Автореферат (Магнитооптическое исследование магнитных свойств низкоразмерных тонкопленочных систем на основе железа и кобальта)

На правах рукописиРожновская Алиса АндреевнаМАГНИТООПТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВНИЗКОРАЗМЕРНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗАИ КОБАЛЬТАСпециальность 01.04.11 — физика магнитных явленийАвтореферат диссертациина соискание учёной степени кандидатафизико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова».Научный руководитель:Елена Евгеньевна Шалыгина,доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственноебюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московскийгосударственный университет имени М.В.Ломоносова», физический факультет,кафедра магнетизма, главный научный сотрудник.Официальные оппоненты:Рудой Юрий Григорьевич,доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственноебюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российскийуниверситет дружбы народов» (РУДН), профессор кафедры теоретической физики имеханики.Юрасов Алексей Николаевич,доктор физико-математических наук, доцент, Федеральное государственноебюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московскийтехнологический университет» (МИРЭА), профессор кафедры наноэлектроникиФизико-технологического института МИРЭА.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институтметаллургии и материаловедения имени А.А.

Байкова Российской академии наук(ИМЕТ РАН)Защита диссертации состоится «»2017 г. в 16 часов на заседанииДиссертационного совета Д 501.001.70 в Московском государственном университетеимени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д.1,стр.35, конференц-зал Центра коллективного пользования.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУимени М.В.Ломоносова (Ломоносовский пр., д. 27) и в сети Internet по адресуhttp://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-70/.Автореферат разослан «__»2017 года.Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 501.001.70кандидат физико-математических наук, доцентА.И.

ЕфимоваОбщая характеристика работыАктуальность темы. В конце прошлого столетия большинство исследований вобласти физики твердого тела было посвящено изучению наноразмерных объектов.При этом вставали очевидные вопросы: является ли физика и технология наноструктурособенной и существуют ли уникальные явления в объектах с размераминанометрового диапазона, которые не возникают в микромире. Оказалось, что ответына эти вопросы связаны с двумя явлениями: 1) нанометровые размеры сравнимы сдлиной волны электрона в твердом теле; 2) если электроны ограниченыпространственно размерами, сравнимыми с их длиной волны, то континуум связаннойобъемной энергии становится квантованным на дискретные квантовые состояния(Quantum Well States) [1].

Выполненные позже экспериментальные исследованияподтвердили возможность наблюдения в наноматериалах новых физических эффектов.Особое внимание при этом привлекали такие физические объекты, как ультратонкиемагнитные плёнки 3d-переходных металлов и полученные на их основетонкоплёночные магнитные системы (ТПМС), представляющие собой чередованиемагнитных и немагнитных слоёв субмикронной (нанометровой) толщины. Чтобыизбежать разночтения, отметим, что в научной литературе материалы безферромагнитного, антиферромагнитного и ферримагнитного упорядочения принятоназывать немагнитными (nonmagnetic).Указанные материалы остаются наиболее интересными объектамиисследования физики магнитных явлений.

Обусловлено это обнаружением в них такихявлений, как гигантское магнитосопротивление [2], антиферромагнитноевзаимодействие между магнитными слоями через немагнитный разделительный слой[3], осциллирующее обменное взаимодействие между ферромагнитными слоями(Fe, Co) через немагнитную металлическую (Cu, Ag, Au, Mo, Ta и др.)прослойку [4 - 5]. Эти физические явления предопределяют использование ТПМС вразличных устройствах микро- и наноэлектроники.Среди существующих различных типов ТПМС внимание исследователейпривлекают также тонкопленочные системы на основе магнитомягких пермаллоевыхFeNi пленок, которые широко применяются в тонкопленочных магнитных головках,датчиках магнитных полей, биологических сенсорах и т.д.

В случае магнитных ибиологических сенсоров, основанных на эффекте магнитного импеданса (МИ) [6 - 12],наиболее важными элементами в них являются тонкопленочные многослойныеструктуры, состоящие из магнитных и немагнитных слоев. В настоящее времяэкспериментально доказано, что для получения высокого значения МИ необходимасравнительно большая толщина магнитных пленок, tМ, в частности, пермаллоевых.Максимальное значение МИ при протекании через FeNi тонкопленочный образецпеременного тока высокой частоты (порядка 1 ГГц) было получено при его толщинепорядка 1 мкм во внешнем магнитном поле, сравнимом с полем анизотропии. Вместе стем установлено, что увеличение толщины пермаллоевой пленки приводит к3увеличению поля насыщения, HS, и коэрцитивной силы, HC [9].

Предполагалось, что вмногослойных системах с наличием в них магнитных FeNi и немагнитных слоев собщей толщиной образца меньше 1 мкм возможно уменьшение HS и HC, а такжеувеличение значения МИ.Наконец, было установлено, что тонкоплёночные магнитные системы могутпроявлять уникальные высокочастотные свойства. С этой точки зрения заслуживаливнимания многослойные структуры на основе FeN магнитных пленок, особенностькоторых состояла в том, что индукция насыщения этих сплавов выше, чем в чистыхпленках железа (порядка 2.8 – 3 Тл вместо 2.2 Тл) [13-14], а добавление азота в этихсплавах сдвигает частоту ферромагнитного резонанса к более высоким значениям [15].Результаты ранее проведенных исследований ультратонких пленок имногослойных систем позволили решить ряд проблем физики магнитных явлений.

Вчастности, существенно расширились представления о влиянии границы разделамежду магнитной пленкой и подложкой, а также между магнитными и немагнитнымислоями на формирование кинетических, магнитных и магнитооптических свойствтонкопленочных магнитных структур. Изучено влияние микроструктуры подложки(морфологии ее поверхности и ориентации кристаллографических осей зерен) намагнитные свойства тонких пленок.

Вместе с тем на начало проводимых в даннойдиссертационнойработеисследованийособоговниманиязаслуживалоэкспериментальное изучение влияния толщины и состава магнитных и немагнитныхслоев (МС и НМС) на магнитные и магнитооптические свойства тонкопленочныхмагнитных систем. Проведение этих исследований способствовало решению такихфундаментальных задач физики магнитных явлений, как изучение влияниянемагнитных слоев между магнитными слоями (или магнитной пленкой и подложкой),а также обменного взаимодействия между магнитными слоями субмикроннойтолщины через немагнитную прослойку на магнитополевое поведение этих систем.Следует также отметить, что расширение функциональности тонкопленочныхмагнитных систем связано в значительной мере с изучением особенностей ихвзаимодействия с активными компонентами внешней среды.

Повышающаясянасыщенность окружающей среды сильными магнитными полями требует пониманиямеханизмов их влияния на химические процессы, протекающие на поверхностимагнитных материалов, а именно на процессы магнитной коррозии. В связи с этимисследования магнитохимических явлений, обусловленных процессами окисления ирастворения при наличии магнитного поля, в тонкопленочных системах оказалисьтакже чрезвычайно актуальными.

Анализ этих процессов возможен путемхимического травления ТПМС в магнитном поле с последующим изучением ихфизических свойств.Помимо фундаментального научного интереса ТПМС привлекают к себевнимание и перспективами их широкого практического использования в различныхустройствах современной микро- и наноэлектроники [16 - 18]. В частности, ТПМС4используются в качестве сред для высокоплотной магнитной записи, в том числе имагнитооптической. На их основе создаются датчики магнитных полей, по целомуряду характеристик (особенно в области малых полей) превосходящие другиеподобные устройства. Примером такого использования являются тонкопленочныемагнитные головки для записи-считывания высокоплотной магнитной записи.Учитывая вышеизложенное, исследование влияния толщины магнитных инемагнитных слоев на магнитополевое поведение и магнитные свойства ТПМС, атакже магнитохимических явлений, обусловленных процессами окислениятонкопленочных магнитных систем при наличии магнитного поля, являетсяактуальным как с научной, так и с практической точки зрения.Цели исследования.

Целью данной диссертационной работы былоисследование влияния толщины и состава магнитных и немагнитных слоев втрехслойных Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNi образцах на ихмагнитополевое поведение и магнитные свойства, а также изучение влияниямагнитохимической обработки FeN тонкопленочных систем при наличии магнитногополя разной ориентации и величины относительно плоскости образцов на морфологиюих поверхности и магнитные характеристики.Задачи исследования. Для достижения поставленных целей решалисьследующие задачи:1.

Изучение влияния толщины магнитных и немагнитных слоев на магнитныесвойства (поле насыщения HS, коэрцитивную силу НC) Fe/Ta, Mo, Zr/Fe,Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNi образцов.2. Изучение влияния толщины магнитных и немагнитных слоев на магнитополевоеповедение Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNi образцов.3. Изучение влияния химической обработки FeN тонкопленочных систем приналичии магнитного поля различной напряженности и ориентации относительноплоскости образцов на их магнитные характеристики.4. Изучение влияния химической обработки FeN тонкопленочных систем безмагнитного поля и при наличии магнитного поля различной напряженности иориентации относительно плоскости образцов на приповерхностнуюморфологию образцов.Положения, выносимые на защиту:1.