ферромагнитного резонанса 29
2.2 Магнитная анизотропия тонких магнитных пленок 35
2.3 Модель магнитной пленки с одноосной и однонаправленной анизотропией 40
2.4. Методика определения основных параметров пленки, исходя из экспериментальных данных 47
2.5, Методика определения коэрцитивной силы 55
2.7. Выводы 58
ГЛАВА III Исследование влияния механических напряжений на магнитные неоднородности тонких пленок 59
3.1. Постановка и описание эксперимента 59
3.2, Обсуждение и анализ экспериментальных данных 62
3.2.1 Расчет механических напряжений возникающих в пленке при деформации подложки изгибом 66
3.2.2 Коэрцитивная сила 69
3.2.3 Эффективная намагниченность насыщения 69
3.2.4 Поле одноосной магнитной анизотропии и направление ОЛН 70
3.2.5 Расчет эффективных значений поля магнитной анизотропии и направления ОЛН 71
3.3. Выводы
ГЛАВА IV Ферромагнитный резонанс в одноосных магнитных пленках с мета стабильным состоянием магнитного момента 77
4.1 Феноменологическое обоснование эффекта 77
4.2 Экспериментальное наблюдение 82
4.3 Особенность ФМР в одноосных магнитных пленках 87
4.4 Выводы 90
ГЛАВА V Высокочастотная восприимчивость тонких пленок с одноосной магнитной анизотропией 92
5.1 Эксперимент 92
5.2 Теоретический анализ 99
5.3 Выводы 106
Заключение 108
Приложение 1 110
Литература 114
- Методы локальных измерений параметров тонких магнитных пленок
- Методика определения основных параметров пленки, исходя из экспериментальных данных
- Расчет механических напряжений возникающих в пленке при деформации подложки изгибом
- Особенность ФМР в одноосных магнитных пленках
Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение магнитных свойств низкоразмер-ных систем является в настоящее время одним из самых важных направлений современной физики твердого тела. Это направление включает в себя исследование тонких пленок, поверхностей, различных мультислойных структур, сверхрешеток и имеет первостепенное значение для их практического использования, В частности, такие структуры широко используются в магнитной записи, в устройствах микроэлектроники, на их основе создаются разнообразные миниатюрные датчики, чувствительные к магнитным и электрическим полям, к температуре и другим физическим величинам [1-3].
Вместе с тем большой интерес к изучению низкоразмерных систем связан также с решением некоторых фундаментальных проблем физики, в том числе и физики магнитных явлений- Исследования в этой области стимулируются как открытием интересных явлений, таких, например, как гигантское магнитосопротивление [4], межслойное антиферромагнитное обменное взаимодействие [5], так и появлением принципиально новых технологий получения планарных структур» позволяющих изготавливать совершенные многослойные структуры из самых различных материалов. Это приводит к развитию принципиально новых идей и концепций, которые, в свою очередь, вызывают потребность в более глубоком и более полном теоретическом анализе моделей и, конечно, в постановке широких экспериментальных исследований.
Особое значение приобрели исследования локальных свойств низкоразмерных структур. Пространственные неоднородности магнитных свойств, обусловленные как несовершенством поверхности подложек, так и несовершенством технологии получения пленок, делают невозможным наблюдение "тонких" эффектов, осложняют понимание физической
природы, наблюдаемых явлений для большинства традиционных интегральных методов исследования, В связи с этим, в последнее время наблюдается бурное развитие техники и аппаратуры для локальных измерений магнитных параметров низкоразмерных структур, основанной на различных физических явлениях [6-10],
Степень магнитных неоднородностей планарных структур, а также характер распределения их по поверхности являются важными факторами, влияющими на предельно достижимые параметры и надежность работы многих устройств на их основе [11]. Поэтому большой практический интерес вызывает исследование влияния различных внешних факторов на пространственные неоднородности магнитных свойств.
Целью настоящей работы является исследование методом ферромагнитного резонанса локальных магнитных свойств, магнитных неоднородностей тонких пленок, а также изучение влияния упругих напряжений на магнитные характеристики локальных участков. Большое внимание в работе уделяется поиску и физической интерпретации эффектов, позволяющих увеличить высокочастотную магнитную проницаемость пленок.
Объем и структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка цитированной литературы.
Первая глава представляет собой обзор методов по измерению локальных магнитных свойств тонких пленок. Показаны принципы, на которых они основаны, приведены основные характеристики и область их применения. Приводятся достоинства и недостатки различных методов. Вторая часть главы содержит описание явления ферромагнитного резонанса, лежащего в основе исследования магнитных характеристик тонких пленок в
настоящей работе. В хронологическом порядке рассмотрены основные работы по изучению данного явления. Формируются цели работы.
Вторая глава диссертации посвящена методологическим вопросам исследования тонких магнитных пленок с использованием автоматизированного сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса- В первой части главы дается описание сканирующего спектрометра ФМР. Приводится схема, принцип действия и основные характеристики. Во второй части рассматриваются основные типы магнитной анизотропии и механизмы, приводящие к одноосной и однонаправленной анизотропии. В третьей части рассматривается феноменологическая модель тонкой пленки с одноосной и однонаправленной магнитной анизотропией. В рамках данной модели получено выражение для собственной резонансной частоты тонкой пленки. В четвертой части главы описывается предложенная методика определения основных магнитных параметров, таких как эффективная намагниченность насыщения, поле одноосной анизотропии, направление ОЛН, поле и направление однонаправленной анизотропии, из угловых зависимостей резонансного поля на основе модели, описанной в третьей части. Приводятся примеры, показывающие эффективность данной методики. Пятая часть главы посвящена методике определения коэрцитивной силы локальных участков магнитных материалов.
Третья глава посвящена исследованию влияния механических напряжений на магнитные характеристики и их распределения по поверхности топких пленок. В первой части данной главы дается постановка и описание эксперимента. Вторая часть посвящена обсуждению и анализу экспериментальных данных. В частности, приводятся результаты численного расчета механических напряжений в тонкой пленке. Проводится анализ полученных распределений основных магнитных характеристик, таких как коэрцитивная сила, эффективная намагниченность насыщения, поле
одноосной магнитной анизотропии и направление оси легкого намагничивания (ОЛН) для пленок, с различной ориентацией наведенной внешним полем магнитной анизотропии по отношению к приложенным напряжениям. Приводятся результаты теоретического расчета эффективных значений поля магнитной анизотропии и направления ОЛН- Для данных магнитных характеристик дается объяснение их сложного распределения по поверхности пленки.
В четвертой главе описан обнаруженный эффект ферромагнитного резонанса в магнитоодноосных пленках с метастабильным состоянием магнитного момента, В первой части главы дано феноменологическое обоснование эффекта. Рассмотрена модель тонкой пленки с одноосной анизотропией. Получено выражение для частоты ФМР для основного и метастабильного состояния магнитного момента. Показаны условия, при которых данный эффект можно наблюдать. Во второй части описывается поставленный эксперимент по наблюдению данного эффекта. Проводится анализ и сравнение эксперимента и теоретической модели. В третьей части рассмотрена особенность ферромагнитного резонанса, наблюдаемая в эксперименте.
В пятой главе описан обнаруженный в спектре ферромагнитного резонанса пик восприимчивости в планарном поле, направленном ортогонально к оси легкого намагничивания. В первой части главы описывается экспериментальное наблюдение этого пика, показаны условия, при которых наблюдается данный эффект. Во второй части приводится теоретическое обоснование эффекта. Получено выражение для статической магнитной восприимчивости, проведен анализ.
Научная новизна.
Впервые на сканирующем спектрометре ферромагнитного резонанса исследовано влияние двуосных упругих напряжений на основные магнитные
характеристики тонких магнитных пленок. Впервые обнаружен и исследован ферромагнитный резонанс в магнитоодноосных пленках с метастабильньтм состоянием магнитного момента. Впервые исследованы особенности статической и высокочастотной магнитной восприимчивости тонких пленок, показано влияние магнитных неоднородностей на величину магнитной восприимчивости.
Практическая значимость.
Результаты диссертации могут использоваться для создания пленок с большой магнитной восприимчивостью, для совершенствования технологии получения магнитных пленок, обладающих высокой однородностью магнитных характеристик по площади.
Предложенная методика определения основных магнитных параметров может быть эффективно использована для оперативной диагностики тонкопленочных материалов.
На защиту выносятся следующие положения:
Методика определения основных магнитных характеристик тонких пленок (таких как, эффективная намагниченность насыщения, величина и направление полей одноосной и однонаправленной анизотропии) из угловых зависимостей поля однородного ферромагнитного резонанса.
Результаты исследования влияния двуосных упругих механических напряжений на магнитные характеристики и их распределения по поверхности тонких пленок.
Обнаруженный эффект ферромагнитного резонанса в магнитоодноосных пленках с метастабильным состоянием магнитного момента и результаты его исследования.
Обнаруженную особенность высокочастотной восприимчивости тонких магнитных пленок с одноосной анизотропией, а также результаты ее теоретического и экспериментального исследования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на:
XVII, XVIII Международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники"- Москва, 2000,2002;
Решетневских чтениях. Красноярск, 2000;
Международной конференции "Магнитные материалы", поев, памяти СВ. Буравихина* Иркутск, 2001;
International Conference, "Functional Materials", ICFM-2001. Crimea, Ukraine, 2001;
II Международной конференции "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред'* ЭМФ-2001, Барнаул, 2001;
Методы локальных измерений параметров тонких магнитных пленок
В настоящее время существует широкий класс методов по измерению локальных магнитных параметров пленок. Мы рассмотрим наиболее распространенные из них и принципы, на которых они основаны.
Одним из самых распространенных методов измерения параметров пленок, со степенью локализации порядка микрон, является метод основанный на магнитооптическом эффекте Керра (magneto-optical Kerr effect — MOKE) [12-14]. Эффект Керра заключается в изменение поляризации света, отраженного от непрозрачной поверхности образца, В первом приближении, если падающий луч линейно поляризован, степень вращения и эллиптичности поляризации отраженного луча пропорциональна намагниченности отражающей среды (см. рис. 1), Кроме того, в случае очень тонких пленок с толщиной меньше 10 нм, эффект становится пропорциональным толщине пленки и носит название поверхностного магнитооптического эффекта Керра (surface magneto-optical Kerr effect — SMOKE). В большинстве случаев этот метод используется для измерения петель гистерезиса тонких пленок, посредством построения зависимости сигнала (вращения или эллиптичности) как функцию приложенного внешнего магнитного поля. Следует отметить, что для правильной интерпретации петель необходимо знать абсолютное значение намагниченности. А поскольку метод Керра не дает точных количественных значений, требуются дополнительные меры по ее определению [15]. Как правило, для этих целей используют вибрационный магнитометр.
Широкое применение МОКЕ и SMOKE находят и при наблюдении доменной структуры [16-19]. Однако этот метод не лишен недостатков. В частности для достижения требуемой точности измерений необходимо, чтобы материал исследуемой пленки обладал достаточно большим магнитооптическим эффектом. Кроме того, магнитооптический метод не является прямым методом при измерении большинства магнитных характеристик.
Названные недостатки отсутствуют в методе ферромагнитного резонанса (ФМР), который традиционно используется при исследовании различных магнетиков, в том числе и магнитных пленок [20], Этот метод, обладая высокой чувствительностью, позволяет с хорошей точностью измерять намагниченность насыщения образцов, константы анизотропии и магнитострикции, направление осей легкого и трудного намагничивания. Методом ФМР исследуются такие фундаментальные характеристики магнитных материалов, как параметры обменного взаимодействия и фактор спектроскопического расщепления (g-фактор) [21]. Кроме того, для магнитных материалов, применяемых в высокочастотных устройствах, только этот метод позволяет напрямую измерять важнейший показатель их качества — ширину линии ферромагнитного резонанса.
Для исследования локальных участков пленочных образцов методом ФМР в настоящее время предложено множество оригинальных способов. Например, низкочастотная модуляция сигнала ФМР, обусловленная периодическим нагреванием локального участка исследуемой пленки лучом лазера, и его синхронное детектирование [22], Для образцов, обладающих магнитострикцией, возможна регистрация спектров поглощения СВЧ мощности с помощью микрофона по амплитуде звуковых колебаний, возбуждаемых участком пленки, который также подвергается периодическому лазерному разогреву на частотах собственных колебаний подложки [23],
Однако наиболее простой способ использования метода ФМР для исследования локальных участков ТМП был предложен Фрайтом [24]- Этот способ Суху реализовал в конструкции установки, названной им микроволновым магнитным микроскопом [25]. В этой конструкции в отличие от традиционного метода наблюдения ферромагнитного резонанса, когда образец размещается внутри полого резонатора, он располагал пленку снаружи исследуемым участком к отверстию, высверленному в стенке резонатора. Диаметр отверстия составлял 0,25 мм, что примерно и соответствовало размерам локальной области пленки, в которой возбуждался ФМР, Спектры ферромагнитного резонанса записывались на фиксированной частоте СВЧ накачки в диапазоне 10 ГТц при развертке постоянного магнитного поля, приложенного в плоскости исследуемой пленки- В этом случае резонансные магнитные поля для пермаллоевых пленок составляли величину 10 Э.
Известно, что некоторые характеристики ТМП, такие как магнитострикция, объемная и поверхностная магнитная анизотропия зависят от величины приложенного постоянного магнитного поля Н0. Кроме того, неоднородности распределения этих величин в плоскости пленки, как правило, нивелируются с увеличением Н0. Принимая во внимание тот факт, что резонансное поле в методе ФМР почти пропорционально растет с увеличением частоты накачки f, задачу измерения рельефа магнитных неодпородностей ТМП в слабых полях можно решить только существенно понизив / Однако использование полых резонаторов в микроволновом магнитном микроскопе не позволяет существенно уменьшить частоту накачки, что, очевидно, является существенным ограничением.
Наблюдать спектры ФМР на локальных участках ТМП можно не только с помощью резонатора с отверстием, но и, например, используя индуктивную микропетлю [26]. Петля при этом является нагрузкой коаксиальной линии» подключенной к СВЧ генератору, и располагается над исследуемым участком пленки. Этот метод отличается широкой полосой рабочих частот. Он позволяет регистрировать спектры ФМР на любой выбранной частоте из диапазона, перекрывающего несколько октав. Однако этот метод существенно проигрывает резонаторному в чувствительности.
Последнее десятилетие в экспериментальной физике характеризуется интенсивным развитием принципиально новых микроскопических методов изучения поверхности с наномстровыми и атомарным пространственным разрешением. В настоящее время они объедены под общим названием — сканирующая зондовая микроскопия (scanning probe microscopy). Этот термин относится к любым типам микроскопов, в которых изображение формируется за счет перемещения (сканирования) острого микрозонда (иглы) над исследуемой поверхностью. К настоящему времени сканирующие зондовые микроскопы превратились в сложные аналитические инструменты для исследования топографии, пространственного распределения приповерхностных силовых полей, электрических, магнитных, механических, адгезионных, оптических свойств поверхности, исследования процессов наноиндентации.
Методика определения основных параметров пленки, исходя из экспериментальных данных
Вторая глава диссертации посвящена методологическим вопросам исследования тонких магнитных пленок с использованием автоматизированного сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса- В первой части дается описание сканирующего спектрометра ФМР. Приводится схема, принцип действия и основные характеристики. Во второй части рассматриваются основные типы магнитной анизотропии и механизмы, приводящие к одноосной и однонаправленной анизотропии. В третьей части рассматривается феноменологическая модель тонкой пленки с одноосной и однонаправленной анизотропией- В рамках данной модели получено выражение для собственной резонансной частоты тонкой пленки. В четвертой части главы описывается предложенная методика определения основных магнитных параметров, таких как эффективная намагниченность насыщения, поле одноосной анизотропии, направление ОЛН, поле и направление однонаправленной анизотропии, из угловых зависимостей резонансного поля на основе модели, описанной в третьей части. Приводятся примеры, показывающие эффективность данной методики. Пятая часть главы посвящена методике определения коэрцитивной силы локальных участков магнитных материалов.
В настоящей работе для исследования магнитных параметров тонких пленок используется локальный спектрометр ферромагнитного резонанса, в котором в качестве датчика используется микрополосковый резонатор (МПР), изготовленный на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью [10,77-79]. Такой резонатор отличается миниатюрностью, а его чувствительность может значительно превышать чувствительность полых объемных резонаторов.
Внешний вид и поперечный разрез простейшего МПР показан на рис. 4, Он представляет собой диэлектрическую пластину (подложку) 2 из материала с малыми потерями, нижняя поверхность которой полностью металлизирована и служит экраном 3, а на верхней поверхности располагается полосковый проводник (металлическая полоска) 1. Емкости 4 позволяют регулировать величину связи резонатора с входной и выходной линиями передачи. Измерительное отверстие в экране 5 выполнено напротив середины полоски 1 там, где располагается пучность высокочастотного магнитного поля на частоте первого полуволнового резонанса МПР. Высокочастотное магнитное поле вблизи измерительного отверстия имеет две компоненты: нормальную, направленную перпендикулярно плоскости экрана, и касательную, лежащую в плоскости экрана и направленную перпендикулярно полосковому проводнику. Причем касательная компонента поля существенно больше нормальной.
В описываемом спектрометре резонансное поглощение СВЧ мощности исследуемым участком магнитной пленки регистрируется как обычно модуляционным методом по изменению добротности резонатора в процессе развертки постоянного магнитного поля. При этом измерительное отверстие МПР служит локализованным источником высокочастотного магнитного поля и каналом связи между исследуемой пленкой и резонатором.
В работах [77-79] показано, что чувствительность микрополоскового резонатора, по крайней мере на порядок, выше чувствительности объемного волноводного резонатора. Кроме того, высокая чувствительность сохраняется в широкой области частот, включая метровый, дециметровый и сантиметровый диапазоны волн [80],
На основе вышеописанного микрополоскового резонатора в состав спектрометра ФМР входит большое количество сменных высокочувствительных головок, позволяющих проводить измерения на локальных участках магнитных пленок. Головка невелика (габариты 25x30x35 мм) и состоит из корпуса 1 (см. рис.5), изготовленного из немагнитной латуни, в котором размещается МПР 2 с круглым измерительным отверстием, изготовленным в металлизации со стороны экрана так, что ось головки проходит точно через центр отверстия. Резонатор - датчик ФМР является задающим резонатором транзисторного СВЧ генератора 3, работающего в автодинном режиме [79]. К выходу генератора подключен детектор 4, с которого снимается сигнал, пропорциональный величине поглощения СВЧ мощности участком пленки 5, расположенным под отверстием резонатора.
Набор высокочувствительных головок, входящих в состав спектрометра, перекрывают диапазон частот от 100 МГц до 6 ГТц, и имеют различные диаметры измерительных отверстий от 0,3 до 2,5 мм. Следует отметить, что чувствительность этих головок монотонно падает с уменьшением диаметра измерительного отверстия.
Процесс записи и обработки спектров ФМР автоматизирован благодаря применению персональной ЭВМ. Автоматизирован и поиск осей трудного и легкого намагничивания на выбранном участке исследуемой пленки, а также определение на нем величины поля одноосной магнитной анизотропии, намагниченности насыщения, гистерезиса и коэрцитивной силы локального участка ТМП. Блок-схема автоматизированного сканирующего спектрометра ферромагнитного резонанса представлена на рис. 6. Конструктивно он состоит из трех отдельных блоков.
Расчет механических напряжений возникающих в пленке при деформации подложки изгибом
Решая полученную систему уравнений, не сложно получить значения поля одноосной анизотропии Н% и эффективной намагниченности насыщения Мо-Непосредственно из угловой зависимости HR(QH) определяется 8„.
Данная методика реализована в виде программного модуля и совместно с локальным спектрометром ФМР используется для диагностики тонких пленок. Поскольку экспериментальная угловая зависимость і/д(0//) задается дискретным набором значений, то там где это необходимо, программа аппроксимирует данные параболой для увеличения точности вычислений. Для того чтобы оценить точность определения параметров, было сделано следующее, Сначала для различных частот, с различным количеством точек теоретически рассчитывались угловые зависимости для произвольных значений Мо, Я , 8„, Bd, QBr а затем на основании этих кривых вычислялись значения параметров. Сравнение расчетных и заданных параметров показали высокую точность. Так, например, для зависимостей, значения которых рассчитывались через два градуса, эти различия не превышали 0,01 %3 что превышает точность измерения Кд в эксперименте.
Для демонстрации данной методики и описанной выше модели, приведем несколько примеров. На рис, 9 белыми точками показаны значения Яд, измеренные с шагом 2 для различных углов направления магнитного поля бя при частоте накачки 1.687 ГГц, Измерения проводились на пленке толщиной 500 А, полученной вакуумным напылением пермаллоя Ni7j-Fe25 на стеклянную подложку толщиной 0.5 мм. Чтобы исключить ошибки измерений, связанные с гистерезисными явлениями в пленке, угловые зависимости снимались в режиме обратной развертки магнитного поля [78]-При этом перед записью спектра образец предварительно намагничивался в максимальном поле после каждого шага изменения угла QH. Сплошной линией на рис, 9 показана теоретическая угловая зависимость HR при следующих параметрах участка пленки: Мо = 1187 Гс; Нк = 18,68 Э; 0П = 94.5; Bd = 0ЛІ Э; QB = 272.7. Эти магнитные характеристики исследуемого участка ТМП автоматически вычисляются вышеупомянутым программным модулем по измеренным значениям //д(6#).
Погрешность определения магнитных характеристик материалов, в первую очередь, зависит от точности измерения резонансного поля, которая напрямую связана с амплитудой и шириной линии ферромагнитного резонанса исследуемого образца. Например, для пермаллоевых пленок толщиной 500 А величина HR определяется с точностью не хуже ±0.02 Э, а ширина линии ФМР АН измеряется с точностью не хуже ±0.04 Э. Заметим, что благодаря избыточному множеству измеренных точек HRi погрешность определения магнитных характеристик образцов может существенно уменьшаться в результате усреднения по снятому ансамблю, однако при этом увеличивается время диагностики образца. Экспериментально установлено [78], что для обеспечения требуемой точности диагностики характеристик ТМП на угловых зависимостях резонансного поля вполне достаточно измерить всего по 5-6 точек с шагом через 5, но вблизи каждого экстремума.
Для примера на рис, 9 черными точками показаны результаты измерений одного из участков аналогичной пермаллоевой пленки, но полученной при других технологических условиях. Здесь же штриховой линией представлена теоретическая зависимость, с вычисленными на их основе параметрами модели пленки: MQ= 1177 Гс; Ни = 13.54 Э; 8П = 102Л; Д/=0313;Єд = 91.8.
Известно, что на "низких" частотах накачки, в условиях, когда резонансные поля сравнимы по величине с полями анизотропии образца, ферромагнитный резонанс имеет некоторые особенности [76]. . Эти особенности, в частности, обусловлены тем, что направление вектора намагниченности может сильно изменяться при развертке постоянного магнитного поля в области ферромагнитного резонанса. В результате может наблюдаться значительное увеличение ширины линии ФМР и соответственно уменьшение интенсивности резонанса- На рис. 10 представлена зависимость Л/7, измеренная от угла направления поля развертки для образца, угловая зависимость резонансного поля которого показана на рис. 9 также белыми точками. Сплошной линией на рис. 10 показана величина отклонения равновесного магнитного момента от направления поля развертки, вычисленная по формуле (2.27) при условии Hff=Hfr Видно, что магнитный момент почти совпадает с направлением внешнего магнитного поля лишь в случае его ориентации вдоль осей легкого или трудного намагничивания образца. При этом ширина линии ФМР минимальна ДЯ«4.8 Э- Видно также, что вектор магнитного момента отклоняется почти на 30 от направления магнитного поля в случае его ориентации между осями анизотропии, а АН при этом увеличивается более чем в два раза.
Как в первом, так и во втором случаях, образцы обладали небольшой однонаправленной анизотропией. В качестве другого примера, рассмотрим угловую зависимость резонансного поля, полученную на двухслойной обменно-связанной пленочной системы DyCo/NiFe, полученной методом термического испарения в вакууме на стеклянную подложку (см. рис. 11 черные точки). Толщина слоев составляла по 70 нм. Характерной особенностью таких слоев является большая величина однонаправленной анизотропии [87].
Особенность ФМР в одноосных магнитных пленках
Третья глава посвящена исследованию влияния механических напряжений на магнитные характеристики и их распределения по поверхности тонких пленок, В первой части данной главы дается постановка и описание эксперимента. Вторая часть посвящена обсуждению и анализу экспериментальных данных. В частности, приводятся результаты численного расчета механических напряжений в тонкой пленке. Проводится анализ полученных распределений основных магнитных характеристик, таких как коэрцитивная сила, эффективная намагниченность насыщения, поле одноосной магнитной анизотропии и направление оси легкого намагничивания (ОЛН) для пленок, с различной ориентацией наведенной внешним полем магнитной анизотропии по отношению к приложенным напряжениям. Приводятся результаты теоретического расчета эффективных значений поля магнитной анизотропии и направления ОЛН, Для данных магнитных характеристик дается объяснение их сложного распределения по поверхности пленки.
В отличие от объемных материалов, пленки невозможно рассматривать отдельно от подложек. Последние, в свою очередь, оказывают существенное влияние на их свойства- Прежде всего, это связано с возникновением в пленках упругих напряжений. Напряжения влияют почти на все магнитные характеристики пленок. Они обуславливают возникновение магнитной анизотропии, перестройку доменной структуры, изменения поля и дисперсии анизотропии, коэрцитивной силы, намагниченности и т.д, [90] Все это говорит о том, что механические напряжения являются одним из важнейших факторов, влияющих на свойства магнитных пленок, и поэтому повышенный интерес к данному вопросу не ослабевает по настоящее время. В одних случаях этот интерес основан на использовании магнитоупругой связи для создания различных устройств, например сенсоров и актуаторов. В других, наоборот, для подавления паразитного влияния этой связи на характеристики пленок, например вследствие температурного расширения [91,92],
Причинами возникновения механических напряжений в пленке могут послужить несоответствие параметров кристаллической решетки пленки и подложки, различие коэффициентов термического расширения, локальные механические неоднородности подложки и пр. При изучении влияния напряжений на магнитные параметры пленок часто используется искусственное их создание посредством контролируемой деформации пленки вместе с подложкой, в качестве которой обычно используются металлические, стеклянные пластинки разной толщины и органические ленты, например, из полиэтилентерефталата. Деформации создаются или изгибом пластинок с помощью параллельных ножей, или растяжением органической подложки. При этом пленки, находящиеся на поверхности подложек, также растягиваются или сжимаются.
Для исследования влияния упругих напряжений на магнитные свойства ТМП нами были специально изготовлена серия из трех "тестовых" образцов [10,89,93]. Образцы представляли собой магнитные пленки толщиной 500 А, полученные вакуумным напылением пермаллоя Ni75-Fe25 на стеклянные подложки размером 10x24x0-5 мм, подогретые до 250 С. Напыление производилось одновременно на три подложки, расположенных в одной плоскости в форме буквы «П» так, что ориентирующее плоскостное магнитное поле для двух подложек (L) и (К) совпадало с направлением их длинных осей, а для третей - (7) было перпендикулярно ей (рис. 13).
При напылении подложки были зафиксированы на металлическом основании за свои концы специальными зажимами. Причем подложки (L) и (Т) испытывали небольшую упругую деформацию изгибом на медных проволочках диаметром 50 мкм, подложенных под них вдоль коротких осей.
При такой деформации проволочка и зажимы, выступающие в роли параллельных ножей, изгибают подложку по дуге окружности. Если бы отсутствовали зажимы, поперечное сечение подложки имело бы трапецеидальную форму и деформированные поверхности приобрели бы седлообразную форму. Но зажимы практически препятствуют поперечному изгибу (подложка деформируется по цилиндрической поверхности), что приводит к возникновению на поверхности подложки помимо продольных напряжений поперечных. По завершению напыления, освобожденные из зажимов подложки (L) и (7), распрямляясь, сообщали магнитным пленкам поперечное и продольное сжатие» Причем, поскольку толщина подложек значительно больше толщины пленок, то деформация последних полностью определяется деформацией подложек.
