Диссертация (1103627), страница 12
Текст из файла (страница 12)
В случае ферромагнитного обмена между магнитнымислоями процессы перемагничивания трехслойных тонкопленочных структурв целом аналогичны процессам перемагничивания однослойных пленок имогутосуществлятьсязасчетнеобратимого79ростазародышейперемагничивания. При этом, согласно вышеприведенным данным, формапетель гистерезиса для тонкопленочных структур с ферромагнитнымобменом совпадает с формой петель гистерезиса, наблюдаемой для образцовбез обменного взаимодействия. Вследствие этого мы не можем корректноопределить зависимость J от толщины немагнитного слоя.Что касается экспериментально найденных значений Λ для изучаемыхтрехслойных структур, то оказалось, что они имеют достаточно большиезначения. К началу проведения наших исследований было изучено многоразличных многослойных систем таких, как Fe/Cu [118], Fe/Mo [119], Fe/Cr[120], Co/Ru [116, 121], Co/Cu [122], в которых также были обнаруженыосцилляции обменного взаимодействия с периодичностью порядка 1 нм.Вместе с тем, согласно существующим представлениям [65, 87, 123], приобмене между слоями за счет РККИ-взаимодействия значение Λ должнобыть порядка π/kF (kF – волновой вектор Ферми), которое для большинстваметаллов равно 0.3 – 0.4 нм.Обнаруженные в данной работе значения Λ больше, чем π/kF.
Этосвидетельствует о том, что теоретические оценки этого параметра должныбыть выполнены с учетом квантового размерного эффекта [56, 74], то есть,как отмечалось выше, должно быть принято во внимание изменениеэлектронной структуры ультратонкого магнитного слоя (появление такназываемых Quantum Well States (QWSs)) по сравнению с объемнымматериалом. В этом случае период осцилляций Λ, согласно существующимрасчетам, должен быть равен π/(kBZ - kF), где kBZ – значение волновоговектора к границе зоны Бриллюэна в направлении, перпендикулярномповерхности пленки. Рассчитанное значение Λ с учетом появления QuantumWell States равно 1 – 1.2 нм.
Таким образом, только с учетом РККИвзаимодействия и изменения электронной структуры ультратонких слоев посравнению с объемным материалом (появление QWSs) возможно объяснение80наблюдаемогопериодаосцилляцийполянасыщениявизучаемыхтонкопленочных системах.Вместе с тем следует указать, что короткий период осцилляций полянасыщения (Λ ~ 0.3 – 0.4 нм) был обнаружен в образцах Fe/Au [124], Fe/Mo[125], Fe/Ag [126] с клинообразной формой магнитного слоя, полученных спомощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Для иллюстрации этогофакта представлен рисунок 3.16.Рис. 3.16 Доменная структура образца 50 нм Со/(х grad h) Cu клин/50 нм Со;x = 0 - 3.5 мм; grad h = 1.7 нм/мм (а).
Схематическое изображение доменнойструктуры(б).Координатыантипараллельныхдоменовисоответствующая толщина клина Cu прослойки (в) [127].Следует отметить, что магнитные многослойные структуры являютсяматериалами,нашедшимиширокоепрактическоеприменениеприконструировании современных устройств микро- и наноэлектроники, что81обусловлено в первую очередь наблюдающимся для таких системосциллирующим магнитным взаимодействием между магнитными слоямичерез немагнитныйразделительный слой. Как описановыше, приопределенной толщине немагнитного слоя возможна антипараллельнаяориентация намагниченности в соседних магнитных слоях.
Именно для такойконфигурациимагнитныхмоментоввмногослойныхструктурахнаблюдалось гигантское магнитосопротивление (ГМС). В дальнейшем наоснове этого эффекта были созданы магниторезистивные считывающиеголовки [128]. Объяснение физической причины ГМС дано в работе [129].Что касается QWSs, учет которых позволил объяснить периодосциллирующего обменного взаимодействия между магнитными слоямичерез немагнитный разделительный, наблюдаемый для изучаемых образцов,то можно указать следующее. Прямое наблюдение QWSs в ультратонкихмагнитных пленках осуществляется с помощью метода фотоэмиссионнойспектроскопии. Так, в работе [130] с помощью метода фотоэмиссии QWSsнаблюдались для пленок железа, напыленных на Au(100) подложку.Аналогичные исследования были выполнены в работах [131 – 135].В принципе, метод фотоэмиссионной спектроскопии (микроскопии)позволяет регистрировать изменения электронной структуры образца при егопослойном напылении (как магнитного материала на немагнитный, так инаоборот) и определять период осцилляций плотности электронныхсостояний вблизи поверхности Ферми с изменением толщины магнитных инемагнитных слоев (см.
приведенные для иллюстрации рисунки 3.17 - 3.18).Фактически этим методом осуществляется прямое доказательство измененияэлектронной структуры ультратонких пленок по сравнению с объемнымматериалом.82Рис. 3.17 Фотоэмиссионные спектры ультратонких пленок меди накобальтовой и железной подложке [132]Рис. 3.18 Плотность электронных состояний вблизи поверхностиФерми для Cu/Co(100) образца83Выполненныепозжевработахфотоэмиссионные[136 - 149]исследования Quantum Well States показали, что QWSs являются спинполяризованными(см.приведенныйдляиллюстрацииэтогофактарисунок 3.19).Рис.3.19последовательномФотоэмиссионныенапылениимедиспектры,накобальтнаблюдаемыеспомощьюприспин-поляризованных электронов (minority-spin – спин вниз , majority –spin – спинвверх)Из рисунка 3.19 можно видеть, что изменения фотоэмиссионныхспектров при увеличении толщины меди наблюдается только в случае«minority-spin».Взаключениеследуетуказать,чтоданныепоизучениюфотоэмиссионных спектров для изучаемых нами образцов отсутствуют внаучных публикациях.
В результате мы не могли сравнить найденные в84данной работе значения Λ для изучаемых образцов с данными, полученнымис помощью вышеуказанного метода.3.2эффектаРезультатыКерраотисследованиятолщинызависимостинемагнитныхэкваториальногослоевтрехслойныхFe/Zr, Mo, Ta/Fe и Co/Mo/Co образцовКак было указано выше, измерения магнитных характеристикизучаемых образцов были выполнены с помощью экваториального эффектаКерра (ЭЭК). Остановимся на зависимости величины экваториальногоэффекта Керра () от толщины немагнитных слоев. Результаты этихизмерений представлены на рисунках 3.20 - 3.22.Рис.
3.20 Зависимость величины ЭЭК от толщины немагнитногослоя, наблюдаемая для Fe/Мо/Fe (а) и Fe/Zr/Fe (б) трехслойных образцов сtFe = 2,5 нм в магнитном поле, приложенном вдоль направления D185Рис. 3.21 Зависимость величины ЭЭК от толщины немагнитногослоя, наблюдаемая для Fe/Та/Fe трехслойных образцов с tFe = 10 нм вмагнитном поле, приложенном вдоль направления D1Рис. 3.22 Зависимость величины ЭЭК от толщины немагнитногослоя, наблюдаемая для Cо/Мо/Со трехслойных образцов с tСо = 2,5 нм и 5 нмв магнитном поле, приложенном вдоль направления D1Анализ приведенных выше данных показывает, что величина ЭЭК визучаемых тонкопленочных системах зависит от толщины как магнитных,так и немагнитных слоев.
Объяснение полученных данных состоит вследующем. Как было описано выше, согласно существующим данным [150],магнитооптическийэффектКеррачувствителенкнамагниченностиприповерхностного слоя определенной толщины, соответствующей глубинепроникновения света в среду – tпр. В соответствии с принятым в оптических86исследованияхположениемзначениеtпропределяетсятолщинойприповерхностного слоя, при которой амплитуда падающей волны припрохождении среды уменьшается в е раз. Это значение можно рассчитать поформуле:tпр = /4 ,где - длина волны падающего света, - коэффициент поглощения среды.Несколько позже в работе [151] было доказано, что при корректномрасчетевместоtпрврядеслучаевнеобходимоввестипонятие«информационная глубина формирования магнитооптического сигнала», tинф.Было показано, что для сильно поглощающих сред (к которым относятсяизучаемые образцы) значение tинф совпадает с tпр, а для прозрачных – ониразличаются, в частности, tинф = /8n, где n – показатель преломления среды.Практически одновременно с этими расчетами на кафедре магнетизмафизического факультета МГУ была экспериментально изучена зависимостьмагнитооптическогосигналаоттолщинымагнитнойпленки.Былоустановлено, что значение ЭЭК линейно увеличивается с ростом толщинымагнитной пленки, tM, вплоть до некоторого критического значения tMcrit [72].При tM > tMcrit значение ЭЭК практически не изменяется.
Фактически tMcritявляетсяинформационнойглубинойtинф(depthsensitivity)магнитооптических сигналов. Измерения спектральных зависимостей ЭЭКдля пленок железа и кобальта позволили экспериментально оценить tинф.Было найдено, что в области энергии квантов падающего света 1.5 < ћ < 4.5 эВзначение tинф ≈ 30 - 20 нм. Кроме того, следует также отметить, что значениеtинф многослойных структур может быть теоретически рассчитано с помощьюдостаточно трудоемкого матричного метода, учитывающего многократноеотражение светового луча от интерфейсов. В этом случае величинамагнитооптическогоэффектатонкопленочныхсистемопределяетсямагнитооптическими вкладами всех слоев многослойного образца. В87результате измеряемый Керр-сигнал представляет собой суперпозициювкладов от различных глубин образца, которые различаются по фазе всоответствии с комплексной функцией глубины проникновения.
Такимобразом, значение tинф и Керр-сигнал (в частности, ЭЭК) определяетсямногократным отражением падающего света от интерфейсов многослойноготонкопленочного образца.Описанные выше измерения кривых намагничивания и петельгистерезиса были выполнены с использованием синего фильтра. В этомслучае tинф ≈ 25 нм. Полная толщина изучаемых трехслойных образцовменьше tинф. Это означает, что уменьшение толщины магнитного слоядолжно сопровождаться уменьшением ЭЭК. Сравнение значений ЭЭК,полученных для изучаемых тонкопленочных систем, показало следующее. Втрехслойных Fe/Zr, Мо/Fe образцах с толщиной магнитных слоев, равной2.5 нм, и tZr, Мо = 0.5 нм значения ЭЭК примерно в четыре раза меньше, чем вFe/Та/Fe образцах с tFe = 10 нм и tТа = 0.5 нм.
Кроме того, во всех изучаемыхобразцах наблюдается уменьшение ЭЭК с ростом толщины немагнитногослоя (см. рисунки 3.20, 3.21). Аналогичные результаты были получены длятрехслойных Со/Мо/Со тонкопленочных систем (см. рисунок 3.22).Короткое объяснение полученных данных состоит в следующем.Увеличение толщины немагнитного слоя при фиксированной толщинемагнитного сопровождается уменьшением объемного отношения магнитнойфазыкнемагнитной.Врезультатемагнитооптический сигнал уменьшается.88вкладмагнитнойфазыв3.3 Результаты исследования структурных и магнитных свойстводнослойных FeNi и трехслойных FeNi/Ti/FeNi образцовСтруктурные исследования FeNi и FeNi/Ti/FeNi образцов быливыполнены рентгеновским методом с использованием CuKα-излучения.Дифракционные спектры, наблюдаемые для FeNi пленок, представлены нарисунке 3.23.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
