Диссертация (1103627), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Обменное взаимодействиемежду электронами может быть описано феноменологически. Эффективноеэлектростатическое взаимодействие между двумя электронами зависит ототносительной ориентации их магнитных моментов (спинов). В моделиГейзенберга спин-зависимое взаимодействие принимается изотропным изависящим только от расстояния между взаимодействующими ионами.Таким образом, если ионы i и j атомов, отделенные друг от другарасстоянием rij, имеют спины Si и Sj соответственно, обменная энергиявыражается соотношением [22]:H = - ∑JijSi∙Sj,где Jij – обменный интеграл. Помимо модели магнитоупорядоченныхкристаллическихвеществГейзенбергачастоиспользуетсяописание,основанное на зонной модели металла (модель Стонера) [23, 24], гдеобменнаяэнергияпропорциональногоопределяетсяизобменногонамагниченности.расщепленияПоследнеезон,утверждениеэкспериментально доказано в работах [25, 26] для классических переходныхметаллов, таких как Fe, Co и Ni.
Вообще говоря, обменная энергия являетсяисточником магнитного порядка, проявляющегося в случае ферромагнетизмав параллельной ориентации спинов.Кроме того, рассматриваются другие виды энергий:- энергия магнитной анизотропии, которая возникает в основномблагодаря спин-орбитальному взаимодействию (а поэтому являетсятакже квантовым релятивистским эффектом);- классическаямагнитостатическаяэнергия,определяемаядиполь-дипольным взаимодействием;- энергия взаимодействия с внешним магнитным полем (эффект Зеемана);17- магнитоупругая энергия.Несмотря на то, что обменная энергия (порядка 0.1 эВ/атом) многобольше, чем магнитоупругая энергия (~ 0.1 мэВ/атом) и энергиямагнитной анизотропии (~10 мкэВ/атом), две последние являются наиболееважными в макроскопических образцах при измерениях, превышающиххарактеристические длины, которые будут определены ниже.
Такие длиныполучаются естественным образом из классических выражений дляразличных видов энергий. В непрерывном пределе плотность обменнойэнергии за счет непараллельного выстраивания спинов для кубического илиизотропного материала записывается в виде [27 - 29]:еех = А(m)2,где А – обменная константа, а m = M/MS – единичный векторнамагниченности, MS - намагниченность насыщения.Энергиямагнитнойнамагниченностисимметриейсосямианизотропиисвязываетнаправлениесимметрииикристаллическойкристаллическойрешетки.обладаетМикроскопическимагнитокристаллическая анизотропия обусловлена спин-орбитальным имагнитодипольнымкубическоговзаимодействиямикристаллов[30 - 33].плотностьэнергииДляодноосногоанизотропиииобычноописывается как:euni = Ku(1-α32) + Ku'(1-α32)2 + …,ecub = K1∑i>jαi2αj2 + K2α12α22α32 + …,где αi – направляющие косинусы намагниченности, Ku, K1 и K2 – константыодноосной и кубической магнитной анизотропии.Другой вклад в анизотропию, который особенно важен прирассмотрениианизотропияультратонких(впервыепленок-рассмотренная18этоповерхностнаяНеелем),магнитнаявозникающаяиз-занарушения симметрии на поверхности.
Величина плотности энергииповерхностноймагнитнойанизотропиивтонкихпленкахпорядка0.1 – 1 эрг/см2 (0.6·1011 - 6·1011 эВ/см2).Наконец, плотность магнитостатической энергии может быть описанаследующим образом:ems = 2πHd∙M,гдеHd–магнитодипольное поле, определяемое израспределениянамагниченности в образце.Минимизацияполнойэнергии,задаваемойвышеописаннымисоотношениями, в работе [21] позволяет получить две характеристическиедлины, а именно длину обменного взаимодействияlex = (A/2πMS2)1/2и ширину доменной стенкиldw = (A/K)1/2,где A - обменный параметр, K - константа магнитной анизотропии.ВмикромагнитнойХерцером [34],ультратонкойтеорииферромагнетиков,магнитнойпленкойпредложеннойназываетсяслойферромагнитного материала, толщина которого равна или меньше длины,определяемой соотношением:Lоб = (A/K1)1/2,где A - обменный параметр, K1 - константа кубической магнитнойанизотропии.Приведенныевышехарактеристическиедлиныоказалисьчрезвычайно важными при рассмотрении модели случайной магнитнойанизотропии в нанокристаллических магнитомягких материалах [34].
В этойработе предполагалось, что указанные выше материалы состоят из гранул,19размер D которых меньше обменной длины Lоб ~ (A/K1)1/2.Известно, что при D >> Lоб обменное взаимодействие междукристаллитами мало. В результате распределение намагниченности вкристаллитеопределяетсяанизотропией,аегофункцияполикристаллическомобразцемагнитнойраспределенияповторяеткристаллографическойнамагниченностираспределениелегкихвосейкристаллитов. В данном случае магнитные свойства пленок определяютсязакреплением(пиннингом)доменныхграницнаграницахразделакристаллитов, и, как показано, например, в работе [33], величинакоэрцитивной силы обратно пропорциональна размеру кристаллитов:НС (АK1)1/2 / MS D.При D << Lоб обменное взаимодействие между кристаллитамиусиливается и подавляет магнитную кристаллографическую анизотропиюотдельныхкристаллитов.Вследствиеэтоголокальнаяанизотропиякристаллитов усредняется по всему объему поликристаллического образца.
Всоответствии с моделью случайной магнитной анизотропии, предложеннойХерцером [34] для конечного числа N кристаллитов, всегда существуетнекотороелегкоенаправление,определяемоестатистическимифлуктуациями магнитного момента. При этом эффективная магнитнаяанизотропия рассчитывается путем усреднения по N кристаллитам внутриобъема,равногоV = Lоб3.Дляэффективнойконстантымагнитнойанизотропии было получено следующее выражение, справедливое не толькодля случая одноосной магнитной анизотропии:Кэфф К14D6 / А3.Поскольку обычно коэрцитивная сила определяется соотношением:HC K/MS,то в данном случае:20HC Kэфф/MS = К14D6 / MS А3.В настоящее время исследования ультратонких пленок и их широкоепрактическое применение в информационных технологиях внесли серьезныйвклад в наше понимание физики магнитных явлений в этих материалах[35 - 38]. Это особенно проявилось после открытия эффекта гигантскогомагнитосопротивления, обнаружение которого способствовало созданиюряда практических устройств и, в первую очередь, магниторезистивныхсчитывающих головок.1.2 Способы получения магнитных пленокЭкспериментальная проверка существующих теорий достаточнодолгое время являлась проблематичной из-за практических трудностейполучения достаточно качественных образцов тонких пленок.
В настоящеевремя наиболее распространенными методами получения тонких пленокявляются следующие:-термальное испарение;-молекулярно-лучевая эпитаксия;-ионно-плазменное напыление;-магнетронное распыление;-электролитическое (электрохимическое) осаждение;-химическое осаждение.Известно, что свойства тонких магнитных пленок зависят оттемпературы испарения и температуры подложки, степени вакуума, чистотыподложки, скорости и угла падения молекулярного (атомного) пучка наподложку.
Подробно условия получения и способы оптимизации процессаизготовления тонких пленок (а именно электрохимического осажденияпленок) описаны, например, в обзоре [39].21В течение последних лет за счет развития вакуумной техники иприменения высокотехнологичных насосов с криогенными ловушкамиудалось добиться значительного прогресса в получении пленок. Установки,используемые для изготовления тонкопленочных образцов, имеют, какправило, вакуум вплоть до 10-9 – 10-11 торр (1 торр=133,3 Па). При такихтехнологических параметрах стало возможным получение совершенныхобразцов с очень малой толщиной (вплоть до одного монослоя), обладающихпрактически всеми свойствами объемного магнетика, а именно спонтаннойнамагниченностью, петлей гистерезиса, остаточной намагниченностью.1.3 Особенности магнитных свойств тонкопленочных магнитныхструктур и методы их исследованияВсефизическиеявления,проявляющиесявмногослойныхтонкопленочных структурах, можно классифицировать следующим образом:- эффекты, обусловленные наличием границ раздела между слоями ивзаимным влиянием двух различных материалов (интерфейсные явления);- явления,характерныедлятонкойоднослойнойпленки,обусловленные нарушением структурной непрерывности в одном изгеометрическихнаправлений(классическийиквантовыйразмерныеэффекты);- магнитноевзаимодействиеферромагнитныхслоевчерезнемагнитную прослойку;- эффекты, обусловленные особенностями геометрии сверхрешеток,поэтому только для них и характерные.Остановимся на некоторых свойствах ТПМС и явлениях, которыезаслуживают наибольшего внимания.В работе [40] было показано, что при приближении к монослойномудиапазону толщин магнетика (монослой - единичный, плотно упакованный22слой атомов или молекул) происходит радикальное изменение его магнитныхсвойств.
В частности, магнитный момент падает по сравнению с объёмнойструктурой, и при температуре, отличной от нуля, отсутствует какферромагнитное, так и антиферромагнитное упорядочение (известнаятеорема Mermin-Wagner). Вместе с тем, несколько позже в работах [41 – 43]были доказаны следующие факты. В двумерных системах дальниймагнитный порядок существует даже при комнатных температурах, то естьСо и Fe-плёнки с объемно-центрированной структурой толщиной вплоть доодного монослоя являются ферромагнитными и характеризуются типичнымипетлямигистерезиса.Анизотропия,появляющаясяиз-занарушениятрансляционной симметрии, не приводит к ориентации спинов вне плоскостимонослоя.Вообщеговоря,вопрособанизотропиитонкихпленокрассматривался во многих экспериментальных и теоретических работах.Оказалось, что наличие плоскостной или перпендикулярной анизотропиизависит от ряда условий.
Ниже приведены заслуживающие внимания данные.В настоящее время доказано, что тонкие магнитные пленки имногослойныеметаллическиесистемы,состоящиеизчередующихсямагнитных (Fe, Co, Ni) и немагнитных (Cr, Cu, Ag, Pd, Pt, Au и др.) слоев,могутиметьразличныйтипмагнитнойанизотропии.Согласносуществующим экспериментальным данным, магнитные пленки могутобладать перпендикулярной магнитной анизотропией, несмотря на сильнуюанизотропию формы. На тип магнитной анизотропии, то есть на ориентациюоси легкого намагничивания (ОЛН) в тонкопленочных образцах оказываютсильное влияние такие факторы, как условия, при которых формируетсямассив пленки, ее кристаллическая структура, а также ее толщина иморфологияподложки.Уместносказать,чтоориентацияОЛНвопределенном направлении в плоскости пленки может быть задана спомощьюмагнитногополя(порядканесколькихдесятковэрстед),приложенного во время осаждения пленки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
