Диссертация (Магниторефрактивный эффект и магнитооптические эффекты как бесконтактный метод исследования наноструктура), страница 13

Первый слой Cr в многослойной структуревыступает в роли буферного слоя, частично сглаживающегошероховатость подложки. Второй и третий слои Cr обеспечиваютобменное взаимодействие антиферромагнитного типа между слоямиFe, а верхний слой Cr предназначен для защиты наноструктуры отокисления. Средний слой Fe выращен в 2 раза тоньше, чем крайние132слои Fe. Указанный выбор толщин различных слоев Fe и Crобеспечивает однозначность процесса перемагничивания.Подложка,всилусвоейтолщины(0.5мм),считаласьполубесконечной, эффективная толщина слоя составляла 17 нм.Коэффициентыпропусканияиотражениярассчитывалисьспомощью формул Френеля для многослойных образцов с учетоминтерференции.Длярасчетамагнитопропусканияимагнитоотражения использовалось выражение для диэлектрическойпроницаемости в пределе самоусреднения[35]:pim2  2   st  ( )(1 ) 1  i(1  i ) 2  m 2  2гдеεst-2частотно-независимаячасть(5.1)диэлектрическойпроницаемости, ωp- плазменная частота, ω – частота падающегоизлучения, τ – время релаксации, m- отношение M/Ms, β –параметр спиновой ассиметрии.

Параметры выбирались такимобразом, чтобы они соответствовали имеющимся оптическимданным: εst=3.5, что соответствует модифицированной моделиДруде для соединений такого типа в ИК области спектра; β=0.75,что согласуется со значением для мультислоев.13312108,М Р Э%6420-2246810 ,м к мРис. 5.1 Спектральная зависимость магнитоотражения при: τ=6 10-15с – сплошнаялиния; τ=10-14с – пунктирная линия; τ=3 10-14с – точки0 ,8М Р Э ,%0 ,60 ,40 ,20 ,0-0 ,22468 м к мРис.

5.2 Спектральная зависимость магнитоотражения (пунктирная кривая) имагнитопропускания (сплошная кривая) при τ=3 10-14с.13410Выполненные модельные расчеты (Рис. 5.1, 5.2) показали чтонаряду с толщиной, важное значение на МРЭ, как на величину, так испектральнуюзависимость,оказываетэффективноевремярелаксации и плазменная частота. Важным выводом являетсяразличиезнаковмагнитоотражения,эффектовут.е.магнитопропусканиямагнитопропусканиеиимагнитосопротивление отличаются знаками, а магнитоотражение имагнитосопротивление имеет одинаковый знак эффекта.

Такжепоказано, что эффекты могут достигать 10%, что существеннопревышает, например, ЭЭК для ферромагнетиков.Все вышеизложенное свидетельствует о том, что МОЭ являютсяважным инструментом исследования структуры наносистем.5.2ОптическиеспектрыгибридныхмультислоевCoSiO2Гибридные мультислои «металл-диэлектрик» - класс магнитнонеоднородных систем в которых ферромагнитные слои представляютсобой тонкие (2-3 нм)пленки нанокомпозитов с концентрациейферромагнитных частиц вблизи порога перколяции. Гибридныемультислои сочетают преимущества традиционных мультислоев игранулированных систем: большую величину магнитосопротивления(врассматриваемомслучаетуннельное135магнитосопротивлениедостигает 10% [127]), отсутствие гистерезиса, сравнительно низкиеполя насыщения, простоту технологии, а наличие случайныхконтактов между отдельными гранулами соседних слоев не являетсякритичным для туннельного магнитосопротивления всей структуры.В силу того, что магнитные слои металла состоят из гранул,разделенных диэлектрической прослойкой, для таких систем следуетожидать проявления в оптических и магнитооптических свойствахособенностей, связанных с эффектами перколяции, размернымиэффектами, поверхностными плазмонами, усилением локальногоэлектрического поля и т.

д. Принципиальным отличием от объемныхнанокомпозитов является квазидвумерный характер магнитных слоеви периодическое их расположение.Квази-2D структуры для которых были выполнены расчетыполучены путем напыления островковой пленки Co, эффективнойтолщиной 1.0-2.5 нм, на Si подложку, покрытую тонким (200 нм)буфернымслоемSiO2.[127].Сверхуостровковаяпленкапокрывалась слоем SiO2, толщиной 30-60 нм. Температура подложекподдерживалась равной 300 К. Перколяционный переход в данныхсистемах наблюдался при эффективной толщине Co ~2.0 нм [127].Важно отметить сильную зависимость оптических свойств отсодержания Co.

В квази-2D структурах, с содержанием металлаблизким к перколяционному переходу (эффективная толщина Со- 1.8136нм), величина поглощения А достигает 0.5. В диэлектрическихпленках Co-SiO2 с толщиной Со 1.3 нм был обнаружен максимумпоглощения. Энергия максимума   0.67 эВ, существенно меньшеэнергии возбуждения поверхностных плазмонов в изолированныхчастицах Со (для Со в SiO2 по оценке sp 1.3 эВ при величинер=3.7объемнойплазменнойчастотымаксимумедостигаетаномальноэВ).высокойПоглощениевеличины0.8в(вгранулированных пленках Au оно не превышает 0.5 [52, 71 и 72])(Рис.

5.3.а).Для описания обнаруженных особенностей были выполненычисленныерасчетыследующаямодель:спектровсреда1поглощения.–среда,изРассматриваласькоторойпадаетэлектромагнитная волна, среда 2 – защитное покрытие из SiO2 ,среда 3 – наномпозит Co-SiO2 , среда 4 – буферный слой SiO2, среда5 – подложка Si. Модель такой системы приведена на рис. 5.4.Таким образом,гибридный бислой считался нанокомпозитом,расчет оптических спектров проводился в рамках обобщенноймодели эффективной среды с учетом анизотропии формы частиц[12].137Рис.

5.3 Cпектрыпоглощения гибридных систем: а) сплошная линия –экспериментальные спектры многослойной системы с бислоем Со (1.3 нм);пунктир-мультислой[Co(1.8нм)x/SiO2(3нм)1-x]8;теоретическиеспектры:звездочки – толщина нанокомпозита 5 нм (x=0.4, L= 0.8) (буферный слой 300нм); кружки – толщина нанокомпозита 30 нм (x=0.4, L= 0.8);b) сплошная линия – экспериментальные спектры многослойной системы сбислоем Со (1.8 нм); квадраты – толщина нанокомпозита 5 нм (x=0.4, L= 0.8)(буферный слой 20 нм).Сначала в симметризованном приближении Максвелла-Гарнетта[12]рассчитывалисьэффективнойдиагональныедиэлектрическойкомпонентытензорапроницаемостислояферромагнитных частиц, считая его нанокомпозитом Cox-(SiO2)1-x,причем варьировался фактор заполнения x и фактор формы частиц L138(см.

Главу 4). Далее по формулам Френеля рассчитывалосьпоглощение системы SiO2 / нанокомпозит Co-SiO2 / буферный слойSiO2 / Si с учетом отражений от границ раздела и поглощения вподложке. Было предположено, что частицы (их размер 1-2 нмв[127])среднемимеютизотропнуюформу,однакоприпромежуточных концентрациях они кластеризуются, причем в силуих магнитных свойств возникающие образования (в частности,цепочки из гранул) имеют анизотропную форму [52].Результаты расчета представлены на рис.

5.3.b. Видно, чторасчеты, выполненные с учетом того, что в образце наблюдаютсявытянутые образования- “эллипсоиды” с соотношением осейдостигающим 1 к 5, удовлетворительно описывают спектр образцовс эффективной толщиной Со равной 1.3 нм. Если взять сферическиечастицы, то поглощение будет меньше 0.8, но главным условиемтакой величины и максимума поглощения является интерференция,которая учитывается при расчетах по формулам Френеля.мультислоевполучаетсяправильноеположениеиДлявеличинамаксимума поглощения, но остальная часть спектра отличается отэкспериментальногоиз-затого,чтомультислойнаясистемарассчитывалась в приближении эффективной среды и не былаучтенапериодичностьрассматривалась,какслоев,т.е.мультислойнаягранулированный139сплав.Стоитсистематакжеподчеркнуть, что описание квази-2D слоя Co-SiO2 в рамках теорииэффективной среды для трехмерного случая также может привестик дополнительной погрешности, особенно непосредственно вблизипорога перколяции [155].Такимобразом,численныйанализпоказывает,чтообнаруженные особенности спектров поглощения в структурах наоснове квази 2D гранулированных пленок Со существенным образомсвязаны со своеобразием интерференционных эффектов имеющихместо в данных системах и близостью рассматриваемой структуры кпорогу перколяции.

При этом важно отметить, что заметную рольтакже играет и анизотропия формы кластеров из Со, обусловленнаяферромагнитными свойствами металла.140Рис 5.41 –среда, из которой падает электромагнитная волна, среда 2 –защитное покрытие из SiO2 , среда 3 – наномпозит Co-SiO2,среда 4 –буферный слой SiO2, среда 5 – подложка Si.5.3 Магнитооптические спектры гибридных мультислоевCoSiO2.Экспериментальное исследование магнитооптических спектровгибридных мультислоев [156] выявило ряд аномалий: а) Знак,141величина и спектральная форма магнитооптического сигнала сильнозависят от размера частиц Сo. В частности, при изменении толщиныx дисперсного слоя Co с 1.6 до 1.8 нм сигнал изменяется на порядок истановится отрицательным (Рис. 5.5а); б) Величина сигнала длямультислоев [Сo (1,6)/ SiO2(3,0)]6 при 3.0 эВ составляет рекордноедля структур на основе Сo значение 3·10-2, что примерно в 5 разпревышает соответствующее значение для массивного Сo и в 50 разбольше, чем для однородной пленки Сo такой же толщины; в)Магнитооптический сигнал мультислоев нелинейно зависит от числапериодов, а также от толщины диэлектрического слоя y (Рис.

5.5б); г)Зависимость сигнала бислоев и мультислоев с х = 1.3 и 1.6 нм отдлины волны немонотонна и характеризуется четко выраженнымиэкстремумами.Дляинтерпретациимагнитооптическихэтихспектровданныхбислойныхвыполненыструктуррасчетыврамкахмакроскопической френелевской магнитооптики с использованиеммодифицированного метода эффективной среды (СМГ).

Сначала вСМГ рассчитывались диагональные и недиагональные компонентытензорадиэлектрическойпроницаемости(ТДП)слояферромагнитных частиц, считая его нанокомпозитом, причемварьировался фактор заполнения и фактор формы частиц (см. Главу4). Потом,используя результаты работы [37] для магнитооптики142многослойных систем, рассчитывался магнитооптический откликэкваториального эффекта Керра системы SiO2 / нанокомпозит CoSiO2 / буферный слой SiO2 / Si с учетом отражений от границ разделаи поглощения в подложке.3Co(x)/SiO2(2 нм)ЭЭК*10102510-1-2-3-4-5-6-7+1.53020[Co(1.6 нм)/SiO2(3.0 нм)]n=20+2.0+2.5Е,эВ+3.0+3.5+4.0[Co(1.6 нм)/SiO2(3.0 нм)]n=63ЭЭК*10ЭЭК*1041а0100б-10-20-30-51.5312102.5Е,эВ3.03.54.0[Co(1.8 нм)/SiO2(3.5 нм)]n=8ЭЭК*103-102.08в6420-151.52.02.53.03.54.0Е,эВРис. 5.5 а Магнитоптические спектры1.52.02.53.0Е,эВ3.54.0Рис.

5.5 б Магнитооптические спектрыбислоев Сo (x)/ SiO2(y) с у = 2.0 нммультислоев [Сo (x)/ SiO2(y)]n.1. х = 1.3 нма. x = 1.6 нм, у = 3.0 нм, n = 202. х = 1.6 нмб. x = 1.6 нм, у = 3.0 нм, n = 63. х = 1.8 нмв. х = 1.8 нм, у = 3.5 нм, n = 8Сплошной линией на рис.5.5бпоказанмагнитооптический спектр толстыхпленок Со [156].143Эффект рассчитывался по следующим формулам:  2 Re  ;ppp r345 r321pppr345 r321n1Q sin  cos  ],2 p p2 p p2g31 F3 r345 r321 1 F3 r345 r321 i(1 F32 )g j  n 2j  n12 sin 2  ;22p g j nk  g k n jr jk ;22g j nk  g k n jFk exp( 21 g k d k );r jkp  Fk2 rklppr jkl ;2 p p1 Fk r jk rklr32p r21p  F22pr321  p 2 p ,r21  F2 r32(5.2)где n1 - комплексный показатель преломления среды, из которой насистему падает свет;  - угол падения света из первой среды; j, k, l номера сред; dk - толщина соответствующей среды;  - длинасветовой волны в вакууме; i - мнимая единица; Q=iмагнитооптический параметр, effxy ,effxxeffxy /effxx-- недиагональная идиагональная компоненты ТДП эффективной среды; cos для случаяэкваториального намагничивания равен 1.