Магнитооптические свойства нанокомпозитов ферромагнитный металл-диэлектрик и наномультислойных пленок ферромагнетик - полупроводник

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиПхонгхирун СонгсакМАГНИТООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВФЕРРОМАГНИТНЫЙ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК ИНАНОМУЛЬТИСЛОЙНЫХ ПЛЕНОКФЕРРОМАГНЕТИК - ПОЛУПРОВОДНИКСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучный руководительдоктор физико-математических наук,профессор Е. А. ГаньшинаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор А. С. Андреенкокандидат физико-математических наук,доцент А. Н. ЮрасовВедущая организацияИнститут металлургии и металловеденияим. А.А.Байкова РАН г.Москва.Защита состоится “ 15 ” ноября 2007 года в 17.00 часов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.02 в Московском государственномуниверситете им.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория.С диссертацией можно ознакомитьсяфакультета МГУ им. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан “вбиблиотекефизического” октября 2007 года.Ученый секретарьдиссертационного совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наук2И. А. НиканороваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Устойчивый интерес к наноструктурам, возникшийв последнее время, обусловлен возможностью значительной модификациии принципиального изменения качеств известных материалов припереходе в нанокристаллическое состояние. В низкоразмерных магнитныхматериалах,наблюдаютсянеобычныефизическиеявления,представляющие как самостоятельный научный интерес, так и важноепрактическоезначение:гигантскиймагнитныйимпеданс(ГМИ),гигантское магнитосопротивление (ГМС) [1], гигантский аномальныйэффект Холла (АЭХ) [2], аномальные оптические эффекты [3], сильныймагнитооптический отклик [4].Этисвойствананокомпозитовлежатвосновеширокихвозможностей их практического применения в различных областяхтехники: при разработке новых искуственных материалов для спинтроникиимагнитофотоники,присозданииэлементовмагнитнойимагнитооптической записи, высокочувствительных датчиков магнитногополя и т.п.Объектомисследованийинтенсивныхявляетсяэкспериментальныхвопросвзаимногоивлияниятеоретическихсоставаимикроструктуры на магнитные, магнитотранспортные, оптические имагнитооптические свойства пленочных нанокомпозитов.

Несмотря набольшое количество работ до сих пор нет достаточной ясности впониманиипроцессов,сопровождающихструктурнуюперестройкувещества, так как трудно предсказать свойства пленок, в которыхзначительную роль играют взаимодействия наночастиц между собой, сматрицей и с подложкой, при огромном влиянии размерных иповерхностных эффектов, вызываемых частицами, их границами иповерхностью пленок.3В связи с этим актуальным оказываются экспериментальные методы,позволяющие получить представление о внутренней структуре такихматериалов и особенностях магнитного взаимодействия в них. К такимметодам относятся магнитооптические методы и метод ферромагнитногорезонанса, позволяющие изучать физические свойства в широкомчастотном диапазоне.

Оба эти метода чувствительны к наличиюмагнитных неоднородностей, к изменению формы и размера частиц, к ихобъемному распределению и к появлению новых магнитных фаз в образце.С этой точки зрения детальные экспериментальные исследованиямагнитных,магнитотранспортныхимагнитооптическихсвойствнанокомпозитных материалов в зависимости от состава, концентрации итехнологических параметров получения необходимы, как для пониманияобщихзакономерностейформированияфизическихсвойствнанокомпозитов, так и для реализации практических задач и в первуюочередь, для конструирования наноструктурных материалов с заданнымимагнитными и магнитооптическими характеристиками.Цель работы состояла в исследовании особенностей магнитооптических имагнитных свойств двух групп наноструктурных материалов — спинтуннельных нанокомпозитов (ферромагнитный металл – диэлектрик) испин-туннельныхмногослойныхмагниторезистивныхструктур(ферромагнетик – полупроводник).Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:1.

проведениеавтоматизацииэкспериментальнойустановкидляисследования экваториального эффекта Керра (ЭЭК)2. исследование зависимости магнитооптической активности аморфныхгранулированных нанокомпозитов от состава металлических гранул(Co84Nb14Ta2)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x,(Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x;3. исследование влияния матрицы на магнитооптические свойствананокомпозитов с гигантским туннельным магнитосопротивлением;44.

изучение влияния технологических условий получения нанокомпозитовферромагнетик – сегнетоэлектрик (Co)x(LiNbO3)100-x на их магнитные имагнитооптические свойства;5. исследование магнитных и магнитооптических свойств многослойныхсистем: [(Co45Fe45Zr10)/(a-Si)]40 и [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65]/α-Si:H]30.Научная новизна и практическая ценность работы состоит вследующем:• Обнаружено, что магнитооптический отклик возрастает в рядунанокомпозитов с гранулами CoNbTa → CoFeB → CoFeZr.Установленакорреляциямеждумаксимальнымизначениямиэкваториального эффекта Керра, туннельного магнитосопротивлениянанокомпозитовметаллическихимагнитострикциигранул,связаннаянасыщениясматериалавозрастаниемвкладаполяризованных d-электронов в плотность состояний вблизи уровняФерми и ростом спин-орбитального взаимодействия в рядунанокомпозитов с гранулами CoNbTa → CoFeB → CoFeZr.• Установлено, что существует оптимальное значение давлениякислорода в распылительной камере, при котором достигаютсямаксимальныезначениямагнитооптическогооткликананокомпозитов ФМ металл – сегнетоэлектрик и расширяетсяконцентрационнаяобластьсуществованиянанокомпозитовсбольшим значением магнитосопротивления.• Впервые исследована зависимость магнитооптических и магнитныхсвойствоттолщинынаномультислойнойгидрогенизированныйполупроводниковыхструктурыSi–нанокомпозитслоев-дляаморфный[(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/aSiH]40.Обнаружено, что образование межгранульной полупроводниковойпрослойки aSi:H в многослойной системе приводит к возникновению5сильногоэффективногообменноговзаимодействиямеждуизолированными гранулами ФМ сплава Co45Fe45Zr10.Практическаяценность.Полученныевдиссертационнойработерезультаты расширяют представление о магнитооптических явлениях внаноструктурных материалах.

Результаты исследования могут бытьиспользованыдляразвитиятехнологийполучениянаноструктурнеобходимой конфигурации с заданными свойствами и для разработкиновых материалов для спинтроники.Апробацияработы.Результатыработыдокладывалисьна:Международной школе – семинаре “Новые магнитные материалымикроэлектроники”,Москва,2002,2004,2006;Международномсимпозиуме “Порядок, беспорядок и свойства оксидов ODPO”, Сочи, 2002,2003, 2004, 2007; на секции по проблемам магнетизма в магнитныхпленках, малых частицах и наноструктурных объектах, Астрахань 2003;XXI international conference on “Relaxation phenomena in solids (RPS-21)”,Voronezh', October 5-8, 2004;, Московском международном симпозиуме помагнетизму MISM 2005, Москва, 25-30 июня, 2005; Всероссийскойнаучной конференции молодых ученых и студентов, Краснодар, 2-5октября 2006; II International Conference “Electronics and Applied Physics”Kyiv, Ukraine, 11-14 October 2006Личный вклад автора.

Проведенаавтоматизация экспериментальнойустановки для исследования ЭЭК. Подготовка образцов и измерениямагнитооптических свойств проведены лично автором. Обсуждение ианализ полученных экспериментальных результатов проводились авторамисоответствующих работ совместно.6Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 21научная работа, включая 6 статей и 15 публикаций в материалахконференций.Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения и списка литературы. Полный объем работы - 123 страницымашинописноготекста,включая60 рисунков,4 таблицыи105библиографических ссылок.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность изучения рассматриваемых вдиссертации проблем, сформулирована цель работы. Обозначена научнаяновизна и практическая ценность работы, дана краткая характеристикаосновных разделов диссертации.

Представлена степень апробации,количество публикаций и структура диссертации.Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. Вней изложены основные результаты экспериментальных и теоретическихработ, посвященных исследованию свойств нанокомпозитных материаловна основе 3d металлов.В параграфе 1.1 обсуждается актуальность исследованийнаноразмерных материалов и возможности их практического применения.В параграфе 1.2 описаны способы изготовления магнитныхгранулированных нанокомпозитов, методы изучения их микроструктуры имагнитных свойств.В параграфе 1.3 дан обзор литературных источников, в которыхизучается явление гигантского магнитосопротивления в гранулированныхсплавах типа “ферромагнитных металл – диэлектрик” и многослойныхмагнитополупроводниковых структурах.В параграфе 1.4 приведенысуществующие результатыэкспериментальных и теоретических исследований магнитооптическихсвойствмагнитныхнанокомпозитов.Представленныеданныесвидетельствуют о том, что изучение магнитных, магнитотранспортных имагнитооптических свойств нанокомпозитных материалов является7актуальным и перспективным научным направлением, активноразвивающимся в настоящее время.

Однако для того, чтобы такиематериалы могли успешно применяться в практических целях, необходиморешить ряд проблем, таких как:⎯ Изготовлениехорошовоспроизводимых,обладающихзаданными свойствами наноструктур. Следует отметить, чтопредсказание свойств таких материалов является сложнойзадачей, так как при её решении необходимо учитыватьвлияние многих факторов, например, таких как взаимодействиенаночастиц между собой, с матрицей и с подложкой,размерные и поверхностные эффекты.⎯ Нахождение компромисса между составом нанокомпозита,значением магнитосопротивления и величиной внешнегомагнитного поля.⎯ Установление взаимосвязи между составом гранулированногосплава, его микроструктурой и величиной магнитооптическихэффектов.Вышеизложенноепозволяетутверждать,чтодетальныеисследования изменений магнитных, электрических и магнитооптическиххарактеристик магнитных композитных материалов в зависимости от ихсостава, микроструктуры и технологических режимов их полученияявляются актуальными.Во второй главе описана методика эксперимента и установка, дляизмерения экваториального эффекта Керра в области энергий падающегосвета 0.5 – 4.5 эВ в переменном магнитном поле ~ 2.5 кЭ.

Авторомпроводилась автоматизация работы установки. Приводится блок-схемаустановки и алгоритм работы программного обеспечения.Третья глава посвящена исследованию влияния элементногосостава ферромагнитной компоненты и матрицы на магнитные имагнитооптические свойства аморфных нанокомпозитов.8В параграфе 3.1описываются технические параметры и методизготовления гранулированных композиционных материалов аморфныйферромагнитныйметалл–диэлектрик(Co84Nb14Ta2)x(SiO2)100-x,(Co45Fe45Zr10)x(SiO2)100-x, (Co41Fe39B20)x(SiO2)100-x, (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x инанокомпозитов,обладающихзначительнымтуннельныммагнитосопротивлением. Приведены данные о микроструктуре и составахисследованных нанокомпозитов.В параграфах 3.2- 3.4 представлены результаты МО исследованияспектральных,концентрационныхэкваториальногонанокомпозитовэффектаиКерраполевыхаморфныхзависимостейгранулированныхферромагнетик – диэлектрик для трех различныхсоставов ферромагнитной металлической компоненты.Установлено,чтоδ(hν)спектрыизучаемыхнанокомпозитовсущественно отличаются по знаку, величине и характеру от спектроваморфныхЭЭК, δ · 10310сплавов, составляющих основунанокомпозита и от спектров5поликристаллического0кобальта(см.