Диссертация (Магнитооптическое исследование магнитных свойств низкоразмерных тонкопленочных систем на основе железа и кобальта), страница 11

рисунок 3.5).Рис. 3.5 Типичная петля гистерезиса, наблюдаемая для трехслойныхобразцов в магнитном поле, приложенном вдоль D2 направления69Вместе с тем было обнаружено, что петли гистерезиса, измеренные вмагнитном поле, приложенном параллельно оси легкого намагничивания,зависят от толщины немагнитной прослойки.

Было найдено, что существуюттрехслойные тонкопленочные системы с толщиной немагнитных слоев, прикоторых петли гистерезиса имеют характерную для таких образцовпрямоугольную форму, а при других толщинах немагнитного слоянаблюдаются петли гистерезиса более сложной формы. Для иллюстрацииэтого факта на рисунках 3.6  3.8 представлены петли гистерезиса,наблюдаемые для трехслойных систем с толщиной слоев железа, равной2.5 нм, и различными толщинами немагнитных слоев.Рис.

3.6 Петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных Fe/Мо/Feи Fe/Ta/Fe образцов с tFe=2.5 нм, tМо = 0.5 нм (а) и tTa = 0.4 нм (б) приориентациимагнитногополя,приложенногонамагничивания (D1 направление)70вдольосилегкогоРис. 3.7 Петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных Fe/Ta/Feи Fe/Мо/Fe образцов с tFe=2.5 нм, tMo = 0.7 нм (а) и tTa = 0.8 нм (б),наблюдаемыевмагнитномполе,приложенномвдольосилегкогонамагничивания (D1 направление)Рис. 3.8 Петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных Fe/Zr/Feобразцов с tFe=2.5 нм и tZr = 1.2 нм (a), tZr = 3 нм (б), наблюдаемые вмагнитномполе,приложенномвдоль(D1 направление)71осилегкогонамагничиванияИзмеренияпетельгистерезисадляFe/Zr, Мо, Ta/Feобразцовпозволили получить зависимость поля насыщения от толщины немагнитныхслоев при ориентации магнитного поля вдоль ОЛН (направление D1).НайденныезависимостиHS(tZr),HS(tMo)ипредставленыHS(tTa)нарисунках 3.9 - 3.11.Рис.

3.9 Зависимость поля насыщения HS от толщины циркониевогослоя tZr, наблюдаемая для трехслойной системы Fe/Zr/Fe с tFe=2.5 нм вмагнитномполе,приложенномвдольосилегкогонамагничивания(D1 направление)Рис.3.10ЗависимостьполянасыщенияHSоттолщинымолибденового слоя tМо, наблюдаемая для трехслойной системы Fe/Мо/Fe сtFe=2.5 нмвмагнитномполе,приложенномнамагничивания (D1 направление)72вдольосилегкогоРис. 3.11 Зависимость поля насыщения HS от толщины танталовогослоя tTa, наблюдаемая для трехслойной системы Fe/Та/Fe с tFe=2.5 нм вмагнитномполе,приложенномвдольосилегкогонамагничивания(D1 направление)Из рисунков 3.9 - 3.11 можно видеть, что поле насыщения HSизучаемых тонкопленочных систем осциллирует по величине с изменениемтолщины немагнитного слоя.

При этом максимальное значение HSуменьшается с ростом толщины немагнитной прослойки. Расстояния междуближайшими максимумами на кривых HS(tZr,Мo, Та),Λ, порядка 1.2 и 1.0 нмсоответственно для Fe/Zr, Та/Fe и Fe/Mo/Fe трехслойных тонкопленочныхобразцов с толщиной железного слоя, равной 2.5 нм.Сцельюболееглубокогопониманиявышеописанногоэкспериментального факта было исследовано влияние толщины магнитногослоя на осцилляционное поведение поля насыщения в аналогичных покомпозиции трехслойных образцах, но с другими толщинами магнитныхслоев.

Результаты этих измерений представлены на рисунке 3.12.73Рис. 3.12 Зависимости поля насыщения HS от толщины танталовогослоя, наблюдаемые для Fe/Ta/Fe трехслойных систем в магнитном поле,приложенном параллельно легкой оси намагничивания, tFe = 5 нм (леваяпанель) и tFe =10 нм (правая панель)Из рисунка 3.12 можно видеть, что значение HS трехслойных Fe/Ta/Feобразцов с tFe = 5 и 10 нм также осциллирует с изменением толщинынемагнитного слоя, но значения Λ порядка 1.4 и 1.6 нм при толщине слоевжелеза соответственно 5.0 и 10 нм.Аналогичные измерения были выполнены для Со/Мо/Со трехслойныхсистем. Результаты этих измерений приведены на рисунках 3.13 и 3.14.Рис.3.13Петлигистерезиса,наблюдаемыедляСо/Мо/Сотрехслойных магнитных систем с tCo = 5 нм и tMo = 0.5 нм (а) и 1 нм (б),наблюдаемыевмагнитномполе,намагничивания (D1 направление)74приложенномвдольосилегкогоРис.3.14ЗависимостиполянасыщенияHSоттолщинымолибденового слоя, наблюдаемые для Со/Мо/Со трехслойных образцов вмагнитном поле, приложенном параллельно оси легкого намагничивания (D1направление): tСо = 2.5 нм (а) и tСо = 5 нм (б)Из рисунков 3.13 и 3.14 можно видеть, что в магнитныхтонкопленочных системах на основе кобальта форма петли гистерезисатакжезависитоттолщинынемагнитнойпрослойки.Приэтомосциллирующий характер зависимости HS(tМо) сохраняется, а значение Λзависит от толщины кобальтового слоя.

В частности, Λ порядка 1.0 и 1.2 нмпри tСо = 2.5 и 5 нм соответственно. Для наглядности полученныхрезультатов представлена таблица 1, в которой отражена вся информация онайденных значениях Λ для изучаемых трехслойных систем.75Таблица1.ЗначенияΛ,экспериментальнонайденныедлятрехслойных систем Fe/Zr, Mo, Ta/ и Co/Mo/CoИсследуемые образцыТолщина магнитного слояЗначение Λ нмтрехслойного образца, нмFe/Zr/Fe2.51.0Fe/Mo/Fe2.51.0Fe/Ta/Fe2.51.2Со/Mo/Co2.51.0Fe/Ta/Fe5.01.4Co/Mo/Co5.01.2Fe/Ta/Fe101.6Объяснение приведенных выше результатов состоит в следующем.Согласно существующим экспериментальным данным, полученным длятонкопленочных систем с другими немагнитными слоями [69], а такжерасчетам,выполненнымвработе[115],двухступенчатыепетлигистерезиса, наблюдаемые для некоторых трехслойных образцов,свидетельствуют об антипараллельной ориентации намагниченности вмагнитных слоях и, соответственно, об антиферромагнитной обменнойсвязи между ферромагнитными слоями через немагнитную прослойку.

Дляиллюстрации расчетных данных работы [115] приведен рисунок 3.15.76Рис. 3.15 Характерные петли гистерезиса, наблюдаемые приразличнойвеличинеконстантыантиферромагнитногообменаJ.Схематически показана очередность переключения слоев.Таким образом, найденные зависимости HS(tZr, Mo, Ta) можно объяснитьналичием обменного взаимодействия между ферромагнитными слоями черезнемагнитную прослойку и его осцилляционным поведением с изменениемтолщинынемагнитногослоя(переходотферромагнитного(Ф)кантиферромагнитному (АФ) взаимодействию).

В результате в изучаемыхтрехслойныхсистемахвозможнапараллельная(Фупорядочение) иантипараллельная (АФ упорядочение) ориентация намагниченности всоседних слоях железа или кобальта.77Кроме того, следует иметь в виду, что в трехслойных образцахвозможна ориентация намагниченности в соседних слоях, отличная от 0 о (Фобмен) и 180о (АФ обмен), то есть возможно существование так называемыхнеколлинеарных структур. Именно благодаря этому наблюдаются стольразличные петли гистерезиса для указанных выше образцов.

В частности,было найдено, что для образцов с АФ обменом наблюдаются петлигистерезиса, приведенные на рисунках 3.7, 3.8 (а) и 3.13 (б), а для образцов снеколлинеарной ориентацией намагниченности в соседних магнитныхслоях – петли, приведенные на рис. 3.8 (б).В случае антиферромагнитного обмена между магнитными слоямивекторынамагниченностивсоседнихпленкахжелезаприН=0разнонаправлены, т.е. рассматриваемая тонкопленочная структура подобнаодноосному антиферромагнетику.

В образцах с АФ обменом поле насыщенияHS значительно больше, чем HS в образцах с ферромагнитным обменом, чтообусловленодополнительнымиантиферромагнитногообменазатратамимеждуэнергиимагнитныминапреодолениеслоями.Согласнорасчетам, выполненным в [116, 117], значение этого поля может бытьописано соотношением:HSгдеJАF–AF≈ 4JАF / MStM  JАF≈ HSконстантаАФобменногоAFMStM /4взаимодействиямеждумагнитными слоями, а tM и MS – толщина и намагниченность насыщениямагнитного слоя.Найденные зависимости HS(tZr,Mo, Ta)и приведенная выше формулапозволили оценить значения J для наших систем.

Результаты расчетов J дляFe/Zr/Fe и Fe/Mo/Fe с tFe = 2.5 нм и Co/Mo/Co с tCo = 2.5 нм приведены втаблице 2.78Таблица 2. Константы АФ обменного взаимодействия междумагнитными слоями, найденные для изучаемых трехслойных ТПМСИсследуемые ТолщинаобразцыJАF ·102 , эрг/см2Толщинамагнитного слоя немагнитного слоятрехслойноготрехслойногообразца tM, нмобразца tНM, нм1.11.92.11.30.71.11.71.00.50.421.50.352.5Fe/Zr/FeFe/Mo/FeCo/Mo/Co2.52.5Полученные значения J по порядку величины совпадает с J,найденными другими авторами для подобных тонкопленочных систем, номеньше J, найденных, например, для Fe/Cr и Co/Ru многослойныхтонкопленочных систем (J =  1 эрг/см2 и  5 эрг/см2 соответственно).Причиной этого может быть различие толщины магнитных слоев визучаемых нами трехслойных образцах и многослойных Fe/Cr и Co/Ruтонкопленочных системах.Наконец, следует остановиться на процессах перемагничиванияизучаемых образцов.