Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Влияние термической обработки на магнитные свойства плёнок никеля и железа 11
1.1. Магнитные плёнки, методы их получения, некоторые особенности магнитных свойств тонких магнитных плёнок и методы их исследования 11
1.2. Магнитооптическая установка для измерения приповерхностных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (МИС-11) 23
1.3. Спектральная установка для исследования магнитооптических свойств ферромагнитных материалов 27
1.4. Исследуемые образцы 31
1.5. Анализ погрешностей эксперимента 31
1.6. Результаты исследования магнитных свойств исходных и отожжённых плёнок никеля и железа и их обсуждение 33
1.7. Результаты исследования магнитооптических свойств исходных и отожжённых плёнок никеля и железа и их обсуждение 51
Основные результаты и выводы к главе I 53
Список литературы к главе I 56
Глава II. Низкоразмерные магнитные структуры 60
2.1. Общие представления о низкоразмерных магнитных структурах. Способы их получения и методы исследования. Практическое применение низкоразмерных магнитных структур 60
2.2. Особенности магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных структур 65
2.3. Магнитооптическая установка микронного разрешения -магнитооптический микромагнетометр (МИМ-8) 74
2.4. Исследуемые образцы 80
2.5. Результаты исследования микромагнитной структуры и магнитных свойств пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров и их обсуждение 81
Основные результаты и выводы к главе II 89
Список литературы к главе II 91
Глава III. Магнитные свойства аморфных материалов 96
3.1. Аморфные магнитные материалы (АММ). Способы их получения и практическое применение. Методы исследования АММ и некоторые особенности их магнитных свойств 96
3.2. Исследуемые образцы 108
3.3. Результаты исследования магнитных свойств и приповерхностной микромагнитной структуры многокомпонентных Fe6l.4Ni3.6Cr3.2Si2.4Nb7.8Mn3.6B и Fe64.6Ni3.7Cr7.7SіiNb2MniB4PioC6 аморфных лент и их обсуждение 109
Основные результаты и выводы к главе III 124
Список литературы к главе III 126
Заключение 130
Список публикаций 132
- Магнитооптическая установка для измерения приповерхностных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (МИС-11)
- Результаты исследования магнитных свойств исходных и отожжённых плёнок никеля и железа и их обсуждение
- Особенности магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных структур
- Результаты исследования магнитных свойств и приповерхностной микромагнитной структуры многокомпонентных Fe6l.4Ni3.6Cr3.2Si2.4Nb7.8Mn3.6B и Fe64.6Ni3.7Cr7.7SіiNb2MniB4PioC6 аморфных лент и их обсуждение
Введение к работе
В настоящее время уделяется большое внимание изучению магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных материалов, особенность которых состоит в том, что, по крайней мере, один их размер лежит в микрометрическом или напометрическом диапазоне. Одним из примеров твердотельных низкоразмерных материалов являются тонкие магнитные плёнки (ТМП), толщина t которых значительно меньше, чем два других их размера. В качестве другого примера можно указать системы, представляющие собой множество (порядка 10 ) микро- и нанопроволок плоской и круглой формы, полученных с помощью высокоразрешающей электронно-лучевой литографии и химического осаждения на пористые полупроводниковые подложки. Наконец, приповерхностная область магнитных кристаллов также является объектом пониженной размерности, эффективная размерность которого ближе к двум, чем к трем.
Интерес к перечисленным выше объектам не случаен и обусловлен рядом причин. В частности, в случае тонких магнитных плёнок толщиной несколько атомных слоев мы имеем дело с принципиально новыми низкоразмерными материалами, отличительной особенностью которых является нарушение трансляционной симметрии в одном из направлений. Это сопровождается появлением ряда, присущих только этим объектам физических свойств и явлений. Например, в отличие от массивных магнетиков в ультратонких плёнках наблюдается изменение доменной структуры и структуры доменных границ. В условиях нарушенного полного внутреннего отражения в них возможно возбуждение поверхностных плазменных и магнитоплазменных волн. В самое последнее время в ферромагнитных плёнках толщиной менее 6 монослоев теоретически предсказаны и экспериментально зарегистрированы новые квантовые размерные эффекты. В случае многослойных тонкоплёночных
систем, представляющих собой чередования магнитных и немагнитных слоев субмикронной толщины, обнаружено гигантское магнитосопротивление.
Повышенный интерес к перечисленным выше материалам обусловлен также многообещающими перспективами их практического применения. Так тонкие металлизированные магнитные плёнки и многослойные структуры используются в качестве сред для высокоплотной магнитной записи [1-3]. На их основе создаются датчики магнитных полей, превосходящие по ряду характеристик (особенно в области малых полей) другие датчики. Одной из разновидностей таких датчиков являются миниатюрные магнитные головки для считывания сверхплотной магнитной записи. Кроме того, плёнки с высоким значением индукции насыщения используются при создании магнитных головок для высокоплотной записи.
Что касается приповерхностных слоев ферромагнитных материалов, то можно отметить следующее. Вблизи поверхности магнитные материалы обладают особыми свойствами. В частности, структура доменных границ (ДГ) в приповерхностной области может отличаться от объёмной; на поверхности ферромагнетиков возможно скопление дефектов кристаллической решетки; поверхность кристаллов может находиться в особом состоянии. Кроме того, для приповерхностной области, например, аморфных материалов характерно наличие сильной неоднородности в структуре и химическом составе. Таким образом, приповерхностная область магнитных кристаллов и особенно низкоразмерных магнитных материалов может оказывать существенное влияние на формирование их магнитных характеристик.
Несмотря на стремление в значительной степени расширить изучение низкоразмерных магнитных материалов, развитие этого направления долгое время тормозилось несовершенством технологий их приготовления. В течение последних лет удалось решить многие технологические проблемы. Так благодаря значительному прогрессу в развитии вакуумной техники, основанной на применении высокотехнологичных насосов с криогенными ловушками, позволяющими получать вакуум до 10"9 - 10'11 Торр, удалось получить
совершенные тонкоплёночные образцы с очень малой толщиной (вплоть до одного монослоя), характеризующиеся практически всеми свойствами объёмного магнетика (спонтанной намагниченностью, петлёй гистерезиса, остаточной намагниченностью) [4]. Рациональный выбор прекурсора при изготовлении аморфных материалов и научно-обоснованный режим их термической обработки позволил получить панокристаллические материалы с уникальными статическими и динамическими магнитными свойствами. Все это обусловило новый подъем интереса к исследованиям низкоразмерных магнитных структур. Однако анализ существующих данных показал, что к моменту проведения наших исследований по-прежнему существовало много нерешенных проблем. Например, не был окончательно решен вопрос о влиянии приповерхностной микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) на процессы перемагничивания низкоразмерных магнитных материалов; не изучена взаимосвязь приповерхностных магнитных свойств и микроструктуры аморфных и нанокристаллических сплавов; экспериментально не исследовано взаимное влияние микро- и нанопроволок, принадлежащих ансамблю указанных элементов (~106), на их магнитные свойства и микромагнитную структуру.
Таким образом, можно утверждать, что экспериментальное решение перечисленных выше проблем является актуальной задачей физики магнитных явлений.
Проведение исследований микромагнитной структуры и поведения в магнитном поле низкоразмерных магнитных материалов, а также низкоразмерных элементов, в частности, приповерхностных областей в магнитомягких материалах, возможно с использованием высокочувствительных экспериментальных методик. Одним из наиболее эффективных способов исследования таких объектов является магнитооптический метод, который и был использован в данной работе.
Цель работы состояла в магнитооптическом исследовании влияния термической обработки на приповерхностные магнитные свойства тонких
плёнок никеля и железа, FeNiCrSiNbMnB FeNiCrSiNbMnBPC аморфных сплавов и сравнении полученных данных с объёмными характеристиками, а также изучении локальных магнитных свойств и микромагнитной структуры пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров.
Для достижения поставленной цели было намечено решение следующих задач:
исследование влияния термической обработки на магнитные свойства тонких плёнок Fe и Ni;
изучение локальных магнитных свойств и микромагнитной структуры пермаллоевых прямоугольных элементов микронных размеров (микрострайпов);
исследование влияния размеров, формы и взаимного расположения пермаллоевых микрострайпов на их локальные магнитные свойства;
исследование магнитных свойств и микромагнитной структуры
МНОГОКОМПОНеНТНЫХ и
Fe64.6Ni3.7Cr7.7Si1Nb2MniB4PioC6 исходных и отожжённых аморфных лент. Научная новизна работы состоит
в обнаружении сильного влияния отжига на магнитные свойства плёнок Fe и Ni;
в обнаружении зависимости локальных магнитных характеристик микронных пермаллоевых элементов (микрострайпов) от их размеров, положения изучаемого участка в микрострайпе и взаимного расположения микрострайпов относительно друг друга в ансамбле указанных элементов (~10 );
в установлении влияния неоднородных полей рассеяния на локальные магнитные свойства микрострайпов;
в обнаружении особенностей приповерхностной микромагнитной структуры, локальных магнитных свойств и процессов перемагничивания FeNiCrSiNbMnB и FeNiCrSiNbMnBPC аморфных лент и влияния на них термической обработки;
в установлении взаимосвязи магнитных свойств и микрокристаллической структуры FeNiCrSiNbMnB и FeNiCrSiNbMnBPC сплавов.
Практическая ценность: полученные результаты позволяют дать научно-обоснованные рекомендации при разработке многослойных тонкоплёночных систем для современных устройств спиновой микроэлектроники, а также при изготовлении объёмных аморфных сплавов и магнитомягких материалов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:
Int. Symp. on Advanced Magnetic Technologies, Taipei, Taiwan, May 13-16, 2001; 15th Soft Magnetic Materials Conference, Bilbao, Spain 5-7 September, 2001;Joint European Magnetic Symposia EMMA-MRM, Grenoble, France, August 28 -September 1, 2001; MISM 2002, Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва, 20-24 июня, 2002; XVIII Международной школе - семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 24-28 июня, 2002; XIX Международной школе - семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 28 июня - 2 июля, 2004; EASTMAG-2004, Krasnoyarsk, Russia, August 24-27, 2004; Joint European Magnetic Symposia, Dresden, Germany, September 05-10, 2004; MISM 2005, Московском международном симпозиуме по магнетизму, Москва, 25-30 июня, 2005.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 21 печатных работах, список которых приведён в конце цитируемой литературы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы составляет 135 страниц машинописного текста, включая 56 рисунков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 138 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы цель, новизна, научная и практическая значимость работы; кратко изложено содержание диссертации по главам.
Первая глава диссертационной работы посвящена магнитным свойствам тонких плёнок. Перечислены основные методы их получения и исследования. Дано представление о магнитных и структурных свойствах тонких плёнок, влиянии на них технологи приготовления и магнитного отжига. Приведено описание экспериментальной магнитооптической установки, используемой в работе для изучения приповерхностных магнитных характеристик ферромагнитных материалов, проанализированы ошибки эксперимента. Представлены результаты исследования магнитных и магнитооптических свойств исходных и отожжённых плёнок железа и никеля, проведено обсуждение полученных экспериментальных данных.
Вторая глава посвящена магнитным свойствам тонкоплёночных магнитных аппликаций. Приведено описание низкоразмерных магнитных структур, способов их получения, методов исследования и практического применения. Приведены существующие представления о доменной структуре, процессах перемагничивания тонкоплёночных микроэлементов и факторах, влияющих на их магнитные свойства. Дано описание магнитооптической установки микронного разрешения (магнитооптического микромагнетометра), используемого в работе для изучения микромагнитной структуры и локальных магнитных свойств низкоразмерных магнитных структур. Приведены результаты исследования локальных магнитных свойств микронных тонкоплёночных пермаллоевых элементов и их обсуждение.
Третья глава посвящена магнитным свойствам аморфных материалов. Описаны основные способы получения и методы исследования аморфных материалов, их магнитные свойства и практическое применение. Приведены результаты исследования приповерхностной микромагнитной структуры и
МаГНИТНЫХ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНеНТНЫХ и
аморфных лент, а также влияния на них термической обработки. Проведено обсуждение экспериментальных данных с учетом микрокристаллической структуры изучаемых материалов.
В каждой из трёх глав дано описание соответствующих исследуемых образцов, сформулированы основные результаты и выводы.
Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Магнитооптическая установка для измерения приповерхностных магнитных характеристик ферромагнитных материалов (МИС-11)
Как указано выше, тонкие магнитные плёнки (ТМП) являются примером низкоразмерных (в данном случае (2D)) магнитных материалов. В микромагнитной теории ферромагнетиков магнитной плёнкой называется слой ферромагнитного материала, толщина которого равна или меньше длины
обменного взаимодействия L0()M = J4C, где А - обменный параметр, К константа магнитной анизотропии, Магнитные плёнки привлекают внимание исследователей в первую очередь благодаря своим уникальным свойствам, отличающимся от свойств объёмных ферромагнетиков.
В 90-х годах прошлого столетия, благодаря развитию вакуумной техники и применению высокотехнологичных насосов с криогенными ловушками, удалось добиться значительного прогресса в получении тонких плёнок. В настоящее время используемые для изготовления тонкоплёночных образцов установки имеют, как правило, вакуум до 10"9 - Ю п Торр, что позволяет получать совершенные образцы с очень малой толщиной (вплоть до одного монослоя), характеризующиеся практически всеми свойствами объёмного ферромагнетика (спонтанной намагниченностью, петлёй гистерезиса, остаточной намагниченностью) [4]. Развитие технологий изготовления тонких магнитных плёнок (ТМП) в свою очередь стимулировало усиление интереса к их исследованию. Рассмотрению задач физики магнитных плёнок посвящен ряд монографий [5 - 7], результатам исследования физических свойств ТМП уделяется значительное внимание на международных и российских конференциях по магнетизму.
Тонкие магнитные плёнки представляют интерес не только с научной точки зрения, но и с точки зрения перспектив их практического применения. В частности, тонкие магнитные плёнки используются в качестве миниатюрных элементов в различных устройствах современной микроэлектроники [8 - 10], в системах магнитной записи [1 - 3], в качестве интерференционных фильтров, отражающих и антиотражающих покрытий [11 - 12] и т.д..
Вопрос о магнитном порядке в тонких плёнках - в (2D) -ферромагнетиках - рассматривался физиками-теоретиками в течение последних 60 лет. Изначально существовало мнение, что при приближении к монослойному диапазону толщин ферромагнетика должно происходить сильное изменение его магнитных свойств. В частности, утверждалось, что при температуре, отличной от нуля, как ферромагнитное, так и антиферромагнитное упорядочение должно отсутствовать (теорема Mermin-Wagner) [13]. Впервые возможность существования дальнего и ближнего порядков при конечных температурах в ультратонких магнитных образцах была доказана в работе [14]. В работах [14 -16] было доказано, что в двумерных системах дальний порядок существует даже при комнатных температурах, то есть Со - и Fe- плёнки с объемно-центрированной кристаллографической структурой толщиной вплоть до одного монослоя (МС) являются ферромагнитными и характеризуются типичными для магнитных материалов петлями гистерезиса. Монослои намагничены в плоскости, то есть анизотропия, появляющаяся из-за нарушения трансляционной симметрии, не приводит к ориентации спинов вне плоскости образца.
Известно, что структура и свойства тонких магнитных плёнок очень сильно зависят от способа получения и условий в процессе их осаждения. На формирование магнитных свойств тонких плёнок влияют скорость испарения материала, температура подложки, степень вакуума, чистота подложки, угла падения молекулярного (атомного) пучка на подложку и др.. Наиболее распространёнными методами получения тонких магнитных плёнок являются следующие [5-7]: 1) магнетронное напыление; 2) электролитическое осаждение; 3) химическое осаждение; 4) термальное испарение; 5) ионоплазменное напыление; 6) молекулярно-лучевая эпитаксия. Монокристаллические плёнки с совершенной структурой получают в основном методом молекулярно-лучевой эпитаксии, при этом используются монокристаллические подложки с периодом решётки, практически равным периоду решетки тонкоплёночного магнитного образца. Остановимся коротко на некоторых особенностях условий получения ТМП. Одним из важнейших факторов, влияющих на магнитные характеристики тонких плёнок, является давление инертного газа в рабочей камере в процессе их осаждения. В качестве примера можно привести работу [17], где было обнаружено, что плёнки никеля, полученные при давлении аргонного газа PAr 10"2 - 10" Торр, имеют малое значение приведенной остаточной намагниченности (M,JMS 0.15 - 0.4) и большое значение коэрцитивной силы Нс (несколько десятков эрстед). Вместе с тем, близкое к единице значение приведенной остаточной намагниченности (MR/MS 0.85- 0.95) и малое значение коэрцитивной силы (Нс 20 Э) наблюдалось в плёнках, полученных при более низком давлении аргонового газа (РАг —10"3 - 10"2 Торр). Кроме того, было установлено, что давление инертного газа в рабочей камере существенно влияет на размер кристаллитов Д формирующих массив плёнки, и их ориентацию. Было найдено, что при низком давлении РАг значение D порядка 5 -6 нм, а при высоком - D » 10 нм. При РАг ЗхЮ 2Торр ориентация кристаллитов близка к случайной, а при РАх 3x10 2 Торр интенсивность пиков рентгеновских спектров в плоскости (111) увеличивается в два раза.
Способы напыления плёнок также влияют на их магнитные характеристики. Экспериментально установлено [18], что в плёнках, полученных наклонным осаждением, при определённых условиях испарения наблюдается чётко выраженная колончатая микроструктура кристаллитов. Возрастание коэрцитивной силы и улучшение прямоугольности петли гистерезиса объясняется колончатой микроструктурой кристаллитов с длинной осью, совпадающей с направлением падающего потока. Полученная таким образом плёнка состоит из однодоменных частиц, окружённых пустотами. Вследствие этого обменное взаимодействие между соседними гранулами достаточно слабое, и магнитная анизотропия определяется главным образом формой кристаллитов и их размером.
Исследования процесса образования центров зарождения показали, что поверхностная подвижность атомов экспоненциально зависит от температуры [19]. Следовательно, на процесс формирования структуры плёнки в процессе её получения сильно влияет температура подложки. Экспериментально установлено [19], что с увеличением температуры подложки размер кристаллитов увеличивается, а число дефектов решетки уменьшается. Если осаждение проводится в присутствии остаточных газов и в условиях, при которых подвижность атомов мала, то плотность плёнок значительно меньше, чем в объёмном материале. Максимум плотности наблюдается при определённой скорости осаждения (соответственно, подвижности атомов). При очень низких скоростях осаждения скорость образования зародышей мала. В результате плёнки получаются шероховатыми и рыхлыми. С увеличением скорости осаждения плотность плёнки и её гладкость увеличиваются.
Результаты исследования магнитных свойств исходных и отожжённых плёнок никеля и железа и их обсуждение
Серии Fe и Ni плёнок получены методом магнетронного распыления с использованием сверхвысоковакуумной установки УСУ-4. Плёнки были напылены на стеклянные подложки при базовом давлении в рабочей камере 10"8 Торр. Температура подложек в момент нанесения плёнок была комнатной. В процессе напыления плёнок параллельно подложке было приложено магнитное поле, #Sub равное 70 Э. Сверхвысокий вакуум достигался с помощью магниторазрядного насоса после прогрева рабочей вакуумной камеры при температуре 200 С в течение 8 часов. В качестве рабочего инертного газа использовался ксенон. Давление инертного газа было порядка 10"3 Торр. Толщина плёнок в каждой серии варьировалась от 50 до 200 нм. Чтобы предотвратить окисление, плёнки Fe и Ni были покрыты 10-нм слоем углерода. Серии Fe и Ni плёнок с указанными выше толщинами были отожжены в вакууме в течение одного часа при температуре Гапп = 300, 400 и 500 С.
Исследование микроструктуры изучаемых образцов выполнены с помощью Х-лучевого дифракционного анализатора (XRD). Известно, что все виды ошибок эксперимента делятся на два класса: систематические и случайные. Систематические ошибки при измерении магнитооптических эффектов могут быть вызваны следующими причинами:
Уменьшение этих наводок достигалось за счет проведения измерений на частоте / = 80 Гц. Для устранения резонансных наводок, индуцированных сигналом в цепи намагничивания с частотой звукового генератора, проводилось тщательное заземление всех измерительных приборов. Так, фотоприемник помещался в кожух из магнитомягкого материала и удалялся на максимальное расстояние от звукового генератора и магнита. Для уменьшения полей рассеивания магнит был выполнен в форме тороида. Кроме того, уровень шумов и наводок постоянно контролировался в процессе измерения. Для этого при повороте поляризатора на 90 оценивали величину эффекта на 5-компоненте падающего света, которая для пироэлектрических сред на два порядка меньше, чем на Р-компоненте. Настройка считалась удовлетворительной, если величина 8S не превышала 1% от величины 6Р.
Степень поляризации света для используемых нами поляризаторов Глана-Томпсона составляла 10 4, и поэтому этой погрешностью можно пренебречь. Ошибка в измерении угла падения света определялась расходимостью падающего пучка и неточностью центрирования образца. Ошибка установки угла падения света составляла не более 0,5.
К систематическим ошибкам приводят колебания коэффициента усиления усилителя и синхронного детектора. Эта ошибка определяется классом точности прибора и составляет 10%. Для уменьшения этой ошибки усилитель периодически настраивался, а величина коэффициента усиления контролировалась внешним измерителем напряжения. Измерения постоянной составляющей сигнала проводились с точностью до 0,1 мВ.
Случайные ошибки могут быть обусловлены как самой измерительной установкой, так и влиянием внешних условий. Многократное измерение одной и той же величины позволяет уменьшить влияние этого класса погрешностей и снизить величину случайной ошибки. В целом, общая ошибка эксперимента не превышала 10%.
Объёмные магнитные характеристики железных и никелевых плёнок были измерены на вибрационном магнетометре. Информация о приповерхностных магнитных характеристиках образцов была получена с помощью магнитооптического магнетометра, подробно описанного выше. Как уже отмечалось, магнитооптический эффект Керра чувствителен к намагниченности приповерхностного слоя определенной толщины, соответствующей «глубине проникновения света в среду», /реп. Величина /реп определяется из соотношения: реп = М4пк, где Я - длина волны падающего света, а к - коэффициент поглощения среды. Значение /репдля металлических ферромагнетиков не превышает 10 - 30 нм в области энергии квантов падающего света 0.5 hco 5 эВ. В данном случае tpen было порядка 15 нм.
Измерение приповерхностных кривых намагничивания и петель гистерезиса было выполнено с помощью экваториального эффекта Керра (ЭЭК), д. Здесь 5 = (/- /о)//о, где / и /о интенсивность света, отраженного от намагниченного и ненамагниченного образца, соответственно. Фактически, для изучаемых образцов измерялись зависимости 3(Н)/д$ с М(Н)/М$ (д$ -значение ЭЭК при М = Ms, Ms - намагниченность насыщения) при циклическом изменении (от +# до - Н и от -Н до +Н) внешнего магнитного поля, приложенного параллельно поверхности образца и перпендикулярно плоскости падения света.
Измерения объёмных, приповерхностных кривых намагничивания и петель гистерезиса для изучаемых плёнок Fe и Ni были выполнены при двух ориентациях внешнего магнитного поля Н, приложенного в плоскости образцов. В одном случае направление Н совпадало с ориентацией магнитного поля, приложенного в процессе напыления плёнок (обозначенное как D1), а в другом было перпендикулярно этому направлению (D2).
Особенности магнитных свойств и микромагнитной структуры (равновесного распределения намагниченности) низкоразмерных магнитных структур
Из рисунков 1.7.1 и 1.7.2 можно видеть, что для всех исходных и отожжённых как плёнок никеля, так и железа форма кривых S(hco) практически одинаковая, а для плёнок одной серии величина ЭЭК не зависит от толщины образца. Как было указано выше, магнитооптические эффекты Керра чувствительны к намагниченности приповерхностного слоя определённой толщины, соответствующей глубине проникновения света в среду - tpen. При исследовании приповерхностных магнитных и магнитооптических свойств плёнок железа и никеля толщина измеряемого приповерхностного слоя не превышала 15 нм. Можно видеть, что толщина изучаемых образцов t больше, чем значение tpen. Благодаря этому мы не наблюдали влияние толщины плёнок на величину ЭЭК. Кроме того, анализ спектральных зависимостей ЭЭК, полученных для Ni и Fe плёнок, показывает, что они аналогичны спектрам, наблюдаемым для монокристаллических образцов Ni и Fe [49]; в частности, максимальное значение ЭЭК ( 5тах) для всех плёнок Ni и Fe наблюдается в области йй = 3.7 и 1.8 eV, соответственно. Вместе с тем можно видеть, что с ростом температуры отжига величина ЭЭК уменьшается. Например, для исходных и отожжённых при 300, 400 и 500 С плёнок никеля, значения 5шах равны 4.6х10"3, 3.9ХЮ"3, З.бхЮ"3 и 3.2х10 3, соответственно. Этот факт можно объяснить следующим. Согласно данным, полученным с помощью вибрационного магнетометра, значение намагниченности насыщения Ms отожжённых при 300, 400 и 500 С плёнок никеля уменьшается, по сравнению с Ms исходных образцов примерно в 1.2, 1.3 и 1.4 раза, соответственно. Соотношение максимальных значений ЭЭК, 5шах, для отожжённых и исходных плёнок практически такое же. Аналогичные соотношения между значением ЭЭК и намагниченностью насыщения Ms было найдено и для плёнок Fe. Известно, что магнитооптические эффекты в первом приближении имеют линейную зависимость от намагниченности ( 5 ос М). Таким образом, уменьшение ЭЭК можно объяснить уменьшением Ms в отожжённых образцах.
Проведено экспериментальное исследование влияния температуры отжига на приповерхностных и объёмных магнитные характеристики, а также магнитооптические свойства плёнок никеля и железа толщиной 50 - 200 нм. 2. Обнаружено сильное влияние температуры отжига и толщины образцов на приповерхностные и объёмные магнитные характеристики и, в частности, на значения коэрцитивной силы Не плёнок никеля и железа. 3. Показано, что найденные зависимости коэрцитивной силы Не от толщины плёнок и температуры отжига могут быть объяснены микроструктурными особенностями изучаемых образцов. Доказано, что увеличение значений Не плёнок никеля и железа обусловлено усилением их текстуры. 4. Обнаружено, что исходные и отожжённые при температуре Т = 300 С плёнки никеля характеризуются наличием магнитной анизотропии в плоскости образцов. При этом ориентация оси лёгкого намагничивания (ОЛН) совпадает с направлением магнитного поля, приложенного параллельно подложке в процессе изготовления плёнок. Эти данные позволяют сделать вывод о наличии в образцах наведённой магнитной анизотропии, причиной которой, согласно существующим представлениям, может быть парное упорядочение атомов. 5. Установлено, что как приповерхностные, так и объёмные магнитные свойства отожжённых при температуре Т = 400 и 500 С плёнок никеля не зависят от ориентации перемагничивающего поля, приложенного в плоскости образцов, а значения Не существенно увеличиваются по сравнению с исходными образцами. Этот экспериментальный результат свидетельствуют о том, что благодаря отжигу при температуре Т = 400 и 500 С возможно получение изотропных магнитожёстких никелевых тонкоплёночных систем. 6. Обнаружено, что приповерхностные и объёмные значения Не и MRIMS изучаемых плёнок различаются, причем #cSUR #cV0L и MRSUR/MS М оь/М$. По аналогии с существующими экспериментальными данными, этот факт был сделан вывод о различающейся доменной структуре приповерхностного слоя и внутреннего объёма плёнок. 7. Установлено, что спектральные зависимости экваториального эффекта Керра (ЭЭК) плёнок никеля и железа аналогичны спектрам ЭЭК, наблюдаемым для монокристаллических образцов Ni и Fe, но величина ЭЭК уменьшается с ростом температуры отжига. Сопоставление значений намагниченности насыщения Ms исходных и отожжённых образцов позволило сделать вывод о том, что в соответствии с феноменологической теорией линейных по намагниченности магнитооптических эффектов, изменения ЭЭК обусловлены уменьшением величины Ms в результате отжига пленок. 8. Обнаружено, что для всех исходных и отожжённых плёнок никеля и железа одной серии величина ЭЭК не зависит от толщины образца. Этот результат подтверждает известный факт, что при толщине изучаемых образцов /, превышающей глубину проникновения света в среду, , величина магнитооптического сигнала не зависит от значения /. 9. Полученные экспериментальные результаты могут быть использованы при разработке тонкоплёночных систем, применяемых в современных устройствах спиновой микроэлектроники.
Результаты исследования магнитных свойств и приповерхностной микромагнитной структуры многокомпонентных Fe6l.4Ni3.6Cr3.2Si2.4Nb7.8Mn3.6B и Fe64.6Ni3.7Cr7.7SіiNb2MniB4PioC6 аморфных лент и их обсуждение
Как видно из таблицы 2.1.1, наименьший диаметр пор 10 2 нм получают методом ядерных треков. Этот метод, в отличие от других приведённых методов, дающих регулярный массив пор, используется для получения случайных массивов пор. Технология основывается на работе Possin [2]. Базовый процесс заключается в быстром прохождении тяжёлых ионов, например, радиоактивных трансурановых изотопов. Ядерные треки являются зонами структурных повреждений и химически намного более активны, чем неповреждённый материал. Выбирая соответствующий состав вещества травления можно преимущественно растворять повреждённые зоны с очень высокой избирательностью. Диаметр трека травления начинается приблизительно с 10 нм и линейно растёт с увеличением времени травления. Для выбранного состава диаметр пор можно точно определять заданием температуры, концентрации и времени травления [2].
Создавая определенные условия травления (состав электролита, плотность тока, температуру), которые специфичны для каждого типа подложек, можно получить пористые структуры с цилиндрическими порами, ориентированными перпендикулярно поверхности. Например, в работе [3] множества Со и Ni нанопроволок диаметром 30, 60, 100 и 200 им, были изготовлены электрохимическим осаждением указанных металлов в поры мембраны толщиной 6 мкм (плотность пор 6x10 см"). Независимо от диаметра проволок, все образцы обнаруживали поверхностную шероховатость порядка нескольких нанометров, которая, хотя и является очень малой в микроскопическом масштабе, но составляет значительную часть от диаметра проволоки. Было установлено, что Со, и Ni нанопроволоки имеют поликристаллическую структуру, обычно, простирающуюся на весь объём проволоки. Границы кристаллитов обычно расположены эквидистантно (типичный диапазон от 5 до 50 нм) и перпендикулярны направлению роста, хотя в некоторых случаях границы ориентированы под углом 45. В большинстве случаев длина кристаллитов уменьшается с увеличением диаметра нанопроволоки, за исключением случаев, когда образуются двойные границы. В этом случае сегменты нанопроволок характеризуются серией периодических двойных границ с общей длиной в несколько диаметров.
В [4] методом электронно-лучевой нанолитографии (диаметр электронного пучка 4 нм) и электролитического осаждения были изготовлены множества одинаковых Ni элементов колончатой формы диаметром 35 нм, высотой 120 нм и периодом, равным 100 нм. Плотность полученных Ni элементов колончатой формы была порядка 65 Гб/дюйм", что на два порядка больше, чем плотность реально существующей в настоящее время магнитной записи. Согласно [5], никелевый сфероид с аспект-отношением 3.4 должен находиться в однодоменном состоянии, если его размер равен или меньше 52 нм. В данном случае диаметр Ni элементов был равен 35 нм, следовательно, частицы были однодоменными. Благодаря малому размеру и анизотропии формы, каждый элемент представляет собой один домен с перпендикулярной к подложке намагниченностью, которая имеет два дискретных противоположно направленных (вверх или вниз) равных по величине значения. Каждый магнитный элемент может использоваться для записи одного бита информации, при этом шум для такой системы записи информации оказывается минимальным.
Определённые достижения в изготовлении таких массивов - только первый шаг по пути реализации сверхплотной магнитной записи - квантового магнитного диска (quantum magnetic disk) (схема на рис. 2.1.1 [4]). Однако методы записи и считывания информации в таких средах ещё нуждаются в усовершенствовании.
Статические и динамические магнитные характеристики частиц с размерами от десятков до сотен нанометров можно исследовать с помощью локальных высокочувствительных методов, позволяющих изучать свойства отдельных частиц. Такие измерения могут быть реализованы, например, с помощью СКВИД-магнетометра, магнитного силового микроскопа, лорентцевского микроскопа и др. (см., например, [6 - 14]). Возможно также выполнение магнитных измерений, позволяющих получать характеристики, усреднённые по множеству идентичных частиц. В этом случае, однако, невозможно получить информацию о распределении намагниченности и полей рассеяния отдельного элемента, а также о величине тех компонент, которые при усреднении по элементу или совокупности элементов могут иметь нулевые значения. Одним из эффективных способов изучения низкоразмерных магнитных структур является сканирующая Керр микроскопия. Этот метод широко применяется для исследования локальных магнитных свойств, позволяя получать информацию о магнитных свойствах микроучастков поверхности ферромагнитного образца площадью 1 мкм2 с линейным разрешением 0.2 - 0.3 мкм.
Здесь следует также отметить, что в последние годы появилось много теоретических работ, в которых магнитные свойства элементов микронных размеров анализируются с помощью микромагнитного моделирования [15-18]. Так в работе [15] рассмотрена трёхмерная модель распределения намагниченности М. Предполагалось, что М может иметь произвольное направление и является функцией трёх переменных г = (rx, ry, rz). Свободная энергия такой системы описывается соотношением: Еобщ(М(г)) = Еоб+ Еа+ Ераш+ MCT, где об - энергия обменного взаимодействия, Еа - энергия одноосной анизотропии, Ераш - энергия размагничивающих полей, Емст магнитостатическая энергия взаимодействия намагниченного материала с внешним магнитным полем. Модель исключает температурные эффекты и динамические эффекты, которые играют роль только на высоких частотах (ГГц). Для каждого программного шага минимум энергии относительно Мбыл получен с использованием соответствующих методов минимизации. В результате, были найдены различные стабильные конфигурации. Было исследовано их поведение в зависимости от приложенного поля, что позволило построить петли гистерезиса.
В работе [16] методом математического моделирования исследовалось распределение намагниченности и плотности магнитных зарядов тонкоплёночного прямоугольного пермаллоевого элемента как функция геометрии элемента и приложенного магнитного поля. Аппроксимирующие соотношения получены в результате численного решения для некоторых частных случаев.
