Взаимосвязь состава, структуры и магнитных свойств в пленках Co-Ni-Fe и в системе Co-IrMn

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В.ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиХоменко Евгений ВладимировичВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВПЛЁНКАХ Co-Ni-Fe И В СИСТЕМЕ Co/IrMn01.04.11. - Физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроникифизического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,Чеченин Николай ГавриловичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Неволин Владимир Николаевичдоктор физико-математических наук,профессор Грановский Александр БорисовичВедущая организация:Российский Научный Центр «Курчатовский Институт»Защита состоится «» мая 2009 года в ____ часов на заседанииДиссертационного Совета Д-501.001.70 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва,Ленинские горы, д.1, стр.35, конференц-зал Центра коллективного пользованияфизического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» апреля 2009 г.Учёный секретарьДиссертационного Совета Д-501.001.70доктор физико-математических наук,профессорГ.С. Плотников2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыНепрерывный рост вычислительных мощностей цифровой полупроводниковойтехники,применяемойвразличныхобластяхчеловеческойдеятельности,сопровождается ростом потребности сохранения больших объёмов переработаннойинформации и увеличения скорости процессов чтения/записи. Увеличение плотностизаписи ведёт к уменьшению размера информационного бита.

При этом, надёжноехранение информации в магнитных носителях, например, жёстких магнитных дисках(ЖМД), при больших плотностях записи может достигаться только в магнитожёсткойсреде, обладающей высокой коэрцитивностью Нс порядка нескольких кЭ и выше.Соответственно, для осуществления базовой операции запись/перезапись в такихсредах необходимо прикладывать хорошо локализованные, легко и экономичноуправляемые магнитные поля высокой напряжённости, возбуждаемые в зазоре междуполюсами записывающей головки и поверхностью носителя.

Поэтому наносимые наполюса записывающих головок тонкие магнитные плёнки должны обладать большойнамагниченностью насыщения Ic и низкой коэрцитивной силой Hc ≤ 10 Э, т.е. бытьмагнитомягкими. Требование увеличения магнитной индукции, наводимой головкойзаписи в элементах информационного носителя, усугубляется необходимостьюуменьшения размеров головок записи (пропорционально размеру информационногобита).Столь же жёсткие требования предъявляются к повышению чувствительностиголовок считывания в сочетании с уменьшением их размеров. Прорывным фактором втехнологии головок считывания явилось открытие эффекта гигантского магнитногосопротивления (ГМС) в конце 80-х [1, 2]. Эффект ГМС привёл к появлению новогокласса высокочувствительных датчиков магнитного поля – спиновых вентилей(спиновых диодов), состоящих из двух ферромагнитных слоёв, разделённых слоемнемагнитного проводящего или диэлектрического материала.

Возникло новоенаправление развития электроники, получившее название спинтроники, базирующеесяна использовании транспорта не только заряда, но и спина, т.е. поляризованного поспину тока электронов (см. например [3]).Существенную роль в развитии современных устройствах магнитной памятизанимает создание и исследование ферромагнитных плёнок c требуемыми свойствами.3Современные считывающие головки, также как и записывающие, содержатмагнитомягкие плёнки в качестве чувствительного и фиксированного слоёв вмногослойной структуре, использующей эффект ГМС. Требования, предъявляемые кпараметрам плёнок, непрерывно возрастают с уменьшением размеров магнитного битав соответствии с известным законом Мура. Пермаллой (сплав никеля с железом)является в настоящее время одним из основных магнитомягких материалов вэлементах спинтроники.

Однако этот материал помимо достоинств имеет исущественные недостатки. Наиболее критичный из них – невысокая намагниченностьнасыщения, что обуславливает интенсивные научные поиски новых материалов длятонкоплёночных технологий. Как известно, наиболее высокий атомный магнитныйРис. 1 Диаграмма Слэтера-Полинга [4].момент из чистых металлов переходной группы имеет железо, которое, однако, неустойчиво по отношению к химически агрессивным средам, в частности, подверженокоррозии. Сплав Fe-Co может иметь даже более высокие значения магнитногомомента,чемFe,каквидноиздиаграммыСлэтера-Полинга(рис.1).Объёмоцентрированный (оцк) сплав CoxFe1-x, при 0.3<x<0.5 имеет высокуюнамагниченность 4πIs до 24 кГс, но, к сожалению, также высокую константумагнитострикции λS~ 45-65·10-6, приводящей к достаточно высокой коэрцитивности(Hc>100 Э для Co50Fe50).

В считывающих ГМС-головках это, например, снижает их4чувствительность и препятствует фиксации ферромагнитного слоя за счёт обменноговзаимодействия с антиферромагнитным слоем, для чего требуется HEB >Hc , где HEB –поле обменного смещения. Бинарный сплав с большим содержанием Co (>80%)используется в разработках структур спинтроники, подслоёв сред с перпендикулярнойнамагниченностьюсфиксациеймагнитногомоментазасчётобменноговзаимодействия. Однако, проблемы этой бинарной системы – сравнительно высокаякоэрцитивность и магнитострикция – остаются, что ограничивает её промышленноераспространение в качестве магнитомягкого материала.Из сказанного возникает вопрос: нельзя ли получить высокую намагниченностьнасыщения при низкой коэрцитивности и высокой коррозионной стойкости в тройныхсплавах, например Co-Ni-Fe? Примеры таких разработок внушают оптимизм.Обращают на себя внимание также спады зависимости среднего магнитного моментаμ/μB от среднего числа электронов на один атом ne в сплаве, разрыв и явная нехваткаBданных в области структурного перехода оцк-гцк (рис.

1). Вопрос о взаимосвязиструктурно-фазового перехода с конкуренцией гцк и оцк фаз и намагниченностьюнасыщения требует более богатой экспериментальной информации в области гцк-оцкконкуренции. Следует также отметить, что основная масса данных, представленных надиаграммеСлэтера-Полинга(рис.1)былаполученанамассивныхполикристаллических образцах. Отсюда вытекает вопрос о роли нанокристалличностив проявлении магнитных свойств тонких мультикомпонентных плёнок.В данной диссертации сделана попытка ответить на поставленные вопросыпутём синтеза плёнок тройного сплава Co-Ni-Fe с вариацией состава в определённыхпределах, детального исследования взаимосвязи композиционных, структурных имагнитных свойств данного сплава.Далее, одной из актуальнейших тем современного этапа развития магнетизмаявляетсяисследованиепроцессоввмногослойныхультратонкихструктурах,перспективных для спинтроники.

Этому направлению уделяется большая частьвремени на международных конференциях, с ним связывают надежды в прорывномразвитии магнитной сенсорики и универсальной магнитной памяти на базе эффектовгигантского и туннельного магнитного сопротивления. Несмотря на огромные успехив спинтронике, многие наблюдаемые эффекты поняты еще не до конца. Наряду сдругими, к таковым вопросам относятся эффекты возникновения однонаправленноймагнитнойанизотропии,обусловленной5взаимодействиеммеждуслоямиферромагнетика (ФМ) и антиферромгнетика (АФМ) на границе раздела (интерфейсе)ФМ/АФМ, проявляющейся в сдвиге петли гистерезиса на величину т.н.

обменногосмещения HEB. В диссертации приведены результаты наших исследований иразработок по генерации обменного смещения в системе ФМ/АФМ путём отжига.Установлено, что обменное смещение может возникать в результате отжига притемпературе Т, заметно меньшей температуры Нееля (TN), что находится вкачественном согласии с эффектом низкоразмерной масштабируемости.

Более того,возможность получения обменного смещения зависит от порядка нанесения ФМ иАФМ слоёв. Это интерпретируется как зависимость микроструктуры АФМ слоя отпараметра несоответствия решёток АФМ (IrMn) и материала, на который наноситсяАФМ-слой (Со в одном случае и Мо в другом).Цель работы.Целью данной диссертационной работы является исследование взаимосвязисостава, структурных и магнитных свойств тонкоплёночных ферромагнитных иферромагнит-антиферромагнитных структур.

В качествеконкретных объектовисследования в данной диссертации были выбраны ферромагнитные плёнки тройногосплава Co-Ni-Fe и ферромагнит-антиферомагнитная система Co/IrMn, как весьмаперспективные для использования в различных магнитных устройствах спинтроники,записывающих и считывающих головках, и в качестве компонентов сред храненияинформации.Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:1.Развитьтехнологиюэлектрохимическогоосаждениятонкихнанокристаллических плёнок тройного сплава Co-Ni-Fe без органических добавок,обладающих высокими показателями магнитного момента и одноосной анизотропии,малой коэрцитивностью, хорошей адгезией и коррозионной стойкостью. Исследоватьструктуру и магнитные свойства Co-Ni-Fe плёнок с различным химическим составом.2.Экспериментальноисследоватьвзаимосвязьмеждуструктурнымиимагнитными параметрами плёнок и химическим составом сплава.

Определить рольнанокристалличности структуры и конкуренции структурных фаз в проявлениимагнитных свойств и наблюдающихся эффектов.3.Методомферромагнитногорезонанса(ФМР)идругимиметодамимагнитометрии исследовать магнитные свойства ФМ/АФМ-системы Co/IrMn.64.Определить условия возникновения обменного смещения в ФМ/АФМ-системеCo/IrMn в результате отжига в магнитном поле.При решении перечисленных задач использовались методы электрохимическогои импульсного лазерного осаждения, был применён комплекс различных методовисследованиярассеяние,получаемыхэлектроннуюобразцов,включающийсканирующуюрезерфордовскоемикроскопиюсобратноеэнергодисперсионнойприставкой, регистрирующей рентгеновское характеристическое излучение; атомносиловую микроскопию, рентгеноструктурный анализ, экваториальный эффект Керра,спектрометриюферромагнитногорезонансногопоглощения,вибрационнуюмагнитометрию.Научная новизна результатов, полученных в диссертации:1.