Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Магнитные пленки. Литературный обзор 16
1.1 Магнитные пленки 16
1.2 Способы получения магнитных пленок 21
1.3 Особенности магнитных свойств тонкопленочных магнитных структур и методы их исследования 22
1.4 Квантовый размерный эффект в ультратонких пленках 27
1.5 Магнитохимия 35
Глава 2. Методика эксперимента и изучаемые образцы 45
2.1 Классификация магнитооптических эффектов 47
2.2 Магнитооптический магнитометр для исследования приповерхностных магнитных характеристик образцов 50
2.3 Магнитооптический микромагнитометр для изучения морфологии поверхности образцов 53
2.4 Метод атомно-силовой микроскопии для изучения морфологии поверхности образцов 56
2.5 Изучаемые образцы 58
2.6 Анализ погрешностей эксперимента 61
Глава 3. Результаты исследования магнитных свойств изучаемых образцов и их обсуждение 63
3.1 Результаты исследования магнитных свойств и магнитополевого поведения трехслойных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co образцов 63
3.2 Результаты исследования зависимости экваториального эффекта Керра от толщины немагнитных слоев трехслойных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co образцов 85
3.3 Результаты исследования структурных и магнитных свойств однослойных FeNi и трехслойных FeNi/Ti/FeNi образцов 89
3.4 Результаты исследования FeN тонкопленочных систем, обработанных 35% раствором уксусной кислоты при отсутствии и наличии постоянного магнитного поля, приложенного параллельно/перпендикулярно поверхности образца 94
3.5 Результаты исследования FeN тонкопленочных систем, обработанных 35% раствором фосфорной кислоты при отсутствии и наличии постоянного магнитного поля, приложенного параллельно/перпендикулярно поверхности образца 106
Основные результаты 130
Список литературы
- Особенности магнитных свойств тонкопленочных магнитных структур и методы их исследования
- Квантовый размерный эффект в ультратонких пленках
- Магнитооптический микромагнитометр для изучения морфологии поверхности образцов
- Результаты исследования зависимости экваториального эффекта Керра от толщины немагнитных слоев трехслойных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co образцов
Особенности магнитных свойств тонкопленочных магнитных структур и методы их исследования
Все физические явления, проявляющиеся в многослойных тонкопленочных структурах, можно классифицировать следующим образом: - эффекты, обусловленные наличием границ раздела между слоями и взаимным влиянием двух различных материалов (интерфейсные явления); - явления, характерные для тонкой однослойной пленки, обусловленные нарушением структурной непрерывности в одном из геометрических направлений (классический и квантовый размерные эффекты); - магнитное взаимодействие ферромагнитных слоев через немагнитную прослойку; - эффекты, обусловленные особенностями геометрии сверхрешеток, поэтому только для них и характерные. Остановимся на некоторых свойствах ТПМС и явлениях, которые заслуживают наибольшего внимания.
В работе [40] было показано, что при приближении к монослойному диапазону толщин магнетика (монослой - единичный, плотно упакованный слой атомов или молекул) происходит радикальное изменение его магнитных свойств. В частности, магнитный момент падает по сравнению с объёмной структурой, и при температуре, отличной от нуля, отсутствует как ферромагнитное, так и антиферромагнитное упорядочение (известная теорема Mermin-Wagner). Вместе с тем, несколько позже в работах [41 – 43] были доказаны следующие факты. В двумерных системах дальний магнитный порядок существует даже при комнатных температурах, то есть Со и Fe-плёнки с объемно-центрированной структурой толщиной вплоть до одного монослоя являются ферромагнитными и характеризуются типичными петлями гистерезиса. Анизотропия, появляющаяся из-за нарушения трансляционной симметрии, не приводит к ориентации спинов вне плоскости монослоя. Вообще говоря, вопрос об анизотропии тонких пленок рассматривался во многих экспериментальных и теоретических работах. Оказалось, что наличие плоскостной или перпендикулярной анизотропии зависит от ряда условий. Ниже приведены заслуживающие внимания данные.
В настоящее время доказано, что тонкие магнитные пленки и многослойные металлические системы, состоящие из чередующихся магнитных (Fe, Co, Ni) и немагнитных (Cr, Cu, Ag, Pd, Pt, Au и др.) слоев, могут иметь различный тип магнитной анизотропии. Согласно существующим экспериментальным данным, магнитные пленки могут обладать перпендикулярной магнитной анизотропией, несмотря на сильную анизотропию формы. На тип магнитной анизотропии, то есть на ориентацию оси легкого намагничивания (ОЛН) в тонкопленочных образцах оказывают сильное влияние такие факторы, как условия, при которых формируется массив пленки, ее кристаллическая структура, а также ее толщина и морфология подложки. Уместно сказать, что ориентация ОЛН в определенном направлении в плоскости пленки может быть задана с помощью магнитного поля (порядка нескольких десятков эрстед), приложенного во время осаждения пленки. Однако подобный способ создания магнитной анизотропии не является единственным. Дальнейшие исследования показали, что ориентация ОЛН в пленке зависит также от температуры ее получения. Так, в работе [44] показано, что в образцах, полученных при 100 К, ОЛН ориентирована перпендикулярно плоскости пленки, а в образцах с таким же составом, но полученных при 300 К, ОЛН лежит в плоскости пленки. Заслуживает особого внимания следующий экспериментально установленный факт. Перпендикулярная к поверхности пленки ориентация оси легкого намагничивания может реализоваться в различных тонкопленочных структурах, но для каждой структуры существует критическая толщина, ниже которой ОЛН перпендикулярна поверхности пленки, а выше – лежит в ее плоскости. Было найдено, что толщина магнитного слоя, при которой происходит переход от плоскостной ориентации оси легкого намагничивания к перпендикулярной, существенно зависит от типа немагнитной подложки, а также от состава немагнитного слоя (Ag, Au, Cu), напыленного между пленкой и подложкой [45, 46]. В целом, к настоящему моменту установлено, что магнитные пленки 3d-переходных металлов толщиной t меньше, чем 1.2 – 1.6 нм, имеют, как правило, перпендикулярную к поверхности образца ОЛН, а пленки с t 1.2 – 1.6 нм характеризуются плоскостной магнитной анизотропией [47 - 50].
Для исследования магнитных характеристик ультратонких пленок необходима высокая чувствительность используемых методик. Это обусловлено тем, что, например, один монослой железа площадью 1 см2 имеет магнитный момент 10-5 emu (эрг/Гс). В настоящее время разработано много методов, применяемых для изучения тонких магнитных пленок. Особого внимания здесь заслуживают методы, основанные на анализе микромагнитных и поверхностных изображений. В частности, к ним относятся магнитно-силовая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, спин-поляризованная туннельная микроскопия, сканирующая микроскопия с поляризационным анализом, фотоэмиссионная электронная микроскопия, Лоренцевская микроскопия, электронная голография, сканирующая Холловская зондовая микроскопия, сканирующая Керровская микроскопия. Результаты исследований с применением перечисленных выше методик способствовали дальнейшему пониманию корреляции между морфологией поверхности и магнетизмом тонких пленок, в особенности монослойных пленок и пленок субмикронной толщины. Исследования микромагнитных конфигураций (равновесных распределений намагниченности) в ультратонких пленках, а также в микро- и нанообъектах позволили получить информацию о возможных микромагнитных состояниях в указанных материалах.
Следует особо выделить измерения на основе анизотропного магниторезистивного эффекта [51]. Они имеют преимущества над другими методами, обусловленные тем, что чувствительность этой методики не уменьшается с уменьшением размера образца, а поэтому она часто применяется при изучении магнитных систем пониженной размерности.
В основном, все перечисленные выше методики исследования ультратонких пленок и многослойных систем являются достаточно дорогостоящими. Вследствие этого наиболее широко применяемыми методами изучения тонкопленочных систем являются магнитооптические. Эти методы применимы в широкой области магнитных полей и температур. Они позволяют оперативно получать информацию о магнитных и магнитооптических свойствах магнитных пленок толщиной вплоть до 1 нм. Кроме того, в случае массивных образцов возможно исследование их приповерхностных магнитных характеристик и приповерхностного распределения намагниченности. Проведение указанных исследований чрезвычайно полезно при решении многих научных и практических вопросов. Можно привести несколько примеров. Так, в работе [52] с помощью магнитооптической методики микронного разрешения реализовано прямое экспериментальное доказательство существования в приповерхностной области Co69Fe4Si12B15 аморфных микропроводов круговых доменов с поперечной относительно длины микропровода ориентацией намагниченности. Кроме того, обнаружено изменение приповерхностной микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) под влиянием упругих напряжений. Результаты магнитооптических исследований многослойных низкоразмерных магнитных структур на основе Co, Fe и Cu, Ag и Au, выполненные в [53], позволили установить сильную зависимость магнитных характеристик от толщины магнитных и немагнитных слоев.
Следует отметить, что получение одновременно информации об объемных и приповерхностных магнитных характеристиках ферромагнетиков, включая тонкопленочные системы, особенно необходимо при разработке магнитных материалов, широко применяющихся в современных устройствах микроэлектроники. Учитывая изложенное выше, исследования магнитных характеристик тонкопленочных магнитных систем в данной работе были выполнены с помощью магнитооптического метода.
Квантовый размерный эффект в ультратонких пленках
Принцип действия магнитометра заключается в следующем. Свет от источника излучения ИС (лампа К-12, питаемая от стабилизированного источника питания) проходит через поляризатор П и с помощью системы линз Л1 первого тубуса микроскопа фокусируется на образец О, расположенный между полюсами электромагнита.
Угол падения света на образец равен 45о. Размер локального участка поверхности изучаемого образца определяется диаметром полевой диафрагмы, расположенной в первом тубусе микроскопа. С учетом возможного изменения увеличения микроскопа диаметр светового пятна на образце может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких десятков микрон. Отраженный от образца свет системой линз Л2 второго тубуса собирается в плоскости изображения микроскопа, где расположен приемник излучения ФП (германиевый фотодиод). Сигнал, пропорциональный интенсивности падающего на фотодиод света, поступает на вход измерительной системы.
В работе использовался модуляционный метод регистрации магнитооптических сигналов. Преимущество данного метода заключается в том, что его применение позволяет устранить влияние колебаний интенсивности источника света, влияние флуктуаций фототока, и в силу того, что он является дифференциальным, чувствительность его увеличивается по сравнению со статическим методом на 2 – 3 порядка, то есть возможно измерение относительного изменения интенсивности отраженного света от перемагничиваемого образца вплоть до 10-4 – 10-5.
Сущность применяемой методики заключается в следующем. Исследуемый образец с помощью магнита перемагничивается переменным магнитным полем с частотой f = 80 Гц. Питание магнита осуществляется от генератора звуковых частот ЗГ-102. Изменение намагниченности засвеченного участка поверхности под действием периодически изменяющегося внешнего магнитного поля приводит к изменению интенсивности света за счет магнитооптического эффекта. Это изменение интенсивности регистрируется фотоприемником.
В цепи приемника излучения возникают два сигнала: U- - постоянное напряжение, пропорциональное интенсивности света I0, отраженного от образца в отсутствии магнитного поля; U - переменное напряжение с частотой f, пропорциональное глубине модуляции интенсивности отраженного от образца света I за счет магнитооптического эффекта, возникающего при изменении намагниченности от М до (– М) под действием внешнего переменного магнитного поля.
Постоянное напряжение U- измеряется микровольтметром постоянного тока В2-11, а переменное напряжение U - усилителем-преобразователем У2-8 с синхронным детектором СД-1. Роль детектора сводится к подавлению сигналов с частотой следования, отличающейся от частоты опорного сигнала, задаваемого генератором ЗГ-102, и регистрации изменения фазы сигнала. С выхода СД-1 и В2-11 сигналы подаются на вход блока деления. С блока деления сигнал, пропорциональный отношению переменной и постоянной составляющих интенсивности отраженного света, подается на один из входов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Е-24. На второй вход АЦП Е-24 подается напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита. Магнитное поле регистрируется датчиком Холла (ДХ), закрепленным между тубусами микроскопа таким образом, чтобы фиксировать значение поля на участке проведения измерения. АЦП осуществляет преобразование аналоговых сигналов в цифровые, регистрация которых осуществляется компьютером. Программное обеспечение PowerGraph позволяет визуализировать и упрощать процессы регистрации, обработки и анализа данных. Изучаемые образцы вместе с электромагнитом устанавливаются на предметном столике микроскопа, снабженном двумя микроподачами, позволяющими перемещать образец в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью до ± 5 мкм. Поляризация света осуществляется с помощью поляризатора Глана-Томсона (степень поляризации 10 4), снабженного лимбом, позволяющим выставлять угол поляризации с точностью 0.5о.
Основные технические характеристики установки: - минимальная величина регистрируемого относительного изменения интенсивности отраженного от перемагничиваемого образца света составляет 5-Ю-5; - минимальный диаметр изучаемого локального участка образца с учетом увеличения микроскопа равен 20 мкм. Кривые намагничивания и петли гистерезиса образцов измерялись на вышеописанной установке с помощью ЭЭК. Величина ЭЭК определялась из соотношения 8 = {I - IQ)IIQ, где I и Iо - интенсивности света, отраженного от намагниченного и ненамагниченного образца. Магнитное поле Н было приложено параллельно поверхности образцов и перпендикулярно плоскости падения света.
Магнитооптический микромагнитометр для изучения морфологии поверхности образцов
Кривые намагничивания были измерены для всех изучаемых образцов. Следует отметить, что эти данные позволяют получить общую информацию о магнитополевом поведении изучаемых тонкопленочных систем. Более детальная информация может быть получена при измерении петель гистерезиса, которые будут представлены ниже.
Из рисунков 3.1 - 3.4 можно видеть, что кривые намагничивания изучаемых тонкопленочных систем, измеренные при D1 и D2 ориентациях магнитного поля Я, сильно различаются, что свидетельствует о наличии в этих образцах плоскостной магнитной анизотропии (МА). При D1 ориентации поля значение намагниченности на начальном участке практически равно нулю. Затем при некотором значении поля наблюдается ее резкое возрастание. Согласно анализу магнитооптических сигналов, это значение Я соответствует коэрцитивной силе образца, Яс. Начиная с некоторого поля, намагниченность имеет практически постоянное значение. Значение поля, при котором намагниченность достигает 98% от значения намагниченности насыщения, принято считать полем насыщения образца, Я8. В случае ориентации магнитного поля вдоль D2 направления наблюдается практически линейный рост намагниченности с увеличением Я. Согласно существующим представлениям [111, 112] такое поведение магнитных пленок возможно при их перемагничивании вдоль осей легкого и трудного намагничивания (направления D1 и D2). Причиной появления плоскостной магнитной анизотропии в изучаемых системах является внешнее магнитное поле Я = 70 Э, приложенное параллельно плоскости подложки в процессе изготовления образцов. Таким образом, приведенные выше данные свидетельствуют о том, что изучаемые образцы характеризуются наличием наведенной магнитной анизотропии (МА).
Физические причины появления наведенной МА в магнитных образцах обсуждались во многих экспериментальных и теоретических работах. Предполагалось, что одним из механизмов ее возникновения является направленное упорядочение примесных центров. Роль примесных центров могут играть атомы замещения или внедрения в состав образца, а также вакансии, дислокации и другие дефекты. Примесные центры стремятся за счет процессов диффузии расположиться вдоль таких направлений в кристалле, чтобы возникшая анизотропия стабилизировала ориентацию вектора намагниченности. Экспериментальное подтверждение этого предположения можно найти в работе [113], где представлены результаты исследований зависимости магнитных свойств Ni(Fe) сплава от концентрации примесей Fe, которая изменялась от 1.2 до 7%. Описание других механизмов наведенной магнитной анизотропии приведено в монографии Тикадзуми [114]. В частности, была проанализирована наведенная магнитная анизотропия, возникающая после отжига NiFe сплавов (АВ сплавов). Объяснение ее состояло в следующем. Основываясь на том факте, что в процессе отжига постоянная решетки уменьшается в относительных единицах на величину 510-4, Тикадзуми предположил, что длина пар АВ короче, чем длина пар АА и ВВ. Если предположить, что атомы А и B в процессе отжига перераспределяются так, что пары атомов АА и ВВ будут ориентированы параллельно магнитному полю, то решетка будет спонтанно деформироваться на относительную величину порядка 10-4. Это значение хорошо согласуется с приведенными выше экспериментальными данными. Такое упорядочение пар атомов вдоль выделенного направления было названо ориентационным упорядочением. Другой предложенный механизм, объясняющий наведенную магнитную анизотропию, основывался на наблюдаемом увеличении спонтанной намагниченности в процессе отжига. Наконец, наиболее корректное объяснение наведенной магнитной анизотропии было дано практически одновременно и независимо Неелем, Танигучи, а также Ямомото, Тикадзуми и Омура [114]. Основное предположение этих авторов заключалось в том, что псевдодипольное взаимодействие является различным для пар АА, ВВ и АВ. Проведенные ими расчеты показали, что направленное упорядочение, в котором парное распределение атомов А и В имеет симметрию ниже, чем кубическая, должно приводить к одноосной магнитной анизотропии. В настоящее время предполагается, что наиболее вероятным механизмом наведенной магнитной анизотропии является парное упорядочение атомов. Вместе с тем влияние примесных центров, роль которых могут выполнять вакансии, дислокации и другие дефекты, на наведенную анизотропию нельзя полностью исключить.
Наличие плоскостной магнитной анизотропии было подтверждено также данными, полученными при измерении петель гистерезиса для изучаемых образцов. Петли гистерезиса, измеренные вдоль оси трудного намагничивания, имеют, как и в случае двухслойных образцов, так называемый безгистерезисный вид с практически нулевыми значениями коэрцитивной силы и остаточной намагниченности (см. рисунок 3.5).
Типичная петля гистерезиса, наблюдаемая для трехслойных образцов в магнитном поле, приложенном вдоль D2 направления Вместе с тем было обнаружено, что петли гистерезиса, измеренные в магнитном поле, приложенном параллельно оси легкого намагничивания, зависят от толщины немагнитной прослойки. Было найдено, что существуют трехслойные тонкопленочные системы с толщиной немагнитных слоев, при которых петли гистерезиса имеют характерную для таких образцов прямоугольную форму, а при других толщинах немагнитного слоя наблюдаются петли гистерезиса более сложной формы. Для иллюстрации этого факта на рисунках 3.6-3.8 представлены петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных систем с толщиной слоев железа, равной 2.5 нм, и различными толщинами немагнитных слоев.
Результаты исследования зависимости экваториального эффекта Керра от толщины немагнитных слоев трехслойных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co образцов
Анализ приведенных выше данных показал, что исходные однослойные и трехслойные образцы, как и в предыдущем случае, характеризуются достаточно высокой однородностью локальных приповерхностных магнитных характеристик: различие локальных значений поля насыщения, HSЛОК, однослойных и трехслойных образцов не превышает 5 и 4 % соответственно. После травления образцов в присутствии магнитного поля Н = 100, 200 и 300 Э различие локальных значений HSЛОК увеличивается.
Локальные значения HSЛОК исходных трехслойных систем примерно в 1.5 раза меньше HSЛОК исходных однослойных образцов. Этот результат согласуется с существующими данными, согласно которым уменьшение толщины магнитных пленок сопровождается уменьшением значений поля насыщения [152]. После травления образцов в присутствии магнитного поля (Н = 50 Э) различие локальных значений HSЛОК соответственно увеличивается до 14 и 13% при параллельной и перпендикулярной ориентации Н. При этом абсолютные значения HSЛОК увеличиваются примерно в 2.4 – 3.4 раза по сравнению с исходным образцом.
Как и при химической обработке уксусной кислотой, доменная структура ФГ пленки, находящейся в оптическом контакте с исходным и химически обработанным фосфорной кислотой в нулевом магнитном поле тонкопленочными FeN образцами, остается лабиринтной. После химической обработки изучаемых образцов в присутствии магнитного поля доменная структура ФГ пленки сильно видоизменяется. Как видно из рисунков, представленных выше, в случае плоскостного магнитного поля начинает преобладать полосовая доменная структура, а в случае перпендикулярного поля в значительной степени изменяется соотношение между светлыми и темными доменами. Этот факт свидетельствует о видоизменении распределений полей рассеяния на поверхности изучаемых тонкопленочных систем, которое может быть также обусловлено появлением продольных и вертикальных дефектов на поверхности FeN образцов после их травления в магнитном поле.
Физическая причина описанных выше эффектов может состоять в следующем. При обработке пленки железа кислотой, железо на ее поверхности может вступать в реакцию с образованием оксидов и оксалатов железа. Известно, что нормальный электродный потенциал железа в водных растворах его солей для реакции Fe = Fe3+ + 3e равен 0.036 В (оксид железа III), а для реакции Fe = Fe2+ + 2e составляет 0.44 В (оксид железа II). Из этого следует, что образование оксида III будет на порядок меньше, чем II. В целом на поверхности плёнок железа протекают следующие реакции: 1. образование оксида железа II; 2. образование оксида железа III, который имеет оранжевый окрас и растворяется в кислотах с образованием соответствующих солей; 3. образование оксалата железа, который растворим в воде.
В результате происходит вытравливание поверхности плёнки с образованием соответствующего рельефа из водорастворимых солей, который обуславливает поля рассеяния. Магнитное поле влияет на скорость реакции образования окисла и травления поверхности железа по магнито-спиновому механизму [153], основной принцип которого состоит в следующем. Известно, что химическая реакция — это физический процесс перегруппировки атомов и перестройки электронных оболочек реагирующих частиц, в результате которого образуются новые частицы — продукты реакции. Магнитный принцип управления химическими реакциями основан на селективности этих процессов к угловому моменту молекул (в молекулярных процессах) и угловому моменту электронов (спину) и ядер реагирующих в химических реакциях частиц [153]. Изменение углового момента индуцируется магнитными взаимодействиями, энергия которых в обычных условиях мала по сравнению с химической, то есть в данном случае принцип управления химическими реакциями имеет не энергетическую, а спиновую природу. По этой причине скорости спин-селективных процессов зависят от магнитных взаимодействий, которые изменяют спин реагирующих частиц и снимают (частично или полностью) спиновые запреты. Скорости этих процессов зависят от величины и ориентации внешнего (постоянного или высокочастотного) магнитного поля [153]. Это и приводит к тому, что с увеличением значения магнитного поля, приложенного при химическом травлении образцов, появляющийся рельеф на их поверхности, предопределяющий распределение полей рассеяния, увеличивается. Следует отметить, что высота наблюдаемого рельефа совпадает с существующими оценками по различию скоростей химической реакции в присутствии поля и без него [153].
Морфология поверхности тонкопленочных образцов влияет на их приповерхностные магнитные свойства. Исходные образцы не имеют существенных дефектов на поверхности. Вследствие этого они характеризуются достаточно высокой однородностью локальных магнитных свойств. Различие локальных значений поля насыщения однослойных и трехслойных образцов не превышает 5 и 4 % соответственно. Изменение морфологии поверхности химически обработанных FeN тонкопленочных систем, проявляющееся в появлении приповерхностных рельефных образований, усиливает влияние полей рассеяния на измеряемые магнитные характеристики, что повышает различие локальных магнитных характеристик. При этом значения HSЛОК увеличиваются с ростом поля Н от 100 до 300 Э, приложенного в процессе травления образцов. В однослойных образцах изменения HSЛОК при наличии поля, приложенного в процессе химической обработки образцов, равного 100, 200 и 300 Э, порядка 9, 16, 22 и 9, 22, 28% соответственно при перпендикулярной и параллельной ориентации Н.
Чтобы оценить количественные параметры дефектов, появляющихся на поверхности химически обработанных в магнитном поле образцов, был использован метод атомно-силовой микроскопии. На рисунках 3.53 и 3.54 приведены наиболее характерные изображения поверхности образцов после их обработки фосфорной кислотой в магнитном поле, приложенном параллельно и перпендикулярно их поверхности, полученные с помощью атомного силового микроскопа.