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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТна правах рукописиРОЖНОВСКАЯ АЛИСА АНДРЕЕВНАМАГНИТООПТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХСВОЙСТВ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НАОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И КОБАЛЬТАспециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор Шалыгина Е.Е.Москва 2017СодержаниеВведение…………………………………………………………... 4Глава 1. Магнитные пленки.

Литературный обзор…………..... 161.1 Магнитные пленки…………………………………………..................161.2 Способы получения магнитных пленок……………............................211.3 Особенности магнитных свойств тонкопленочных магнитныхструктур и методы их исследования……………………………………...221.4 Квантовый размерный эффект в ультратонких пленках………….....271.5 Магнитохимия……………………………………………………….....35Глава 2. Методика эксперимента и изучаемые образцы………452.1 Классификация магнитооптических эффектов………………………472.2 Магнитооптический магнитометр для исследованияприповерхностных магнитных характеристик образцов..........................502.3 Магнитооптический микромагнитометр для изучения морфологииповерхности образцов……………………………………………………...532.4 Метод атомно-силовой микроскопии для изучения морфологииповерхности образцов……………………………………………………...562.5 Изучаемые образцы…………………………………………………….582.6 Анализ погрешностей эксперимента………………………………….61Глава 3.

Результаты исследования магнитных свойствизучаемых образцов и их обсуждение………………………….. 633.1 Результаты исследования магнитных свойств и магнитополевогоповедения трехслойных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co образцов………..633.2 Результаты исследования зависимости экваториального эффектаКерра от толщины немагнитных слоев трехслойных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe иCo/Mo/Co образцов ………………………………………………………...853.3 Результаты исследования структурных и магнитных свойстводнослойных FeNi и трехслойных FeNi/Ti/FeNi образцов………………893.4 Результаты исследования FeN тонкопленочных систем,обработанных 35% раствором уксусной кислоты при отсутствии иналичии постоянного магнитного поля, приложенногопараллельно/перпендикулярно поверхности образца……………………9423.5 Результаты исследования FeN тонкопленочных систем,обработанных 35% раствором фосфорной кислоты при отсутствии иналичии постоянного магнитного поля, приложенногопараллельно/перпендикулярно поверхности образца……………………106Основные результаты……………………………………….…… 130Список литературы……………………………….........................

1323ВведениеАктуальностьдиссертационнойработы. Вконцепрошлогостолетия большинство исследований в области физики твердого тела былопосвящено изучению наноразмерных объектов. У исследователей появлялисьочевидные вопросы: является ли физика и технология наноструктурособенной и существуют ли уникальные явления в объектах с размераминанометрового диапазона, которые не возникают в микромире. Оказалось,что ответы на эти вопросы связаны с двумя явлениями: 1) нанометровыеразмеры сравнимы с длиной волны электрона в твердом теле; 2) еслиэлектроны ограничены пространственно размерами, сравнимыми с их длинойволны, то континуум связанной объемной энергии становится квантованнымна дискретные квантовые состояния (Quantum Well States) [1].

Выполненныепозжеэкспериментальныеисследованияподтвердиливозможностьнаблюдения в наноматериалах новых физических эффектов. Особоевнимание при этом привлекали такие физические объекты, как ультратонкиемагнитные плёнки 3d-переходных металлов и полученные на их основетонкоплёночные магнитные системы (ТПМС), представляющие собойчередование магнитных и немагнитных слоёв субмикронной (нанометровой)толщины. Чтобы избежать разночтения, отметим, что в научной литературематериалы без ферромагнитного, антиферромагнитного и ферримагнитногоупорядочения принято называть немагнитными (nonmagnetic). Указанныематериалы остаются наиболее интересными объектами исследования физикимагнитных явлений. Обусловлено это обнаружением в них таких явлений, какгигантское магнитосопротивление [2], антиферромагнитное взаимодействиемежду магнитными слоями через немагнитный разделительный слой [3],осциллирующее обменное взаимодействие между ферромагнитными слоями(Fe,Co)черезнемагнитную(безферромагнитногоупорядочения)металлическую (Cu, Ag, Au, Mo, Ta и др.) прослойку [4 - 5].

Эти физические4явления предопределяют использование ТПМС в различных устройствахмикро- и наноэлектроники.СредисуществующихисследователейпривлекаютразличныхтиповтонкопленочныеТПМСсистемывниманиенаосновемагнитомягких пермаллоевых FeNi пленок, которые широко применяются втонкопленочныхмагнитныхголовках,датчикахмагнитныхполей,биологических сенсорах и т.д. В случае магнитных и биологическихсенсоров, основанных на эффекте магнитного импеданса (МИ) [6 - 11],наиболееважнымиэлементамивнихявляютсятонкопленочныемногослойные структуры, состоящие из магнитных и немагнитных слоевсубмикронной толщины. В настоящее время экспериментально доказано, чтодля получения высокого значения МИ необходима сравнительно большаятолщина магнитных пленок, tМ, в частности, пермаллоевых. Максимальноезначение МИ при протекании через FeNi тонкопленочный образецпеременного тока высокой частоты (порядка 1 ГГц) было получено при еготолщине порядка 1 мкм во внешнем магнитном поле, сравнимом с полеманизотропии.

Вместе с тем установлено, что увеличение толщиныпермаллоевой пленки приводит к увеличению поля насыщения, HS, икоэрцитивной силы, HC [9]. Предполагалось, что в многослойных системах сналичием в них магнитных FeNi слоев и немагнитных с общей толщинойобразца меньше 1 мкм возможно уменьшение HS и HC, а также увеличениезначения МИ.С точки зрения высокочастотных свойств тонкопленочных системинтересны многослойные структуры на основе FeN магнитных пленок,широко применяющиеся при создании тонкопленочных магнитных головок.Особенность пленок FeN состоит в том, что индукция насыщения этихсплавов выше, чем в чистых пленках железа (порядка 2.8 – 3 Тл вместо52.2 Тл) [12 - 14], а добавление азота в этих сплавах сдвигает частотуферромагнитного резонанса к более высоким значениям [15].Следует также отметить следующий важный факт.

Расширениефункциональноститонкопленочныхмагнитныхсистемсвязановзначительной мере с изучением особенностей их взаимодействия сактивными компонентами внешней среды. Повышающаяся насыщенностьокружающей среды сильными магнитными полями требовала пониманиямеханизмов их влияния на химические процессы, протекающие наповерхности магнитных материалов, а именно на процессы магнитнойкоррозии.

В связи с этим исследования магнитохимических явлений втонкопленочныхсистемах,обусловленныхпроцессамиокисления/растворения при наличии магнитного поля, оказались такжечрезвычайно актуальными. Анализ этих процессов возможен путемхимического травления тонкопленочных систем в магнитном поле споследующим изучением их физических свойств.Результаты ранее проведенных исследований ультратонких пленок имногослойных систем позволили решить ряд проблем физики магнитныхявлений.

В частности, существенно расширились представления о влиянииграницы раздела между магнитной пленкой и подложкой, а также междумагнитными и немагнитными слоями на формирование кинетических,магнитных и магнитооптических свойств тонкопленочных магнитныхструктур. Исследовано влияние микроструктуры подложки (морфологии ееповерхности и ориентации кристаллографических осей зерен) на магнитныесвойства тонких пленок.

Вместе с тем на начало выполненных в даннойработеисследованийпо-прежнемуактуальнойоставаласьпроблемаэкспериментального изучения влияния толщины и состава магнитных инемагнитных слоев (МС и НМС) на магнитные свойства тонкопленочныхмагнитныхсистем.Проведениетаких6исследованийспособствовалорешению фундаментальных задач физики магнитных явлений: установлениюособенностеймагнитнойанизотропиивТПМС,изучениювлияниянемагнитных слоев между магнитными слоями (или магнитной пленкой иподложкой), а также влияния обменного взаимодействия между магнитнымислоямисубмикроннойтолщинычерезнемагнитнуюпрослойкунамагнитополевое поведение этих систем.Помимо фундаментального научного интереса ТПМС привлекают ксебе внимание и перспективами их широкого практического использования вразличных устройствах современной микро- и наноэлектроники [16 - 18].В частности, ТПМС используются в качестве сред для высокоплотноймагнитной записи, в том числе и магнитооптической.

Как уже указывалосьвыше, на их основе создаются датчики магнитных полей, по целому рядухарактеристик (особенно в области малых полей) превосходящие другиеподобныеустройства.Примеромтакогопримененияявляютсятонкопленочные магнитные головки для записи-считывания высокоплотноймагнитной записи.Изложенное выше позволяет утверждать, что исследование влияниятолщины магнитных и немагнитных слоев на магнитополевое поведение имагнитныесвойстваТПМС,атакжемагнитохимическихявлений,обусловленных процессами окисления тонкопленочных магнитных системпри наличии магнитного поля, является актуальным как с научной, так и спрактической точки зрения.Целью данной диссертационной работы было исследование влияниятолщины и состава магнитных и немагнитных слоев в трехслойныхFe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNi образцах на их магнитополевоеповедениеимагнитныесвойства,атакжеизучениевлияниямагнитохимической обработки FeN тонкопленочных систем при наличии7магнитного поля разной ориентации и величины относительно плоскостиобразцов на морфологию их поверхности и магнитные характеристики .Для достижения указанной цели решались следующие задачи:1.Изучение влияния толщины магнитных и немагнитных слоев намагнитные свойства (поле насыщения HS, коэрцитивную силу HC)Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNi образцов.2.Изучение влияния толщины магнитных и немагнитных слоев намагнитополевое поведение Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNiобразцов.3.Изучение влияния химической обработки FeN тонкопленочныхсистем при наличии магнитного поля различной напряженности иориентацииотносительноплоскостиобразцовнаихмагнитныехарактеристики.4.Изучение влияния химической обработки FeN тонкопленочныхсистем без магнитного поля и при наличии магнитного поля различнойнапряженностииориентацииотносительноплоскостиобразцовнаприповерхностную морфологию образцов.Научная новизна работы состоит в следующем:1.Установленыособенностимагнитополевогоповедениятрехслойных Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co и FeNi/Ti/FeNi тонкопленочныхобразцов с изменением толщины немагнитного слоя.2.Обнаружены осцилляции поля насыщения, HS, трехслойныхFe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co тонкопленочных систем при изменении толщинынемагнитного слоя с периодом, зависящим от толщины магнитного слоя.3.Установлены зависимости локальных значений поля насыщенияи коэрцитивной силы химически обработанных FeN тонкопленочных8образцовотвеличиныинаправлениявнешнегомагнитногополя,приложенного в процессе их травления.4.Обнаруженоусилениеприповерхностнойшероховатостихимически обработанных FeN тонкопленочных образцов по сравнению сисходными образцами с ростом величины магнитного поля, приложенного впроцессе их химической обработки.Практическая ценность работыРезультаты исследований влияния толщины и состава, а такжехимическойобработкитонкопленочныхмагнитныхсистемнаихструктурные и магнитные свойства позволяют дать научно обоснованныерекомендации получения ТПМС с магнитными свойствами, требуемыми дляих дальнейшего практического применения в различных устройствах микрои наноэлектроники, а также спинтроники.Основные положения, выносимые на защиту:1.Толщина немагнитного слоя влияет на магнитополевое поведениеизучаемых Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co тонкопленочных систем.

Поленасыщения трехслойных Fe/Ta, Mo, Zr/Fe, Co/Mo/Co образцов осциллируетпо величине с изменением толщины немагнитной прослойки с периодомосцилляций, зависящим от толщины магнитного слоя.2.Величины поля насыщения и коэрцитивной силы трехслойныхFeNi/Ti/FeNi образцов зависят от толщины титановой прослойки.3.Различияприповерхностныхлокальныхзначенийполянасыщения и коэрцитивной силы исходных FeN тонкопленочных образцовне превышают 5 %.