Диссертация (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

Диссертация на соискание ученой степени

Кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

к.ф.м.н. доцент С.Д. Антипов

Москва 2015

Содержание

Введение………………………………………………………...…………….5

Глава 1. Литературный обзор

§1.1 Магнитные свойства бинарных сверхрешеток Mo/Fe и Fe/Mo …..12

§1.2 Магнитные свойства бинарных сверхрешеток Fe/Co и Co/Fe …....16

§1.3 Магнитные свойства бинарных сверхрешеток Mo/Co и Co/Mo….20

§1.4 Суперпарамагнитные свойства наночастиц Co, Fe и МСР Fe/Co.. 22

Глава 2. Синтез образцов и методики экспериментальных исследований

§2.1 Особенности роста и осаждения сверхрешеток …………………..26

§2.2 Физические процессы, происходящие в разряде Пеннинга……….32

§2.3 Кристаллическая структура слюды (мусковит) ….……….……….45

§2.4 Описание установки для получения МСР методом катодного распыления с осциллирующими электронами ………….……….….….47

§2.5 Вибрационный магнетометр ……………………..…….……..…....54

§2.6 Мессбауэровская спектроскопия МСР Fe/Co/Mo и методика обработки спектров………………………..…..…………………………56

§2.7 Метод магнитно-силовой микроскопии………..…………….…67

Глава 3. Экспериментальные результаты и их обсуждение

§3.1. Исследование поверхности образцов ……………...…..………70

§3.2 Рентгенографические исследования структуры осаждаемых слоев в МСР Fe/Co/Mo …….…….……………………………………..75

§3.3 Изучение основных магнитных свойств сверхрешёток .………78

3.3.1 Магнитные моменты атомов в кластерах …….79

3.3.2 Исследование основных магнитных свойств МСР [Fe(10Å)Co(7.8Å)Mo(xÅ)]*100 (x=4. 7, 6.2, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 23, 26) …………………………………………………...……….....89

3.3.3 Исследование основных магнитных свойств МСР Fe(10Å)Co(x)Mo(12Å)]*100 (x=4, 6, 8, 10, 14, 16, 21, 24, 27, 30, 33) и Fe(x)Co(21Å)Mo(12Å)]*100 (x=4, 8, 10, 14, 18, 21, 24)…………………………………………...……………..………100

3.3.4 Исследование основных магнитных свойств МСР [Fe(x Å) Mo(12Å) Co(21Å)]*100 (x=12,14, 18,21)………………………..117

3.3.5 Исследование основных магнитных свойств МСР [Mo(12Å) Co(21Å)Fex]*100 (x=4,6,8,10,12,14,16,18,24)……………….….121

§3.4. Магнитные состояния ионов Fe в магнитных сверхрешетках на основе Fe/Co/Mo ………………….………………….……………….127

3.4.1 Исследование спектров Мессбауэра и ЭПР для МСР …..127

3.4.2 Температурные зависимости намагниченности МСР Fe/Co/Mo….……………………………………………………….138

Глава 4. Основные результаты и выводы…..………………….…………..148

Литература……………………………………………………..…..……152

Введение

Актуальность темы

В настоящее время интенсивно исследуются теоретическими и экспериментальными методами магнитные явления в различного типа наноструктурных кластерных образованиях: а) состоящих из металлических и неметаллических кластеров переходных элементов (3d, 4d, 4f, 5d), [¹,²,³] б) а также из кластеров комплексных (координационных) соединений, которые состоят из центрального парамгнитного металлического иона переходного элемента и лигандов. (полимеры карбоксилаты, азиды, карбонилы, цианиды и т.д) [⁴,⁵,⁶]– это так называемые молекулярные магниты.

Эти новые наноструктурные образования представляют большой интерес как с точки зрения более глубокого понимания физики магнитных явлений в них, так и в связи с их возможным практическим применением, в силу их больших функциональных возможностей по сравнению с массивными магнитными материалами.

Магнитное упорядочение 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 из спинового ( ) и орбитального ( ) магнитного момента :

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). И поэтому этот тип магнетизма называют “молекулярным магнетизмом”.

В молекулярных магнитах 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) более 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 тогда, когда один бит информации запоминается одной ферромагнитной наночастицей. Для того чтобы уменьшить магнитное дипольное взаимодействие между соседними ферромагнитными наночастицами необходимо перейти от продольного типа записи к перпендикулярному (легкая ось намагничивания перпендикулярна к плоскости пленки из наночастиц). В этом случае в десятки раз увеличивается плотность записи информации. Требуется также исключить потерю информации за счет влияния теплового нагрева. Для этого необходимо иметь магнитные 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 физических размеров магнитных наночастиц, температуры они могут находиться в суперпарамагнитном (СПМ), ферромагнитном однодоменном (ФОД) и ферромагнитном многодоменном (ФМД) состояниях. Для сферической формы магнитных наночастиц при диаметрах (Д) в несколько нанометров – десятков нанометров они находятся в СПМ состоянии. Так для наночастиц Fe: Д (СПМ) = 160 A, а для Со: Д(СПМ) = 80 A [⁷].

В области диаметров(20 nm < D > 100 nm) для ферромагнитных магнитомягких материалов наблюдается ФОД и их коэрцитивная сила увеличивается с ростом Д.

Для оптимального и устойчивого функционирования элементов спинтроники требуется:

а) большая величина намагниченности магнитных наночастиц, т.е. большая величина магнитных моментов атомов наночастиц;

б) большая величина магнитной анизотропии, которая является релятивистским эффектом, связанным с наличием спин-орбитального взаимодействия магнитоактивных атомов наночастиц;

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 энергия спин – орбитального взаимодействия (которая определяется константой спин-орбитального взаимодействия и величинами орбитального – L и спинового S моментов атомов кластеров) оказывается большой для тяжелых атомов 4d и 5d элементов.

Существование больших магнитных моментов кластеров 4d и 5d элементов известно [⁸,⁹], однако, очень мало исследований о возможности в наноразмерных частицах с кластерами 4d и 5d элементов дальнего магнитного порядка и ферромагнетизма. Так в работе [¹⁰] в качестве материала с большими величинами спонтанной намагниченности и магнитной анизотропии предлагается использовать нанокомпозит, состоящий из слоев Fe или FeCo, осажденных на подложку с большой величиной спин-орбитального взаимодействия из 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 для формирования оптимальных магнитных характеристик этих материалов с целью их применения в элементах спиновой электроники.

Исследования магнитных свойств трехкомпонентных магнитных сверхрешеток (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, а также использованием слоев Co в качестве высокоанизотропного магнитного барьера для повышения спиновой поляризации электронов проводимости, участвующих в косвенном обмене через слои Mo. Влияние магнитного барьера может быть весьма значительным, поскольку теоретические расчеты [¹¹], проведенные для пленочной структуры Fe/EuS/Au/Fe показали, что при определенном соотношении толщин слоев степень спиновой поляризации может достигать 98%, а величина магнитосопротивления при температурах, близких к 0 К, может превысить 250%.

Цели работы

Целями настоящей работы являются: