Диссертация (1103627), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Однако подобный способ23создания магнитной анизотропии не является единственным. Дальнейшиеисследования показали, что ориентация ОЛН в пленке зависит также оттемпературы ее получения. Так, в работе [44] показано, что в образцах,полученных при 100 К, ОЛН ориентирована перпендикулярно плоскостипленки, а в образцах с таким же составом, но полученных при 300 К, ОЛНлежит в плоскости пленки. Заслуживает особого внимания следующийэкспериментально установленный факт. Перпендикулярная к поверхностипленки ориентация оси легкого намагничивания может реализоваться вразличныхтонкопленочныхструктурах,нодлякаждойструктурысуществует критическая толщина, ниже которой ОЛН перпендикулярнаповерхности пленки, а выше – лежит в ее плоскости.
Было найдено, чтотолщина магнитного слоя, при которой происходит переход от плоскостнойориентации оси легкого намагничивания к перпендикулярной, существеннозависит от типа немагнитной подложки, а также от состава немагнитногослоя (Ag, Au, Cu), напыленного между пленкой и подложкой [45, 46].В целом, к настоящему моменту установлено, что магнитные пленки 3dпереходных металлов толщиной t меньше, чем 1.2 – 1.6 нм, имеют, какправило, перпендикулярную к поверхности образца ОЛН, а пленки сt > 1.2 – 1.6 нм характеризуются плоскостной магнитной анизотропией[47 - 50].Для исследования магнитных характеристик ультратонких пленокнеобходимавысокаячувствительностьиспользуемыхметодик.Этообусловлено тем, что, например, один монослой железа площадью 1 см2имеет магнитный момент ~10-5 emu (эрг/Гс).
В настоящее время разработаномного методов, применяемых для изучения тонких магнитных пленок.Особого внимания здесь заслуживают методы, основанные на анализемикромагнитных и поверхностных изображений. В частности, к нимотносятсямагнитно-силоваямикроскопия,сканирующаятуннельнаямикроскопия, спин-поляризованная туннельная микроскопия, сканирующая24микроскопия с поляризационным анализом, фотоэмиссионная электроннаямикроскопия,Лоренцевскаямикроскопия,электроннаяголография,сканирующая Холловская зондовая микроскопия, сканирующая Керровскаямикроскопия. Результаты исследований с применением перечисленных вышеметодик способствовали дальнейшему пониманию корреляции междуморфологией поверхности и магнетизмом тонких пленок, в особенностимонослойных пленок и пленок субмикронной толщины.
Исследованиямикромагнитныхконфигураций(равновесныхраспределенийнамагниченности) в ультратонких пленках, а также в микро- и нанообъектахпозволили получить информацию о возможных микромагнитных состоянияхв указанных материалах.Следует особо выделить измерения на основе анизотропногомагниторезистивного эффекта [51].
Они имеют преимущества над другимиметодами, обусловленные тем, что чувствительность этой методики неуменьшается с уменьшением размера образца, а поэтому она частоприменяется при изучении магнитных систем пониженной размерности.В основном, все перечисленные выше методики исследованияультратонкихпленокимногослойныхсистем являютсядостаточнодорогостоящими.
Вследствие этого наиболее широко применяемымиметодами изучения тонкопленочных систем являются магнитооптические.Эти методы применимы в широкой области магнитных полей и температур.Они позволяют оперативно получать информацию о магнитных имагнитооптических свойствах магнитных пленок толщиной вплоть до 1 нм.Кроме того, в случае массивных образцов возможно исследование ихприповерхностныхмагнитныххарактеристикиприповерхностногораспределения намагниченности. Проведение указанных исследованийчрезвычайно полезно при решении многих научных и практическихвопросов.
Можно привести несколько примеров. Так, в работе [52] с25помощью магнитооптической методики микронного разрешения реализованопрямоеэкспериментальноеприповерхностнойобластидоказательствосуществованияаморфныхCo69Fe4Si12B15вмикропроводовкруговых доменов с поперечной относительно длины микропроводаориентациейнамагниченности.Крометого,обнаруженоизменениеприповерхностной микромагнитной структуры (равновесного распределениянамагниченности)подвлияниемупругихнапряжений.Результатымагнитооптических исследований многослойных низкоразмерных магнитныхструктур на основе Co, Fe и Cu, Ag и Au, выполненные в [53], позволилиустановить сильную зависимость магнитных характеристик от толщинымагнитных и немагнитных слоев.Следует отметить, что получение одновременно информации обобъемныхиприповерхностныхмагнитныххарактеристикахферромагнетиков, включая тонкопленочные системы, особенно необходимоприразработкемагнитныхматериалов,широкоприменяющихсявсовременных устройствах микроэлектроники.
Учитывая изложенное выше,исследования магнитных характеристик тонкопленочных магнитных системв данной работе были выполнены с помощью магнитооптического метода.261.4 Квантовый размерный эффект в ультратонких пленкахРазличают классический и квантовый размерные эффекты, имеющиеместо в тонкопленочных системах.Классический размерный эффект начинает проявляться, когдатолщина магнитной пленки сравнима по порядку величины со среднейдлиной свободного пробега электронов проводимости в металле.
Онобусловлен тем, что в данной геометрии при изучении движения электроновстановится необходимым учитывать не только их рассеяние на примесях идефектах кристаллической структуры в объеме вещества, но и рассеяние наповерхностях, ограничивающих пленку. При этом существенную рольприобретаетотражениеэлектроновотвнешнейграницыпленки.В многослойных магнитных системах классический размерный эффектсвязан с различием амплитуд рассеяния электронов в соседних слоях,возникающим из-за различия электронной структуры этих слоев.Квантовый размерный эффект (КРЭ) обусловлен малыми толщинамипленок или отдельных слоев в многослойных системах.
Проявляется он взависимости физических свойств образца от его толщины t.Экспериментальные и теоретические исследования КРЭ были начатыболее 50 лет назад. Впервые осцилляции некоторых физических свойств(электрического сопротивления, магнитной проницаемости, эффекта Холла)с изменением толщины образца были обнаружены в 1966 году [54].Теоретическая работа Сандомирского [55], объясняющая эти осцилляции,была опубликована годом позже, в 1967 году. Объектом исследования в этихработах был висмут.Висмут, являющийся в случае массивного образца полуметаллом,очень удобен для изучения КРЭ. В полуметалле КРЭ приводит к тому, чтозона проводимости и валентная зона разбиваются на подзоны, номеракоторыхотвечают дискретным значениям волнового27векторавдольнаправления квантования.
Перекрытие подзон в зоне проводимостиопределяется соотношением: 2 2 / 2mnt 2 2 2 / 2mpt 2 ,где t — толщина пленки, mn — масса электрона, mp — масса дырки, ħ —приведенная постоянная Планка.При достаточно малой толщине t образуется щель, и полуметаллпревращается в диэлектрик. В случае, когда газ носителей заряда вырожден,функция плотности состояний на единичный интервал энергии имеетступенчатый характер. В результате зависящие от функции плотностисостояний кинетические и термодинамические характеристики системыбудут осциллировать с изменением толщины t.
Эти осцилляции связаны срезкими изменениями плотности электронных состояний на поверхностиФерми при её прохождении через различные подзоны. Полученные в работе[54] экспериментальные значения периода осцилляций изучаемых свойстввисмута (~ 40 – 50 нм) практически совпали с рассчитанными в [55]величинами.В тонких металлических пленках, где движение электронов в одномиз направлений ограничено малой толщиной пленки, сравнимой спостояннойрешетки,недостаточноучитыватьтолькоклассическийразмерный эффект.
Известно [56], что при очень малом значении величины tвозможенквантовыйхарактердвиженияносителейзарядамеждуповерхностями образца. В этом случае надо учесть многократные отраженияэлектронных волн от потенциальных барьеров на границах пленки. Вмногослойныхсистемахпотенциальныебарьерыобразуютсянаповерхностях раздела слоев из-за различия уровней Ферми для электронов вразных металлах.
В результате интерференции электронных волн образуются28стоячие волны, что обуславливает дискретность энергетических уровней впленке, обычно называемых Quantum Well States (QWS's).Дальнейшие исследования подтвердили, что помимо классическогоразмерного эффекта возможно существование квантового размерногоэффекта. Подтверждению этого факта посвящено много экспериментальныхи теоретических работ, которые будут приведены ниже. Здесь можновыделить теоретическую работу [57], в которой доказано существованиеквантового размерного эффекта.
В указанной работе фактически рассмотренадинамика квантовой системы с большим спином и с анизотропией типа«легкаяплоскость»поддействиемспин-поляризованноготока,пронизывающего эту систему. Спин-поляризованный ток (со спиномэлектронов, поляризованным по трудной оси) индуцирует переориентациюмагнитного момента системы от легкой плоскости к трудной оси. Показано,что в случае сильной диссипации процесс переориентации носит пороговыйхарактер с выходом магнитного момента из легкой плоскости.
В случаеслабой диссипации процесс переориентации является дискретным, то естьсопровождаетсяскачкамимагнитногомоментаигистерезисомпривозрастании и убывании спинового тока. При достаточно низкой температуреи в случае слабого затухания в динамике системы возникают квантовыеэффекты. Эти квантовые эффекты проявляются в виде скачков магнитногомомента и пиков восприимчивости рассматриваемой системы.Несмотря на то, что первые исследования проявлений квантовогоразмерного эффекта в металлах относятся к началу семидесятых годов [58],долгое время влияние КРЭ на физические свойства металлическихмагнитных систем оставалось неизученным. Обусловлено это несколькимипричинами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
