Диссертация (1103627), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Известно, что плотность электронных состояний в металлахнамного выше, чем в полупроводниках, и соответствующие квантовыесостояния в металлах характеризуются параметром порядка постоянной29решетки, т.е. порядка нескольких ангстрем. Поэтому для наблюденияквантового размерного эффекта в металлах требовались образцы с высокойстепенью локализации атомных слоев.Вконцепрошлогостолетияблагодаряактивномуразвитиютехнологий оказалось возможным получать образцы с высокой степеньюточности локализации атомных магнитных и немагнитных слоев, в том числетонкопленочные магнитные системы, представляющие собой чередованиемагнитных и немагнитных слоев субмикронной толщины. В результатепроблема теоретического и экспериментального изучения КРЭ и, вособенности, изучения КРЭ в металлических магнитных материалах сталавесьма популярной. Одно из первых таких исследований было выполнено вработе [59], в которой QWSs были обнаружены в слоях Cu на Co(100)подложке и слоях Ag на Fe(100) с помощью фотоэмиссионного метода.Следует отметить, что с теоретической точки зрения электронная зоннаяструктура переходных металлов является более сложной по сравнению сзонной структурой полупроводников, что делает теоретический анализквантового размерного эффекта в металлах более сложным и трудоемким.В дальнейшем появились обзорные работы (например, [60]), вкоторых показано, что в системах Ag на Fe(100) и Pb на Si(111) с четковыраженнымиинтерфейсамиперпендикулярногопленочнойкомпонентаповерхности,волновогоквантуется.вектора,Причемэтоквантование обусловливает изменения электронной структуры слоев Ag и Pbи их физических свойств.
Можно также указать вышедший в 2006 году курслекций[61],посвященныйквантовымразмернымэффектамвнаноструктурах. Основное положение в этом курсе состояло в том, чтопрямым следствием уменьшения толщины материалов до нанометровогодиапазонаявляетсяпоявлениеквантовыхразмерныхэффектов,обусловливающих появление дискретных энергетических уровней. Более30того, в курсе лекций были проанализированы детально квантовые эффекты внизкоразмерных объектах разной размерности, а именно:1. Двухразмерные объекты. К ним фактически относятся тонкиепленки толщиной несколько нанометров, напыленные на толстую подложку.Внаправлении,определяютсяперпендикулярномповерхностнымиплоскостиипленки,интерфейснымиихсвойстваэффектами,обусловливающими КРЭ.
При этом в направлениях, параллельных плоскостипленки, электроны ведут себя как в объемном материале.2.Одноразмерныеобъекты.Книмотносятсяобъектыцилиндрической формы и трубки с диаметром нанометрового диапазона идлиной микрометрового диапазона, а также объекты прямоугольной формы саналогичными размерами. КРЭ наблюдаются в поперечном направлении придвижении электронов в одном из направлений вдоль структуры.3. Нульразмерные объекты. К ним относятся наночастицы,кластеры, нанокристаллы и фуллерены. Их размеры от порядка несколькихдесятков до нескольких сотен атомов. КРЭ существуют в трех направлениях.Остановимся на результатах исследования КРЭ в тонкопленочныхструктурах, который проявляется в осцилляционном поведении обменноговзаимодействиямеждумагнитнымислоямичерезнемагнитнуюразделительную прослойку.
Следует отметить, что экспериментальноенаблюдение в работе [3] (1986 г.) антиферромагнитного обменноговзаимодействия между Fe слоями через Cr прослойку с изменяющейсятолщиной в немалой степени привлекло внимание исследователей к этойпроблеме. В дальнейшем в работе [4] были обнаружены осцилляцииобменного взаимодействия в Fe/Cr/Fe и Co/Ru/Co многослойных структурахс изменением толщины немагнитного слоя (НМС). Период этих осцилляций,Λ, был равен 1.2 нм для Co/Ru и 1.8 – 2.1 нм для Fe/Cr и Co/Cr тонкопленочныхсистем. Более того, было показано, что это явление имеет место практически31для любой ТПМС, в которой в качестве прослойки используетсянемагнитныйпереходныйметалл[62].Так,осцилляцииобменноговзаимодействия с изменением толщины медного слоя наблюдались и вСo/Cu-системах [63].
Период этих осцилляций был равен 1.0 нм. В работе[64] были обнаружены осцилляции обменного взаимодействия в Ni/Auмногослойных структурах с периодом Λ = (1.15 0.1) нм.В настоящее время доказано, что в многослойных системах можетосуществляться либо ферромагнитное, либо антиферромагнитное обменноевзаимодействие между ферромагнитными слоями через немагнитный слой[65 – 67]. Тип обменного взаимодействия в многослойных системах междуферромагнитными слоями (ФМ) через немагнитные прослойки зависит оттолщины этой прослойки [68], которая в свою очередь влияет на знакобменного интеграла J. Для некоторых R (где R — толщина немагнитнойпрослойки) J(R) > 0, и между ФМ слоями реализуется ферромагнитный (Ф)обмен.
При других значениях R J(R) < 0, и между ФМ слоями реализуетсяантиферромагнитныйсоответственно(АФ)параллельнаяобмен.иСледствиемэтогоантипараллельнаяявляетсяориентациянамагниченности в соседних магнитных слоях. Таким образом, варьируятолщину немагнитных прослоек в многослойных структурах, можноизменять тип обмена между магнитными слоями.Обычно зависимость J(R) в ТПМС проявляется в поведении рядафизических (магнитных, электрических, магнитооптических) свойств этихобразцов с изменением толщины немагнитного слоя.
В частности,установлено, что при фиксированной толщине магнитного слоя значениеполя насыщения многослойных систем осциллирует по величине [69 - 73].Уместно отметить, что именно в многослойных системах с отрицательнымантиферромагнитным обменом между ФМ слоями было обнаруженогигантское(вплотьдонескольких32десятковпроцентов)магнитосопротивление[4].Былоустановлено,чтозначениемагнитосопротивления в многослойных структурах осциллирует по величинес изменением толщины немагнитной прослойки.
При этом для большинстваизучаемыхтонкопленочныхмагнитосопротивлениявзаимодействиясовпадалмеждуФМсистемспериодпериодомслоямиосцилляцийосцилляцийчерезобменногонемагнитныйслой.Тонкопленочные системы с гигантским магнитосопротивлением былииспользованывпрактическихприложенияхприсозданиивысокочувствительных датчиков магнитных полей.В теоретическом описании обменного взаимодействия в ТПМСсуществует два подхода – вычисление полной энергии рассматриваемойсистемы и построение различных моделей для расчета J(R).Идея первого подхода состоит в вычислении общей энергии системыдля различных направлений намагниченности в магнитных слоях исопоставленииразностиэнергийэтихдвухсостоянийсэнергиеймежслойного взаимодействия. Такие вычисления проводятся в рамкахполуэмпирической модели сильно связанных электронов [74]. Несмотря наупрощенность этого подхода, он достаточно широко используется и внастоящее время.
Следует отметить, что энергия ТПМС с различнымнаправлением намагниченности в соседних магнитных слоях различаетсяочень мало, в то время как общая энергия системы большая. Это усложняетвычисления. Более того, поскольку время вычислений очень быстро растет сувеличением размера элементарной ячейки, расчет общей энергии системыобычно ограничен малыми толщинами слоя, а это не позволяет исследоватьосцилляции J(R) с длинным периодом.Практически одновременно с первым подходом были предложеныразличные модели, объясняющие межслойное обменное взаимодействие,информацию о которых можно найти в обзорной работе Бруно [74].33Перечислим их.1.РККИ – модель, в которой магнитные слои описываются каксовокупность локализованных спинов, взаимодействующих между собойчерез электроны проводимости.2.собойМодель потенциальной ямы, которая по существу представляетмодельсильносвязанныхэлектроновсоспин-зависящимипотенциальными ступеньками (фактически рассмотрение Quantum WellStates).3.Модель свободных электронов.4.Модель Андерсона (sd – гибридизация на границе раздела междумагнитным и немагнитным слоями).Преимущество этих моделей состоит в том, они позволяют получитьаналитические выводы, проясняющие физику явления.
В частности, всемодели связывают периоды осцилляций обменного взаимодействия прибольших толщинах прослойки с формой поверхности Ферми материалапрослойки.Бруноссотрудникамиэлектроновпроводимостипредположили,немагнитногослоя,чтополяризациявзаимодействующихсмагнитными моментами магнитных металлов (косвенный обмен РККИ-типа),является основным механизмом обмена между магнитными слоями,разделенными немагнитной прослойкой.Теория косвенного обменного взаимодействия для ферромагнитныхметаллов была разработана в 1956 году английскими учеными Рудерманом иКиттелем [75], а также японскими Косуйей [76] и Йосидой [77].Впоследствии это взаимодействие было названо "РККИ-взаимодействием" вчесть указанных выше ученых, разработавших эту теорию. В моделипредполагалось, что d- и f- электроны локализованы на узлах решетки, а s- иp- электроны проводимости — коллективизированы.
При этом обмен между34спинами решетки (d- или f- электронами) происходит с помощью электроновпроводимости.На начальном этапе РККИ-теория была достаточно идеализирована. Вчастности, в ней не учитывалась электронная структура металлов, и газэлектронов считался свободным. В дальнейшем теоретические расчетыобменного интеграла были выполнены с учетом реальной зонной структуры.Позднее было показано [78], что в случае цилиндрической и плоскойповерхности Ферми значение РККИ-взаимодействия осциллирует, при этомзатухая как 1/R2 и 1/R3 соответственно. Кроме того, было обращено вниманиена эффект мультипериодичности, состоящий в том, что J(R) являетсясуперпозициейнесколькихосцилляций.Этообусловленотем,чтосуществуют поверхности Ферми, для которых можно найти более одногоэкстремального стягивающего вектора, каждый из которых будет давать свойвклад в характер поведения интеграла обмена в зависимости от толщиныпленки.Внастоящеевремясуществуетмноготеоретическихработ,посвященных изучению осцилляционного обменного взаимодействия междуферромагнитными слоями через немагнитную прослойку [63, 79 - 86].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
