Автореферат (1103626), страница 3
Текст из файла (страница 3)
С целью корректного изученияявлений, наблюдаемых в многослойных магнитных системах, в частности, обменноговзаимодействия между магнитными слоями через немагнитный разделительный слой,исследования были выполнены на трехслойных тонкопленочных образцах, состоящихиз двух магнитных слоев одинаковой толщины и изменяющейся по толщиненемагнитной прослойки. Это позволило исключить влияние интерфейсов наизучаемые характеристики.Магнитные свойства тонкопленочных Fe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co систем былиизмерены на магнитооптическом магнитометре, описанном во 2-й главе, с помощьюЭЭК.
Измерения кривых намагничивания и петель гистерезиса были выполнены придвух ориентациях внешнего магнитного поля, приложенного параллельно поверхностиизучаемых образцов. В одном случае магнитное поле совпадало с направлениеммагнитного поля, приложенного в процессе напыления образцов, а в другом – былоперпендикулярно этому направлению (далее на рисунках обозначены как D1 и D29соответственно).Данные, полученные при измерении кривых намагничивания и петельгистерезиса для изучаемых образцов, свидетельствовали о наличии наведеннойплоскостной магнитной анизотропии (МА) с осями легкого и трудногонамагничивания (сонаправлены с D1 и D2 соответственно).
Причиной появленияплоскостной магнитной анизотропии в изучаемых системах является внешнеемагнитное поле, приложенное параллельно плоскости подложки в процессеизготовления образцов. В настоящее время предполагается, что наиболее вероятныммеханизмом возникновения наведенной магнитной анизотропии является парноеупорядочение атомов [19].Было найдено, что петли гистерезиса для всех изучаемых образцов, измеренныевдоль оси трудного намагничивания, имеют так называемый безгистерезисный вид спрактическинулевымизначениямикоэрцитивнойсилыиостаточнойнамагниченности.
Для иллюстрации на рисунке 1 приведена типичная петлягистерезиса, наблюдаемая для трехслойных образцов в магнитном поле, приложенномвдоль оси трудного намагничивания (направление D2).Рис. 1 Типичная петля гистерезиса, наблюдаемая для трехслойных образцов вмагнитном поле, приложенном вдоль D2 направленияВместе с тем было обнаружено, что петли гистерезиса, измеренные вмагнитном поле, приложенном параллельно оси легкого намагничивания, зависят оттолщины немагнитной прослойки. В частности, существуют трехслойныетонкопленочные системы с толщиной немагнитных слоев, при которых петлигистерезиса имеют почти прямоугольную форму, а при других толщинах немагнитногослоя наблюдаются петли гистерезиса более сложной формы (см.
приведенные дляиллюстрации рисунки 2 и 3).10Рис. 2 Петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных образцов Fe/Мо/Fe иFe/Ta/Fe с tFe=2.5 нм, tМо = 0.5 нм (а) и tTa = 0.4 нм (б), наблюдаемые в магнитномполе, приложенном вдоль оси легкого намагничивания (направление D1)Рис. 3 Петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных образцов Fe/Zr/Fe сtFe=2.5 нм и tZr = 1.2 нм (a), tZr = 3 нм (б), наблюдаемые в магнитном поле,приложенном вдоль оси легкого намагничивания (направление D1)Измеренные петли гистерезиса для Fe/Zr, Мо, Ta/Fe образцов позволилиполучить зависимости поля насыщения от толщины немагнитных слоев приориентации магнитного поля вдоль ОЛН (направление D1). Типичные зависимостиполя насыщения от толщины немагнитного слоя при tFe = 2.5 нм представлены нарисунке 4.Рис.
4 Зависимости поля насыщения HS от толщины молибденового слояtМо (а) и танталового слоя tТа (б), наблюдаемые для трехслойных систем Fe/Мо/Fe иFe/Та/Fe с tFe=2.5 нм в магнитном поле, приложенном вдоль оси легкогонамагничивания (D1 направление)11Аналогичные зависимости поля насыщения от толщины немагнитного слоябыли получены для Fe/Zr/Fe трехслойных систем, а также для Fe/Ta/Fe образцов сtFe = 5 и 10 нм и Со/Мо/Со образцов с толщиной кобальтового слоя, равной 2.5 и 5 нм.Для иллюстрации на рисунке 5 приведены зависимости НS(tМo), наблюдаемые дляСо/Мо/Со образцов.Рис. 5 Зависимости поля насыщения HS от толщины молибденового слоя,наблюдаемые для трехслойных систем Со/Мо/Со в магнитном поле, приложенномвдоль оси легкого намагничивания (D1 направление): tСо = 2.5 нм (а) и tСо = 5 нм (б)Анализ данных, приведенных на рисунках 4 и 5, показывает, что поленасыщения HS тонкопленочных систем осциллирует по величине с изменениемтолщины немагнитного слоя.
Максимальное значение HS уменьшается с ростомтолщины немагнитной прослойки. Расстояние Λ между ближайшими максимумами накривых HS(tМo, Та) зависит от толщины магнитного слоя. Для наглядности в таблице 1представлена информация о найденных значениях Λ для изучаемых образцов.Таблица 1. Значения Λ, экспериментально найденные для трехслойных системFe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/CoИсследуемые образцыТолщина магнитного слоя, нмЗначения Λ, 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/Fe101.612Объяснение приведенных выше результатов состоит в следующем.
Согласносуществующим экспериментальным данным, полученным для тонкопленочных системс другими немагнитными слоями [20], а также расчетам, выполненным в работе [21],двухступенчатые петли гистерезиса, наблюдаемые для трехслойных образцов,свидетельствуют об антипараллельной ориентации намагниченности в магнитныхслоях и, соответственно, об антиферромагнитной обменной связи междуферромагнитными слоями через немагнитную прослойку. В связи с этим зависимостиHS(tZr, Mo, Ta) были объяснены наличием обменного взаимодействия междуферромагнитными слоями через немагнитную прослойку и его осцилляционнымповедением с изменением толщины немагнитного слоя (переход от ферромагнитного(Ф) к антиферромагнитному (АФ) взаимодействию).
Таким образом, в изучаемыхтрехслойных системах в зависимости от толщины немагнитного слоя существуетпараллельная (Ф упорядочение) и антипараллельная (АФ упорядочение) ориентациянамагниченности в соседних магнитных слоях. При этом следует иметь в виду, чтовозможна также ориентация намагниченности в соседних магнитных слоях, отличнаяот 0о (Ф обмен) и 180о (АФ обмен), то есть возможно существование так называемыхнеколлинеарных структур. Именно благодаря этому наблюдаются столь различныепетли гистерезиса для изучаемых образцов. В частности, для образцов с АФ обменомнаблюдаются петли гистерезиса, аналогичные приведенной на рисунке 3(а), а дляобразцов с неколлинеарной ориентацией намагниченности в соседних магнитныхслоях – петли, аналогичные приведенной на рисунке 3(б).Экспериментально найденные значения Λ для изучаемых трехслойныхобразцов составляют порядка 1- 1.2, 1.2 -1.4 и 1.6 нм при толщине магнитного слоя,равной 2.5, 5 и 10 нм соответственно.
К началу проведения наших исследований былоизучено много различных многослойных систем, таких как Fe/Cu [24], Fe/Mo [25],Fe/Cr [26], Co/Ru [27], Co/Cu [28], в которых также были обнаружены осцилляциимежду АФ и Ф обменом с периодом порядка 1 нм. Вместе с тем, согласносуществующим представлениям [29, 30], в случае, если обмен между слоямиобусловлен РККИ-взаимодействием, значение Λ должно быть порядка π/κF (κF –волновой вектор Ферми), которое для большинства металлов порядка 0.3 – 0.4 нм.Обнаруженные нами значения Λ больше, чем π/κF. Это свидетельствует о том, чтотеоретические оценки этого параметра должны быть выполнены с учетом квантовогоразмерного эффекта [31, 32], то есть должно быть принято во внимание изменениеэлектронной структуры ультратонкого магнитного слоя (появление так называемыхQuantum Well States (QWSs)) по сравнению с объемным материалом.
В этом случаерассчитанное значение Λ равно 1 – 1.2 нм. Таким образом, только с учетом РККИвзаимодействия и изменения электронной структуры ультратонких слоев посравнению с объемным материалом (появление QWSs) возможно объяснениенаблюдаемого периода осцилляций поля насыщения в изучаемых тонкопленочныхсистемах.13В работах [22, 23] было показано, что значение поля насыщения в образцах сАФ обменом может быть оценено по формуле:HSAF 4JАF / MStM,где JАF – постоянная АФ обмена, tM – толщина магнитного слоя, MS – намагниченностьнасыщения магнитного слоя.Приведенное соотношение свидетельствует о том, что значение HSAF в образцахс АФ обменом должно уменьшаться с увеличением толщины магнитного слоя.Результаты выполненных в данной работе измерений действительно показали такоеизменение значений HSAF с ростом толщины магнитного слоя.Магнитные многослойные структуры являются материалами, нашедшимиширокое практическое применение при конструировании современных устройствмикро- и наноэлектроники, что обусловлено в первую очередь наблюдающимся длятаких систем осциллирующим обменным взаимодействием между магнитными слоямичерез немагнитный разделительный слой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
