ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 1, с. 46-48
УДК 537:622.6:638.2
МАГНЕТИЗМ СВЕРХРЕШЕТОК Fe/Cr/Gd
© 2015 г. М. В. Рябухина1, *, Е. А. Кравцов12, Д. В. Благодатков1, Л. И. Наумова1, Ю. В. Никитенко3, В. В. Проглядо1, Ю. Н. Хайдуков4
Институт физики металлов УрО РАН, 620041 Екатеринбург, Россия 2Уральский федеральный университет, 620002 Екатеринбург, Россия 3Объединенный институт ядерных исследований, 141980Дубна, Московская область, Россия 4 Max Planck Institute for Solid State Research, D-70569 Stuttgart, Germany *E-mail: ryabykhina@imp.uran.ru Поступила в редакцию 18.10.2013 г.
Проведены исследования магнитных свойств сверхрешеток Fe/Cr/Gd. Измерения выполнены с использованием SQUID-магнитометрии и рефлектометрии поляризованных нейтронов (РПН). В данной структуре обменное взаимодействие между слоями 3d (Fe) и 4f (Gd) ферромагнитных металлов осуществляется через антиферромагнитную прослойку Cr. Установлено, что в слое Gd формируется неоднородный пространственный профиль намагниченности.
Ключевые слова: магнитные сверхрешетки, обменное взаимодействие, рефлектометрия поляризованных нейтронов
Б01: 10.7868/80207352815010163
ВВЕДЕНИЕ
Металлические многослойные наноструктуры представляют большой интерес как с точки зрения фундаментальной физики, так и для решения прикладных задач. В последние годы активно исследуется межслойное обменное взаимодействие в металлических магнитных сверхрешетках. Многослойные системы на основе 3d- и 4/-металлов (например, Бе/Оё) — популярные модельные объекты, проявляющие уникальные магнитные свойства. До настоящего времени исследовалось, в основном, прямое обменное взаимодействие магнитных моментов слоев 3d- и 4/-металлов [1, 2] и имеются лишь единичные работы по изучению взаимодействия этих магнитных металлов через немагнитную прослойку [3, 4].
Известно, что при взаимодействии слоев Бе и Оё векторы их магнитных моментов выстраиваются антипараллельно [1]. При создании искусственной магнитной системы, состоящей из чередующихся наноразмерных слоев Бе, Сг и Оё, становится возможным управлять взаимной ориентацией магнитных моментов слоев Бе и Оё, изменяя толщину слоя Сг. Хром — антиферромагнетик, имеющий температуру Нееля 313 К [5]. Так как магнитные моменты Бе, Сг и Оё упорядочены антипараллельно [6, 7], то можно добиться ферромагнитного упорядочения моментов Бе и Оё, выбрав нечетное количество монослоев Сг. Сложное магнитное состояние в пленках Бе/Сг/Оё определяется несколькими конкурирующими
механизмами: увеличением магнитного момента Оё и его независимостью от температуры в приграничной области вблизи Бе, сильным антиферромагнитным взаимодействием Бе—Оё в области границ раздела и зеемановским взаимодействием намагниченности с магнитным полем [6, 7].
В настоящей работе приведены результаты исследования межслоевого обменного взаимодействия в сверхрешетках Бе/Сг/Оё, выполненного методом рефлектометрии с использованием поляризованных нейтронов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Многослойная наноструктура 81//Сг(50 А)/ [Бе(35 А)/Сг(4.4 А)/Оё(50 А)/Сг(4.4 А)]12/Сг(30 А) была получена методом высоковакуумного маг-нетронного распыления на подложках 81 (001). На рис. 1 приведен рентгеновский рефлектометриче-ский спектр, измеренный при комнатной температуре на длине волны 1.564 А. Символами обозначены экспериментальные точки, сплошной линией — результат обработки. По результатам обработки рентгеновских данных были определены структурные переменные параметры, приведенные в таблице. Из спектра (рис. 1) и данных таблицы следует, что образец имеет четко выраженную слоистую структуру, периодичность и резкие межслоевые границы; шероховатость границ равна 2—3 А.
МАГНЕТИЗМ СВЕРХРЕШЕТОК Бе/Сг/Оё
47
1 2 3 4 5
29, град
Рис. 1. Рефлектометрический спектр сверхрешетки
Бе/Сг(4.4 А)/Оа/Сг(4.4 А).
На рис. 2 приведены температурные зависимости намагниченности для сверхрешеток Бе/Оё и Бе/Сг(4.4 А)/Оё, измеренные 8риГО-магнето-метром в диапазоне температур от 20 до 300 К в магнитном поле 500 Э. Для образца Бе/Оё наблюдается точка компенсации при Т = 150 К, где магнитные моменты Бе и Оё уравновешены. При увеличении температуры магнитный момент системы возрастает. Температурная зависимость намагниченности второго образца Бе/Сг(4.4 А)/Оё выходит на насыщение при Т = 250 К. При уменьшении температуры до 100 К намагниченность пленки уменьшается, что свидетельствует об уменьшении магнитного момента в слоях Оё, в то время как магнитный момент слоя Бе остается постоянным. Наименьшее значение намагниченности соответствует температуре компенсации 50 К. При дальнейшем уменьшении температуры общая намагниченность возрастает, так как магнитный момент Оё увеличивается.
Определение неоднородного профиля намагниченности в направлении нормали к поверхности внутри тонких ферромагнитных слоев представляет собой трудную задачу, особенно если магнитные моменты могут изменяться как по величине, так и по направлению. К одним из самых результативных методик для таких исследований относят рефлектометрию с поляризованными нейтронами (РПН).
Нейтронные исследования проводились на установках РЕМУР (ОИЯИ) и ^ЕХ (БЯМ II). На рис. 3 приведены спектры РПН гетерострукту-ры Бе/Сг/Оё, измеренные при Т = 15 и 300 К и Н = 500 Э. На РПН-спектрах при Т = 15 К наблюдается совпадение В+ и В- при малых значения 0,
Т, К
Рис. 2. Температурные зависимости магнитного момента на единицу площади М(Т) сверхрешетки Бе/Сг(4.4 А)/Оё/Сг(4.4 А) и Бе/Оё, измеренные в магнитном поле 500 Э.
что свидетельствует о компенсации магнитных моментов слоев Оё и Бе. Характерными особенностями являются несовпадение положений четных брэгговских пиков на кривых зависимостей В+(0 и В(0, а также заметная разница значений коэффициента отражения. Известно, что данная особенность рефлектометрических спектров может быть связана с неоднородным распределением намагниченности в приграничной области слоев Оё [1, 6].
Параметры многослойной структуры Бе/Сг/Оё
Слой Номинальная толщина, А Фактическая толщина, А Межслоевая шероховатость, А
Сг203 - 19 2
Сг 30 20 2
Сг х12 4.4 4 2
Оё 50 48 2
Сг 4.4 4 2
Бе 35 33 3
Сг (буфер) 50 51 3
48
РЯБУХИНА и др.
R
100
(а)
10-
10-
10-
10-
0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150
Q, А-1
R
100
0-1
0-2 0-3 0-4 0-5 0-6
0.05
0.10
0.15
0.20 Q, А-1
Рис. 3. Зависимость коэффициента отражения нейтронов, поляризованных в направлении магнитного поля (Л+) и противоположно направлению магнитного поля (Л-), от переданного волнового вектора для структуры Ре/Сг(4.4 А)/0(! при значении напряженности магнитного поля Н = 500 Э и температуре 300 К (а), 15 К (б).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе приведены результаты структурных и магнитных исследований сверхрешеток Fe/Cr/Gd. Из рентгеновских данных следует, что образец имеет четко выраженную слоистую структуру, периодичность и резкие межслоевые границы; шероховатость межслоевых границ образца составляет 2—3 А. Из анализа нейтронных и SQUID измерений можно сказать, что в слое Gd формируется неоднородное магнитное состояние.
Работа выполнена при частичной поддержке программы Президиума РАН "Фундаментальные основы технологий наноструктур и наноматериа-лов" (проект № 12-П-2-1051), Минобрнауки РФ (проект № 8682), РФФИ (гранты № 12-02-12054_офи_м и 12-02-31563_мол_а), а также при частичной поддержке правительства РФ (грант на проведение научных исследований, VI очередь, постановление № 220). Эксперименты, проведены на приборе NREX, эксплуатируемом Обще-
ством им. Макса Планка в Центре Хайнца Майе-ра-Лейбница, Германия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kravtsov E, Haskel D, te Velthuis S.G.E., Jiang J.S., Kirby B.J. // Phys. Rev. B. 2009. V. 79. P. 134438.
2. Choi Y., Haskel D., Camley R.E., Lang J.C., Srajer G., Jiang J.S., Bader S.D. // Phys. Rev. B. 2004. V. 70. P. 134420.
3. Sanyal B., Antoniak C., Burkert T., Krumme B., Warland A., Stromberg F., Praetorius C., Fauth K., Wende H., Eriksson O. // Phys. Rev. Lett. 2010. № 104. P. 156402.
4. Stromberg F., Antoniak C., Horsten U., Keune W., Sanyal B., Eriksson O., Wende H. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. № 44. P. 265004.
5. DubielS.M., Cie slack J. // Europhys. Lett. 2001. V 53. P. 383.
6. Кравцов Е.А., Устинов В.В. II ФТТ. 2010. Т. 52. № 11. С. 2116.
7. Camley R.E., Mills D.L., Anthony J., Bland C. Nano-magnetism: Ultrathin Films, Multilayers and Nano-structures. Amsterdam, North Holland: Elsevier, 2006.
Magnetism of Fe/Cr/Gd Superlattices
M. B. Ryabukhina, Е. А. Kravtsov, D. B. Blagodatkov, L. I. Naumova, Yu. V. Nikitenko,
V. V. Proglyado, Yu. N. Khaydukov
Magnetic properties of Fe/Cr/Gd superlattices has been investigated. In this system exchange coupling between layers of 3d (Fe) and 4/ (Gd) ferromagnetic metals is mediated by antiferromagnetic Cr interlayer. A unified approach combining magnetometry measurement (SQUID) and polarized neutron reflectometry has been applied to determine the magnetic structure of Fe/Cr/Gd multilayer superlattice. It is shown that a nonuniform distribution of magnetization is formed within Gd layers.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.