Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 8
1.1. Общая характеристика мультислойных пленок 8
1.2. Межслойное обменное взаимодействие 8
1.3. Структура и магнитные свойства мультислойных пленок 20
1.4. Структура и магнитные свойства мультислойных пленок Co/Pd 26
ГЛАВА II. Общая характеристика образцов. метод их получения и экспериментальные методы исследования 31
2.1. Метод получения образцов (химическое осаждение) 31
2.2. Рентгеноструктурный анализ 32
2.3. Методы магниторезонансных исследований 34
2.3.1. Ферромагнитный резонанс 34
2.3.2. Спин - волновой резонанс 39
2.3.3. Ядерный магнитный резонанс 40
2.4. Низкотемпературная зависимость намагниченности - метод определения намагниченности насыщения и обменного взаимодействия 44
2.5. Исследуемые образцы 45
ГЛАВА III. Идентификация особенностей структуры индивидуальных слоев со мультислойных пленок co/pd магнитоструктурными методами 48
3.1. Намагниченность насыщения и обменное взаимодействие 48
3.2. Рентгеноструктурные исследования 51
3.3. Магнитоструктурные исследования методом ядерного магнитного резонанса 55
ГЛАВА IV. Ферромагнитный и спин - волновой резонансы в мультислойных пленках Co/Pd, Co/Pd/CoNi 67
4.1. Характеристика образцов, используемых для СВЧ - исследований 67
4.2. ФМР в мультислойных пленках Co/Pd, Co/CoNi, Co/Pd/CoNi 70
4.3. СВР в мультислойных пленках Co/Pd, Co/CoNi, Co/Pd/CoNi 79
Выводы к IV главе 91
ГЛАВА V. Магнитные характеристики композита (co/ni)/cu до и после ударно - волнового нагружения. отслеживание деформационных процессов, протекающих в меди 92
5.1. Введение в проблему 92
5.2. Структура планарного композита (Co/Ni)/Cu до и после УВВ 93
5.3. Магнитная структура планарного композита (Co/Ni)/Cu до и после УВВ 95
Заключение 108
Литература 110
- Межслойное обменное взаимодействие
- Низкотемпературная зависимость намагниченности - метод определения намагниченности насыщения и обменного взаимодействия
- Рентгеноструктурные исследования
- ФМР в мультислойных пленках Co/Pd, Co/CoNi, Co/Pd/CoNi
Межслойное обменное взаимодействие
Наличие обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями, разделенными металлической прослойкой (при соответствующем подборе толщин индивидуальных слоев) приводит к формированию в мультислойной пленке единой в магнитном отношении системы. Электрические и магнитные характеристики (кривая намагничивания, поле анизотропии, магниторезистивные эффекты и т.д.) этой планарной композиционной системы будут во многом определяться эффективным обменным взаимодействием [8]. В настоящее время хорошо известно, что ферромагнитные слои Fe, Со, Ni. и их сплавов, разделенные слоями различных неферромагнитных металлов, могут быть обменно связанными ферромагнитным или антиферромагнитным образом [12]. Энергия взаимодействия двух ферромагнитных слоев А и В, разделенных немагнитным промежуточным слоем, на единицу площади поверхности пленки записывается в виде: где Мл и Мв - намагниченности в слоях А и В, соответственно, J - константа обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями. Если J 0 (ферромагнитное взаимодействие) энергия система минимальна в том случае, когда вектора МА и Мв параллельны друг другу и сонаправлены. При J 0 (антиферромагнитное взаимодействие) энергия минимальна при антипаралелльном расположении векторов намагниченности. При этом параметр обмена может осциллировать по знаку и величине в зависимости от толщины немагнитной прослойки [13].
Систематические исследования осциллирующего межслойного обменного взаимодействия проводятся для многослойных ферромагнитных материалов, которые можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся эпитаксиально выращенные структуры, в которых параметры решетки чередующихся слоев различных химических элементов практически совпадают по величине. Например, широко и интенсивно изучаемая система Со(ГЦК)/Си(001) [14]. Ко второй - мультислойные пленки, в которых на межслойной границе параметры решеток ферромагнитного и промежуточного немагнитного слоев не совпадают по величине (к этому классу материалов принадлежат исследуемые в данной работе мультислойные пленки Co/Pd). Здесь экспериментальные работы по определению величины и периода межслойного обменного взаимодействия проводились для мультислойных пленок Co/Au [15], Co/Ru [16], Fe/Pd [17]. Наиболее интересными представляются систематические исследования, проведенные группой Parkin [18], на сэндвичевых структурах Со/ПМ/Со, полученных методом магнетронного напыления, с различными прослойками 5d, 4d и 3d переходных металлов. Наличие антиферромагнитного взаимодействия между ферромагнитными слоями кобальта, через промежуточный слой палладия в этих экспериментах обнаружено не было. Для мультислойных структур второй группы экспериментально обнаружено несколько закономерностей: во-первых, период изменения знака обменного взаимодействия составляет 9-И2 А и практически не зависит от типа металла (т.е. не зависит от топологии его поверхности Ферми), выбранного в качестве прослойки между ферромагнитными слоями; во-вторых, сила межслойного обменного взаимодействия возрастает при перемещении вправо вдоль ряда d-элементов периодической таблицы [8]. Низкотемпературный ход намагничивания (Закон Блоха), нейтронография и т.д., традиционно используемые для определения обменных констант в ферромагнетиках, оказываются неинформативными при исследовании мультислойных структур. Период осцилляции знака величины межслойного обменного взаимодействия, а также величину антиферромагнитного взаимодействия можно определить методом осциллографирования петель гистерезиса [19], либо магнитооптическими методами (эффект Керра) [20]. Резонансные методы исследования - ФМР и СВР - являются, пожалуй, единственными методиками, позволяющими не только регистрировать эффекты, обусловленные эффективной константой обменного взаимодействия, но и определять величину и знак параметра обмена независимо от типа обменной связи. Согласно теоретическому анализу уравнения движения Ландау - Лифшица с учетом добавки поля обменного взаимодействия во внутреннее эффективное поле и соответствующими граничными условиями [21-23] для системы двух ферромагнитных слоев А и В с различной намагниченностью (полем анизотропии), взаимодействующих через немагнитный промежуточный слой, на спектрах ФМР (внешнее поле параллельно плоскости пленки) присутствует две резонансные моды: акустическая и оптическая. Появление акустической моды обусловлено прецессией в фазе векторов намагниченности МА и Мв взаимодействующих слоев, оптической моды - прецессией МА и Мв в противофазе, соответственно. При увеличении количества магнитных слоев (многократная трансляция периода мультислойности) возрастает количество оптических мод. При уменьшении температуры связь между ферромагнитными слоями усиливается, при этом уменьшается интенсивность оптической моды так, что она может пропадать на фоне шумов спектра ФМР. Взаимное расположение акустической и оптических мод определяется типом взаимодействия слоев А и В. Для антиферромагнитно взаимодействующей системы оптическая мода локализуется в более высоких полях по сравнению с позицией акустической моды (рис. 1.а); при ферромагнитном взаимодействии - в более низких полях (рис. 1.6).
По известным значениям резонансных полей спектра ФМР акустической и оптической мод с высокой точностью определяется величина и знак обменного взаимодействия для систем как с ферро-, так и с антиферромагнитной связью. Подобные исследование методом ФМР проводились на эпитаксиально выращенных мультислойных структурах Co/Cu/Ni [24], выращенных мультислойных пленок: а) с антиферромагнитным обменным взаимодействием ферромагнитных слоев через промежуточные немагнитные слои; б) с ферромагнитной связью [21]. Co/Ru [16], 80Ni-Fe/Cu [25], Co/Cu [26], и трехслойных структур Fe/X/Fe, где X=Cu, Pd, Ag, Au [27, 28]. Для эпитаксиально выращенных мультислойных пленок, где в качестве промежуточных использовались слои Pd, наблюдались длиннопериодические осцилляции величины и знака межслойного обменного взаимодействия с переходом в антиферромагнитное взаимодействие при толщине слоя Pd -13 монослоев (30 А). При этом были зафиксированы короткопериодические осцилляции величины межслойного обменного взаимодействия на ферромагнитном фоне с периодом 4 монослоя ( 9 А), появление которых авторы [27, 28] связывают с неоднородностями на интерфейсе в мультислойных структурах Fe/Pd/Fe. При увеличении толщины слоев, входящих в состав композиционных структур, и слабом по величине межслойном обменном взаимодействии интенсивность оптической моды резко уменьшается [21], и на спектрах ФМР в геометрии - внешнее поле параллельно плоскости пленки, будет наблюдаться один пик акустической моды, если ферромагнитные слои имеют одинаковую величину намагниченности (поля анизотропии). Если ферромагнитные слои А и В магнитно различаются, то в спектре ФМР появляются две акустические моды, соответствующие двум искусственно - сформированным областям с различными значениями намагниченности. При этом на резонансные поля спектров будут влиять добавки к внутренним полям, возникающие под влиянием одного ферромагнитного слоя на другой. Соответственно, величины резонансных полей акустических мод и их интенсивности будут зависеть от величины и знака обменного взаимодействия между слоями А и В через промежуточные немагнитные слои.
Так в работе [29] описаны экспериментальные результаты по исследованию величины и знака межслойного обменного взаимодействия в мультислойных пленках NiFeCo/Cu/Co, где методом ФМР были определены период осцилляции и значения межслойного обменного взаимодействия. На спектрах ФМР (внешнее поле параллельно поверхности пленки) исследуемых композиционных структур NiFeCo/Cu/Co с двумя разными по намагниченностям ферромагнитными слоями наблюдались два резонансных пиках. По измеренным угловым зависимостям резонансных полей было показано, что эти пики - акустические моды, появление которых обусловлено слоями NiFeCo и Со. В подавляющем большинстве работ обсуждаются результаты, полученные при параллельной ориентации внешнего поля относительно плоскости пленки. Обращает на себя внимание тот факт, что, согласно уравнению (1), параметр обмена зависит только от взаимной ориентации векторов намагниченности слоев А и В (МА и Мв сонаправлены либо антипараллельны), при этом не учитывается геометрия эксперимента. Например, два случая:
Низкотемпературная зависимость намагниченности - метод определения намагниченности насыщения и обменного взаимодействия
Для экспериментальной оценки статических магнитных характеристик (параметра обменного взаимодействия и намагниченности насыщения) наибольший интерес представляют измерения термомагнитных кривых М(Т) в области низких температур 4,2+250 К. Температурная зависимость намагниченности М(Т) мультислойных нанокристаллических пленок, измеренная при внешнем поле, превышающем поле насыщения, в области низких температур определяется тепловыми спиновыми волнами и хорошо описывается законом: Соответственно, из экспериментальной зависимости М(Т) возможно определить величину намагниченности насыщения Мо и численное значение константы В, а также вычислить величину обменного взаимодействия А: где кв - Постоянная Больцмана, цв - магнетон Бора, g - фактор Ланде. Статические магнитные измерения [83] проводились на автоматизированном вибрационном магнетометре со сверхпроводящим соленоидом в интервале полей до 20 кЭ и температур от 4.2 до 90 К. Сущность метода вибрационного магнитометра заключается в следующем. Образец с помощью электродинамической системы приводится в гармоническое колебательное движение относительно силовых линий однородного магнитного поля. При этом в пространстве, окружающем образец, возбуждается переменное магнитное поле с частотой равной частоте колебаний образца. Это поле индуцирует электродвижущую силу в приемных катушках, расположенных вблизи образца. Величина наведенной ЭДС при этом пропорциональна магнитному моменту образца. Для вспомогательных исследований также привлекались и другие методики исследования, в частности, метод осциллографирования петель гистерезиса.
Сплавы переходных металлов типа металл - металлоид: Со-Р, Co-Pd-P, Co-Ni-P, Ni-P, получаемые в виде тонких пленок с концентрацией фосфора от 1 до 13ат.% [34, 77, 84], к настоящему времени достаточно хорошо изучены в Институте физики СО РАН и поэтому являются удобными объектами для создания на их основе мультислойных материалов и исследования их магнитных характеристик. Для проведения исследований, необходимых для решения поставленных в данной работе задач, были получены мультислойные пленки Со-P/Pd, Co-P/CoNi-P, Co-P/Pd/CoNi-P, Co-P/Ni-P, а также однослойные пленки Со-Р, CoNi-P. Пленки изготавливались методом химического осаждения (в ряде случаев для упрощения записи знак Р, в тексте представленной работы был опущен, так как все образцы содержат примерно одинаковую концентрацию металлоида). Получение мультислойных пленок осуществлялось поочередным опусканием обработанных подложек в разные по химическому составу растворы. Скорость осаждения каждого металла из соответствующих растворов солей определялась заранее весовым методом с точностью -10%. Соответственно, по скорости осаждения индивидуальных слоев определялся период модуляции мультислойной структуры. В работе [38] достоверность результатов весового метода была проверена на нескольких образцах путем прямого измерения периода мультислойности методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (излучение Си Ка) по осцилляциям Кизиха; оказалось, что результаты прямого и косвенного определения периода модуляции расходятся не более чем на 10%. В данной работе результаты, полученные ранее в [38] получили свое подтверждение в наших независимых исследованиях. Для определения атомной структуры индивидуальных ферромагнитных слоев и проведения ЯМР исследований были получены две серии образцов. В первой серии варьируемым параметром являлась толщина ферромагнитного слоя, толщина же немагнитного слоя Pd удерживалась постоянной. Общая толщина таких пленок [Co(x)/Pd(10A)] равнялась - 1500 А, толщин слоев
Со выбирались равными dc0 = 50, 100, 500 А. Во второй серии образцов [Co(100A)/Pd(y)] изменялась толщина слоя Pd от 10 до 100 А с шагом в 10 А, а толщина ферромагнитного слоя была фиксирована. Общая толщина пленок по-прежнему держалась постоянной - 1500 А. Известно, что индивидуальные тонкие слои в пленках, получаемые по так называемым «мокрым» технологиям, обладают структурой «островкового» типа вплоть до некоторой критической толщины слоя. Как показали исследования проведенные ранее, слои Со формируются как сплошные при толщине слоя больше 20 А, слои Pd - при толщине больше 9 А. При толщине индивидуальных ферромагнитных слоев 100 А и выше практически все магнитные характеристики мультислойных пленок (намагниченность насыщения, константа обмена и т.д.) приближаются к значениям, измеренным на однослойных реперных образцах толщиной 1500 А и больше. Это, по-видимому, связано с тем, что при больших толщинах индивидуальных слоев в мультислойных пленках уменьшается влияние интерфейса на их магнитные свойства. Статистические магнитные измерения проводились на мультислойных пленках [Co(x)/Pd(14A)] 15, где толщина ферромагнитных слоев кобальта dc0 изменялась от 6 до 100 А с шагом в 10 А [83]. Методом химического осаждения, который используется в данной работе для получения образцов, были также получены пленки, пригодные для ФМР и СВР измерений. Это в первую очередь было необходимо для наблюдения и исследования эффекта межслойного обменного взаимодействия ферромагнитных слоев через немагнитный промежуточный материал, в данном случае Pd. ФМР и СВР измерения были проведены на
Рентгеноструктурные исследования
Для выявления корреляции структура - свойство для серии образцов [Co(x)/Pd(10A)] были проведены прямые исследования структуры методом рентгеноструктурного анализа. На рис. 15 представлена рентгенограмма реперного образца - однослойной пленки Со(6ат.%Р). Из рентгенограммы видно, что наибольшим по интенсивности является рефлекс отражения соответствующий углу 29=44,26 . Рефлекс отражения наблюдаемый при угле 26=51,56 намного слабее по интенсивности. Расшифровка регистрируемых отражений приведена на самом рисунке. По формуле Шерера (7), используя ширину измеренную на половине высоты рефлекса отражения от плоскостей Согцк(ПІ), была определена область когерентного рассеяния, которая здесь оказалась равной г=80А. Расположение и распределение интенсивности наблюдаемых рефлексов свидетельствуют об изотропной нанокристаллической ГЦК структуре этого твердого раствора с табличными значениями параметра решетки Со. На рентгенограммах мультислойных пленок Co(6aT.%P)/Pd в малоугловой области (рис. 16) наблюдались рефлексы отражения третьего и четвертого порядков, появление которых обусловлено периодичностью этих структур (осцилляции Кизиха) [38]. Угол отражения рентгеновских лучей 9 и период мультислойной пленки связаны соотношением: где А. - длина волны характеристического излучения, в котором снята рентгенограмма; к порядок отражения. С использованием формулы (27), были рассчитаны величины периодов мультислойности образцов (dco+dpd). Оказалось, что величины периодов, определенные по скорости осаждения продуктов реакции (по технологическому регламенту) и величины, вычисленные из рентгенограммы малоуглового рассеяния, с хорошей точностью совпадают. Наблюдаемое различие лежит в пределах величины погрешности 10%. Например, для образца [Co(20A)/Pd(10A)] 50 период мультислойности пленки, вычисленный из рентгенограммы составил 33 А.
Результаты, полученные из анализа кривых малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, свидетельствуют о хорошей периодичности структур, приготовленных используемым методом химического осаждения. В области больших углов на рентгенограммах наибольшим по интенсивности является рефлекс, обусловленный отражением от плоскости (111) ГЦК Pd, для которого угол отражения 20=47,6. Для ГЦК Со наиболее заметным является рефлекс отражения от плоскости (200), причем он сдвинут в область больших углов по сравнению с табличными значениями, что говорит об уменьшении параметра решетки кобальта в указанном направлении (рис. 16). Рефлекс отражения от плоскостей Согцк(ПІ) тонет в шумах. При увеличении толщины слоев кобальта относительная интенсивность указанных рефлексов падает, а ширина линии рентгеновского отражения, соответственно, возрастает. Надо отметить, что на рентгенограммах реперного образца и мультислойных пленок рефлексы, соответствующие отражению от плоскостей ГПУ структуры кобальта, отсутствуют. Также не обнаружены рефлексы, появление которых могло бы быть обусловлено наличием в мультислойных пленках областей сплавов СоР и CoPd. Результаты рентгенографических исследований указывают, что рентгенограмма мультислойной пленки Co(6aT.%P)/Pd содержит отражения от ГЦК структуры слоев Pd с параметром решетки, совпадающим с табличным значением. Отсутствие здесь отражения (111) ГЦК твердого раствора Со(6ат.%Р), в отличие от дифрактограммы реперного образца -однослойной пленки Со(6ат.%Р), указывает на возникновение текстуры в данном композиционном материале. Координата единственного рефлекса малой интенсивности (200) ГЦК Со(6ат.%Р) сдвинута в область больших углов, что позволяет сделать вывод о существовании упругих напряжений в ферромагнитных слоях Со мультислойной системы. Возникновение этих упругих напряжений очевидно обусловлено несовпадением параметров решеток кобальта и палладия, которое составляет 9%. Известно, что энергия активации образования дефектов в чистых материалах Pd и Со довольно высока. Однако присутствие в ферромагнитных слоях Со примеси фосфора, приводит к значительному уменьшению энергии образования дефектов в этих слоях. Таким образом, упругая система композита данного типа будет структурно разряжаться в основном за счет ферромагнитных слоев, решетка которых соответственно будет искажаться при осаждении слоя Со на слой Pd. Однако из проведенных структурных исследований не ясен тип дефекта, преобладающего в структуре ферромагнитного слоя, а также не выявляются особенности на межслойных границах мультислойных пленок. Так как результаты рентгеноструктурного анализа не позволяют однозначно описать структуру индивидуальных ферромагнитных слоев Со в мультислойных пленках, здесь были проведены исследования спектров ЯМР, поскольку данный метод позволяет регистрировать как химический порядок первой координационной сферы, так и тип ее симметрии.
Проведенные ранее исследования в ИФ СО РАН показали [77], что спектры ЯМР, полученные на однослойных пленках Corny характеризуются максимумом на частоте f=223 МГц, а спектры однослойных пленок Сорцк - максимумом на частоте f=214 МГц. Известно, что наличие примесей немагнитных атомов в сплаве приводит к сдвижке максимума распределения поля сверхтонкого взаимодействия в область меньших частот. Внесение примеси фосфора до 6 ат.% в образцы Со-Р сплава приводит к сдвижке максимума распределения СТП в область более низких частот до f=205 МГц (рис. 17, 18). На рис. 19 представлен вид спектра ЯМР, снятый для мультислойной пленки с периодом модуляции [Co(500A)+Pd(10A)]. Видно, что спектр ЯМР является составным. Кривая распределения СТП в данном случае описывается суперпозицией двух узких спектров с шириной линии на половине высоты 20 МГц. Из спектров ЯМР мультислойных пленок Co(6aT.%P)/Pd обеих изучаемых серий [Co(x)/Pd(10A)] и [Co(100A)/Pd(y)], с более тонкими слоями Со, снятых при комнатной температуре и температуре жидкого азота (рис. 20, 21), видно, что распределение сверхтонкого поля (СТП) здесь значительно уширено (-60 МГц) по сравнению с распределением СТП однослойной пленки Со(6ат.%Р) (-20 МГц). Максимумы экспериментальных кривых наблюдаются на частоте f=196 МГц. В соответствии с [77] сдвигу максимума СТП и уширение спектра ЯМР нельзя объяснить влиянием только фосфора на химический порядок первой координационной сферы. Надо отметить, что сигнал ЯМР, обусловленный особенностями интерфейса (Со, имеющий в ближайшем окружении до 6-ти немагнитных атомов), наблюдается при частотах 140 МГц [5], что ниже экспериментально используемого диапазона частот в данной работе. Так как по условиям технологического регламента и результатам рентгеноструктурных исследований реперного образца было установлено, что слои Со имеют ГЦК структуру, численными методами Mathcad была осуществлена попытка представить наблюдаемый спектр ЯМР как совокупность пиков, каждый из которых соответствует СТП атомов Сощк, в ближайшем окружении которых 12, 11, 10 и т.д. магнитных атомов. Однако в рамках этого предположения не удалось полностью описать экспериментально наблюдаемые распределения СТП исследуемых мультислойных пленок. Экспериментальные спектры ЯМР, как оказалось, раскладываются на две составляющие (и рассчитываются площади, ограниченные этими кривыми) при следующем условии. Одна из них соответствует распределению СТП для атомов Со с ГЦК ближайшим окружением, а вторая - СТП от атомов Со с ГПУ окружением (наличие нескольких максимумов у этих составляющих также обусловлено различным количеством немагнитных атомов в первой координационной сфере магнитоактивного атома). Из кривых на рис. 20, 21 видно, что большинство атомов кобальта имеют ближайшее окружение ГЦК типа, в котором содержится 11 магнитных атомов и 1 немагнитный атом (частота СТП -196 МГц).
Площадь под кривой, возникновение которой обусловлено атомами Со с ГЦК ближайшим окружением (Sr-цк), практически в полтора раза превышает площадь, характеризующую вторую составляющую (Srny) спектра ЯМР, измеренного при комнатной температуре Т=290К. При понижении температуры измерения до 77К, функция распределения поля СТП существенно изменяется: здесь интенсивность спектра ЯМР, а также отношение площадей под кривыми (Srui /Srny) существенно увеличивается. В таблице 1 представлены результаты расчета соотношения SruK/Srny Для мультислойных пленок с периодом модуляции [(x)Co+(10A)Pd] для различных толщин слоев ферромагнитного материала. Видно, что при уменьшении толщины слоя Со отношение Srui /Srny уменьшается. При понижении температуры до температуры жидкого азота для одной и той же толщины слоя Со в мультислойных пленках Co/Pd отношение SruK/Srny возрастает.
ФМР в мультислойных пленках Co/Pd, Co/CoNi, Co/Pd/CoNi
На спектрах ФМР при параллельной ориентации образцов во внешнем магнитном поле для мультислойных пленок Co/Pd наблюдается один пик ФМР (рис. 26). На рис. 27 представлена зависимость ширины линии этого пика от изменения толщины слоя Со, либо Pd. Видно, что полученный результат согласуется с выводами 3, 4 предыдущей главы, основанными на ЯМР исследований этих образцов: при увеличении толщины ферромагнитного слоя Со (при фиксированной толщине слоя Pd), либо при увеличении толщины слоя Pd (при dco const) дефектность ферромагнитных слоев уменьшается, что проявляется в соответствующих зависимостях AHj(dco) и AH](dpd). На рис. 28 представлена зависимость резонансных полей параллельного ФМР от толщины ферромагнитных слоев для серии мультислойных пленок Co/CoNi. Из рис. 28 видно, что при малых толщинах индивидуальных ферромагнитных слоев (вплоть до 30 А) на спектре ФМР наблюдается только один пик ФМР, а при больших толщинах ферромагнитных слоев - два пика ФМР (типичные резонансные спектры при внешнем поле параллельном плоскости образцов для мультислойных пленок Co/CoNi представлены на рис. 26). Сопоставление с резонансными спектрами однослойных пленок Со и CoNi показало: пик в больших полях обусловлен слоями CoNi; пик в меньших полях - слоями Со. Реперные значения резонансных полей для однослойной пленки Со - 660 Э, а для однослойной пленки CoNi-1100 Э.
Все измеренные значения резонансных полей исследуемых образцов лежат в диапазоне между величинами, характеризующими реперные образцы - однослойные пленки Со и CoNi. Обращает на себя внимание тот факт, что зависимость резонансных полей от толщины слоя при толщинах ферромагнитного слоя выше 30 А монотонна, на ней не наблюдаются какие-либо осцилляции или скачки. Разница между величинами резонансных полей высокополевого и низкополевого пиков меняется незначительно. Для всех образцов серии Co/Pd/CoNi также наблюдалось два пика ФМР, аналогичного происхождения (рис. 26). Однако как величины резонансных полей, так и разница между этими величинами резонансных полей (характеризующими высокополевой и низкополевой пики) здесь изменяются в широких пределах (рис. 29). Величины резонансных полей высокополевого пика для этих пленок осциллируют относительно реперного значения, определенного для однослойной пленки CoNi, в зависимости от толщины немагнитной прослойки Pd. Величины резонансных полей низкополевого пика также осциллируют (относительно реперного значения резонансного поля однослойной пленки Со), т.е. зависят от толщины слоя палладия. Осциллирующее поведение величин резонансных полей для мультислойных пленок серии Co/Pd/CoNi, при сопоставлении с результатами на пленках Co/CoNi может быть полностью отнесено за счет наличия в структуре этих мультислойных пленок слоев палладия различной толщины. Разумно предположить, что смещение резонансных пиков слоев CoNi и Со в мультислойных пленках Co/Pd/CoNi от значений Нг для реперных образцов - однослойных пленок Со и CoNi, обусловлено обменной модификацией величины внутреннего поля индивидуальных слоев. Выражение для этой обменной модификации внутреннего поля может быть получено с использованием теоретической модели связанной двухслойной пленочной системы, состоящей из двух ферромагнитных слоев, взаимодействующих друг с другом через промежуточный немагнитный слой [см. I главу, а также 22, 29, 89].
Полная энергия на единицу площади для системы двух ферромагнитных слоев А и В с различной намагниченностью МА и Мд толщиной d каждый взаимодействующих через немагнитный промежуточный слой записывается следующим образом: ЕАВ =[-Н МА +2xM]Cos2eA]d + [-Н Мв +2xMlCos2eB]d-JMА -Мв, (28) где Н - внешнее магнитное поле параллельное плоскости пленки, углы 9А в определяют ориентацию векторов намагниченности в декартовой системе координат, J - параметр межслойного обменного взаимодействия. Дисперсионное соотношение для данной системы определяемое решением уравнения Ландау - Лифшица в приближении Н«4лМ приобретает вид: где JE - величина силы взаимодействия отнесенная к толщине ферромагнитного слоя. При сильном взаимодействии корни выражения (29) соответствуют акустическим и оптическим колебаниям векторов намагниченности ферромагнитных слоев А и В. При JE — 0 данное уравнение имеет два корня: Полученные выражения (30) описывают две резонансные моды для областей с различной намагниченностью (МА и Мв) с учетом поправки к внутренним полям, обусловленной влиянием одного ферромагнитного слоя на другой. С использованием вышеописанной теоретической модели для образцов серии Co/Pd/CoNi была рассчитана величина межслойного обменного взаимодействия через немагнитную прослойку палладия J(dpd), зависимость которой от толщины немагнитного слоя представлена на рис. 30 (подробное описание расчета смотри в [29, 89]). Для данной серии пленок Co/Pd/CoNi обнаружено, что J меняет свой знак и величину в зависимости от толщины слоя Pd. Соответственно, в данных мультислойных пленках реализуется как ферромагнитное, так и антиферромагнитное взаимодействие ферромагнитных слоев Со и CoNi через немагнитную прослойку с обрезанием амплитуды осцилляции степенной функцией. Рассчитанные значения J изменяются в пределах от -0,005 10"6 Эрг/см (-0.04 Эрг/см2) до +0,08 10"6 Эрг/см (+0,06 Эрг/см2) в зависимости от толщины слоя Pd. Период осцилляции J(dpd) составляет 7 А.
На вставке к рис. 30 представлены эспериментальные кривые намагничивания системы Co/Pd и оценки величины J [89]. Как видно, полученные величины (из ФМР и М(Н)) хорошо согласуются. В заключение параграфа приведем рассчитанные величины эффективной намагниченности для мультислойных пленок Co/CoNi, Co/Pd/CoNi. Используя значения резонансных полей спектров, снятых в двух геометриях эксперимента: внешнее поле параллельно (Нц) и ортогонально (Н±) плоскости пленок (в перпендикулярной геометрии эксперимента для расчета используется резонансное поле пика наибольшего по интенсивности - главной моды резонансного спектра), значения эффективной намагниченности пленочных образцов находятся по формуле: Рис. 30. Зависимость величины межслойного обменного взаимодействия ферромагнитных слоев через немагнитную прослойку палладия J(dpd) от толщины немагнитного слоя для образцов серии Co/Pd/CoNi (геометрия эксперимента: , внешнее поле параллельно поверхности пленки). На вставке к рис. 30 представлены эспериментальные кривые намагничивания системы Co/Pd [89] и оценки величины j : кривые 1, 2 - dPd=7A; кривые 3,4 - dPd=9A. Hs и Hs - поля насыщения магнитожесткой кривой намагничивания (равной величине поля спин-флип перехода) и магнитомягкой кривой намагничивания, соответственно, М - намагниченность насыщения. Определяемая по формуле (31) величина эффективной намагниченности является составной, так как зависит не только от намагниченности насыщения образца Мо, но и от вклада упругих напряжений, возникающих в пленках при их получении и представляет собой сумму следующих слагаемых: где А. - константа магнитострикции исследуемого материала, а - величина внутренних напряжений. На рис. 31.а представлена зависимость величины эффективной намагниченности, вычисленной по формуле (31), от толщины ферромагнитного слоя в мультислойных пленках Co/CoNi; а на рис. 31.6 - зависимость аналогичной величины от толщины парамагнитного палладия в композиционном материале Co/Pd/CoNi. Для реперных образцов - однослойных пленок Со и CoNi толщиной 2000 А, также были определены по формуле (31) величины эффективной намагниченности, которые оказались равными 1050 Гс для пленки Со и 650 Гс для пленки CoNi.
Эти величины для однослойных пленок Со и CoNi отмечены на рис. 31 сплошной и пунктирной линией, соответственно, как реперные. Анализ представленных зависимостей показал, что для серии мультислойных пленок Co/CoNi, величина эффективной намагниченности при уменьшении толщины ферромагнитного слоя от 100 до 30 А остается практически постоянной. При дальнейшем уменьшении толщины ферромагнитного слоя, величина эффективной намагниченности характеризует всю композиционную пленку как целое и уменьшается на 150 Гс. Это понижение величины эффективной намагниченности при толщине ферромагнитного слоя меньше 30 А может быть связано как с изменением распределения внутренних напряжений при уменьшении толщины индивидуальных слоев, так и с переходом в гранулированное состояние индивидуальных ферромагнитных слоев мультислойных пленок [51]. Вопрос этот требует дальнейших изучений, однако следует отметить, что все значения величин эффективной намагниченности исследуемых образцов серии Co/CoNi лежат между реперными величинами, определенными для однослойных пленок Со и CoNi. Для образцов серии Co/Pd/CoNi найденные по формуле (31) величины эффективной намагниченности также лежат между реперными величинами эффективной намагниченности однослойных пленок Со и CoNi. Из рис. 31.6 видно, что величина эффективной намагниченности монотонно возрастает при увеличении толщины немагнитного слоя палладия от 0 до 18 А. Затем при дальнейшем увеличении толщины Pd, величина эффективной намагниченности также монотонно уменьшается до значений, практически совпадающих с реперной величиной, найденной для однослойного образца CoNi.
