Автореферат (Магнитные свойства и локальные состояния ионов Fe в магнитных сверхрешетках на основе Fe-Co-Mo)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА»

Физический факультет

Отделение физики твердого тела

Кафедра общей физики и физики конденсированного состояния

На правах рукописи

СЕНИНА ВЕРА АЛЕКСЕЕВНА

Магнитные свойства и локальные состояния ионов Fe в магнитных сверхрешетках на основе Fe/Co/Mo

Специальность 01.04.11 – «Физика магнитных явлений »

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2015

Работа выполнена на кафедре общей физики и физики конденсированного состояния физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

Научный руководитель:

Сержан Данилович Антипов,

кандидат физико-математических наук, доцент. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»; доцент кафедры общей физики и физики конденсированного состояния

Официальные оппоненты:

Анатолий Константинович Звездин

доктор физико-математических наук, профессор. Федеральное государственное

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт

общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, главный научный сотрудник теоретического отдела.

Юрий Григорьевич Пастушенков

доктор физико-математических наук, профессор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный университет», Заведующий кафедрой магнетизма

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова Российской академии наук

Защита состоится “ ”июня 2015г. в ч. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991 Москва ГСП–1, Ленинские горы, д. 1, стр. 35, МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКП физического факультета, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А.М. Горького МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27, Фундаментальная библиотека).

Автореферат разослан “ ” .

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.70

кандидат физико-математических наук,

доцент Ефимова Александра Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время магнитные явления в различного типа наноструктурных объектах представляющих собой либо кластерные образования переходных элементов (3d, 4d, 4f, 5d), либо комплексные (координационные) соединения, состоящие из центрального парамагнитного иона переходного элемента и лигандов (полимеры, карбоксилаты, азиды, карбониды, цианиды и т.д.), являются предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований. В последних объектах могут проявляться свойства молекулярных магнитов.

Исследования таких наноструктурных объектов актуальны в связи с возможностью получения новой информации о механизмах наблюдаемых в них магнитных явлений, а также с открывающейся перспективой практического применения, обусловленной их более широкими функциональными возможностями по сравнению с массивными магнитными материалами. Магнитное упорядочения спинов атомов, в массивных неорганических твердотельных материалах главным образом обусловлено различного типа обменными взаимодействиями (изотропный прямой обмен Гейзенберга, косвенный обмен через электроны проводимости типа РККИ, различие в обменной поляризации зонных электронов со спином “вверх” и спином “вниз”) электронных спинов атомных орбиталей. Этот тип магнетизма обычно называют “атомным магнетизмом”. В случае локализованных магнитных моментов атомов их локальный магнитный момент формируется в основном из спинового и орбитального магнитного моментов: , где - спиновый и - орбитальный магнитные моменты. Обычно для 3d ионов в металлах и сплавах орбитальный момент составляет сотые доли процента, так как в них основное состояние соответствует орбитальному синглету .

В молекулярных магнитах обменные взаимодействия между парамагнитными ионами, приводящие к магнитному упорядочению (ферромагнитному, антиферромагнитному или скошенного (canted) типа) формируются за счет неспаренных делокализованных электронов молекулярных орбиталей лигандов (молекул, молекулярных анионов). В связи с чем этот тип магнетизма называют “молекулярным магнетизмом”. При этом в Гамильтониан, описывающий взаимодействия в этих квантовых системах, входят орбитальные и спиновые моменты соответствующих кластерных комплексов. Обычно для металлических кластерных образований и кластеров металлических комплексов и имеет большие значения. В этом случае, как известно, возникают анизотропное обменное взаимодействие и асимметричный обмен Дзялошинского-Мориа, которые приводят к появлению неколлинеарной магнитной структуры в этих кластерных образованиях, а также к большой величине магнитной анизотропии за счет наличия больших величин спин-орбитального взаимодействия. Вследствие этого функциональные свойства таких кластерных образований (металлических кластеров, металлических комплексов и молекулярных магнитов) разнообразны и они находят все более широкое применение в спиновой электронике.

Одной из главных целей спиновой электроники является увеличение плотности записи информации на носителе. В случае магнитной записи предел плотности может быть достигнут, когда один бит информации запоминается одной ферромагнитной наночастицей.. Для этого необходимо уменьшить величину магнитно-дипольного взаимодействия между соседними наночастицами, которое можно реализовать при переходе от продольного типа записи к перпендикулярному (легкая ось намагничивания перпендикулярна к плоскости пленки из наночастиц). В этом случае возникает возможность в десятки раз увеличить плотность записи информации. Для устойчивости хранения записанной информации требуются наночастицы с большой величиной магнитной анизотропии и высокой точкой Кюри. Как правило, магнитные наночастицы субмикронного размера формируются различными методами в виде образований с пониженной размерностью: 2-мерного типа (мультислои и сверхрешетки), 1-мерного типа (линии и нанопроволоки), 0-мерные (нано-островки и нано- точки (или квантовые точки)). Магнитные свойства таких наночастиц существенным образом зависят от их размерности, структурных форм, физических размеров, взаимодействий атомов в этих структурных формах, взаимодействий между структурными формами, методов их формирования и взаимодействия с подложкой и кардинально отличаются от свойств массивных образований из тех же атомов.

В зависимости от температуры и физических размеров магнитных наночастиц они могут находиться в суперпарамагнитном (СПМ), ферромагнитном однодоменном (ФОД) и ферромагнитном многодоменном (ФМД) состояниях. Для сферической формы магнитных наночастиц при диаметрах (D) в пределах от нескольких нм до десятков нм они находятся в СПМ состоянии. Для наночастиц Fe: D (СПМ) = 16 нм, а для Со: D (СПМ) = 8 нм[¹]. В области диаметров(20 nm < D > 100 nm) для ферромагнитных магнитомягких материалов наблюдается ФОД и их коэрцитивная сила увеличивается с ростом Д.

Таким образом, для оптимального и устойчивого функционирования элементов спинтроники при комнатной температуре и выше требуется большая величина намагниченности магнитных наночастиц, т.е. большая величина магнитных моментов атомов наночастиц и большая величина магнитной анизотропии. Известно, что большие величины магнитных моментов как спиновых так и орбитальных, наблюдаются в наночастицах, состоящих из микроансамблей кластеров с малым количеством атомов 3d – элементов: Fe, Co, Ni. А величина энергии магнитной анизотропии в основном определяется энергией спин–орбитального взаимодействия (которая определяется константой спин-орбитального взаимодействия и величинами орбитального – L и спинового S моментов атомов кластеров) оказывается большей для атомов 4d и 5d элементов и их кластеров.

Существование больших магнитных моментов для кластеров 4d и 5d элементов известны [²,³], однако, мало исследований о возможности в наноразмерных частицах с кластерами 4d и 5d элементов дальнего магнитного порядка и ферромагнетизма. Так в работе [⁴] в качестве материала с большими величинами спонтанной намагниченности и магнитной анизотропии предлагается использовать нанокомпозит, состоящий из слоев Fe или FeCo, осажденных на подложку с большим спин-орбитальным взаимодействием WxRe1-x(x=0.6-0.8).

Систематическое изучение магнитного поведения ферромагнитных наночастиц различной размерности, которые состоят из кластеров чистых атомов 3d элементов, биметаллических (типа 3d/3d; 4d/3d) или трехкомпонентных кластеров (3d/3d/4d), осажденных на различные подложки , представляется весьма важным, как для понимания природы фундаментальных магнитных свойств этих материалов, так и формирования оптимальных магнитных характеристик этих материалов с целью их применения в элементах спиновой электроники.

Исследования магнитных свойств трехкомпонентных магнитных сверхрешеток (МСР) (3d/3d/4d) на основе Fe/Co/Mo представляет особый интерес с точки зрения выяснения физической природы их фундаментальных свойств, а также в связи с возможным использованием их в качестве эффективных элементов в устройствах спиновой электроники. Это обусловлено перспективами преодоления «суперпарамагнитного предела» за счет формирования высоких атомных магнитных моментов в системе Fe Co, использованием слоев Co для повышения спиновой поляризации электронов проводимости, участвующих в косвенном обмене через слои Mo, а также возможностью формирования больших величин магнитной анизотропии в наноструктурных кластерных образованиях.

Цели исследования.

Целями настоящей работы являются:

1. Проведение комплексных исследований магнитных свойств и локальных состояний ионов Fe в магнитных сверхрешетках на основе Fe/Co/Mo полученных методом катодного распыления в разряде с осциллирующими электронами в широком интервале температур и магнитных полей.

2. Установление основных закономерностей их магнитного поведения и взаимодействий между атомами компонент МСР в слоях, между слоями и в интерфейсах, формирующих оптимальные магнитные характеристики исследуемых МСР Fe/Co/Mo.

3. Выяснение зарядовых и спиновых состояний ионов Fe в МСР Fe/Co/Mo.

Задачи исследования:

Для выполнения настоящей работы были поставлены следующие задачи: