научная статья по теме МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ИНТЕРФЕЙСОВ СВЕРХРЕШЕТОК FE/CR Физика

Текст научной статьи на тему «МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ИНТЕРФЕЙСОВ СВЕРХРЕШЕТОК FE/CR»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 3, с. 382-387

УДК 538.971

МЁССБАУЭРОВСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИСПЕРСИИ НАМАГНИЧЕННОСТИ ИНТЕРФЕЙСОВ СВЕРХРЕШЕТОК Fe/Cr © 2010 г. В. А. Цурин, Л. Н. Ромашев, В. В. Устинов

Учреждение Российской академии наук Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург E-mail: tsurin@imp.uran.ru

На основе анализа мёссбауэровских КЭМС-спектров экспериментально установлено существование угловой пространственной дисперсии поля магнитной анизотропии в интерфейсе сверхрешеток Fe/Cr, обусловленной шероховатостью и неоднородностью межслойной границы. Величина магниторезистивного эффекта определяется пространственной дисперсией как интерфейса, так и слоя Fe, для которого угол отклонения вектора намагниченности зависит от неровностей подложки.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема создания и исследования многослойных структур актуальна как в связи с развитием рентгеновской оптики [1], так и для создания сред для записи и хранения информации, магнитных датчиков [2] и ряда других приложений. Основным фактором, влияющим на свойства многослойных структур, является несовершенство межслоевых границ (интерфейсов).

Свойства интерфейсов сверхрешеток привлекают последнее время большое внимание. Особый интерес представляют интерфейсы ферромагнитный — немагнитный металл, свойства которых определяют межслойное обменное взаимодействие и величину магнитосопротивления многослойных сверхструктур. Модельными системами являются сверхрешетки Fe/Cr, исследованию которых посвящено много работ [например, 3—7]. Определение шероховатости интерфейсов на атомном уровне по данным различных экспериментальных методик представляет собой важную задачу, которая пока не находит однозначного решения. Одним из стандартных методов, применяемых для исследования многослойных металлических систем, является рентгеновская спектроскопия, однако однозначное восстановление атомной структуры интерфейса по данным рентгеноскопии требует модельных представлений о шероховатости реального интерфейса. Такая же проблема существует и при интерпретации мёссбауэровских спектров интерфейсов сверхрешеток. В то же время определяющим фактором, влияющим на величину магниторезистивного эффекта, является магнитная структура межслойной границы, связанная с межплоскостной шероховатостью. В [8] на основе результатов экспериментов с пермаллоевыми пленками показано, что величина магниторезистивного эффекта зависит от угла

пространственной дисперсии магнитной анизотропии. Электронно-микроскопические и магнитооптические исследования структуры тонких магнитных пленок (ТМП) указывают на наличие локальной вариации поля магнитной анизотропии в их плоскости, существенно влияющей на распределение намагниченности в равновесном состоянии [9, 10]. Для исследования пространственной дисперсии поля анизотропии в ТМП используется ферромагнитный резонанс ФМР [11].

В данной работе рассматривается влияние дефектов, формирующих шероховатость межслой-ной границы, на магнитные свойства, прежде всего на распределение вектора намагниченности как в интерфейсе, так и в слое железа.

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Сверхрешетки Fe/Cr были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на монокристаллических подложках (101)А1203 и (lOO)MgO. После химической чистки и травления подложки отжигались в течение 1 ч при температуре 700°С, затем охлаждались до 300°С и при этой температуре на них начинался рост буферного слоя. Далее выращивались сами сверхрешетки. Скорость роста слоев металла в процессе эпитаксии для всех сверхрешеток выдерживалась постоянной и составляла 1.5 Ä • мин-1. Все технологические параметры роста, а именно давление остаточных газов в ростовой камере, скорости роста слоев и толщины слоев, выдерживались по возможности одинаковыми: для всех сверхрешеток толщина слоев Fe ~ 15-20 Ä, Cr ~ 10 Ä.

Измерения магнитосопротивления сверхрешеток выполнялись при комнатной температуре стандартным четырехконтактным методом в со-

здаваемом электромагнитом постоянном магнитном поле напряженностью до 32 кЭ. Величина относительного магнитосопротивления г определялась как г = (Ян — Ло)/Ло, где Е0 — электросопротивление образца в отсутствие внешнего магнитного поля, Ян — электросопротивление образца в поле Н.

Мёссбауэровские измерения на образцах сверхрешеток проводились при комнатной температуре на ядрах 57Бе в геометрии обратного рассеяния с регистрацией электронов конверсии (КЭМС), в пропорциональном проточном счетчике с иточником излучения 57Со в матрице хрома на спектрометре СМ-2201. Направление у - квантов совпадало с нормалью к поверхности образца.

При приготовлении многослойных систем перемешивание атомов, ступеньки, террасы и островки на интерфейсах трудно исключить в процессе эпитаксиального роста сверхрешетки. Намагниченность выходит из плоскости пленки под воздействием магнитостатических полей рассеяния вблизи пор и других неоднородностей напыляемых слоев, поэтому необходимо ввести угол, характеризующий шероховатость и неоднородность поверхности напыляемого слоя, обусловленный наличием угловой пространственной дисперсии поля магнитной анизотропии. Согласно [8] , 9 — угол, который составляет локальная ось анизотропии отдельного блока мультислой-ной пленки с плоскостью образца и, полагая, что углы 9 распределены в объеме интерфейса и в слое Бе по закону Гаусса, имеем

p (0,0 о) =

1

^¡2nQ

=exp

л/200

(1)

где р — плотность вероятности распределения 9, 90 — среднеквадратичное отклонение соответствующего угла 9, т.е. угловая дисперсия поля анизотропии в пространстве относительно плоскости пленки.

Направление спонтанной намагниченности мы можем определять из соотношения интенсив-ностей линий в магниторасщепленном мёссбауэ-ровском спектре. Соотношение интенсивностей линий в мёссбауэровском спектре 3:х:1:1:х:3, где х выражается как 4sin2a/(1 + cos2a); a — угол между направлением облучения у-частицами (перпендикулярно плоскости образца) и направлением магнитного сверхтонкого поля, совпадающим с направлением намагниченности образца.

Восстановление функций распределения плотности вероятности сверхтонкого поля P(Hf) из мёссбауэровских спектров в выбранных диапазонах Hhp соответствующих интерфейсу и слою "объемного" железа, проводился по программе DISTRY программного комплекса MS TOOL [12]. В процессе восстановления функции распределения P(Hf) исследуются оптимальные значения

Интенсивность, % 240

200

160

120

80

—//

j_I_I_I_

8

P(H) 0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

-4 0

интерфейс

и, мм • с

,-1

Слой Fe (Нре) = 330 кЭ Л21 = 1.333

(Hinteface) = 251 кЭ

Л21 = 1.17

300 350 H, кЭ

Рис. 1. Пример расчета экспериментального мёссбауэ-ровского КЭМС спектра сверхрешетки MgO/ Cr65 A/[Fe20 A/Cr10 A]8 (a) c использованием программы DISTRY программного комплекса MS TOOL восстановления функций Р(Н) для двух диапазонов Hinteface и HFe (б).

параметров, описывающих подспектры, в число которых входят и параметры, описывающие соотношения между амплитудами резонансных линий в сверхтонкой структуре спектров А21 = А2/Аь А31 = Лъ/Лъ для двух диапазонов: НШе^асе и НРе. Для определения среднего угла 0о отклонения намагниченности от плоскости как в слое Бе, так и в интерфейсе, воспользуемся формулой, приведенной в [13]:

90 = п/2 - arccos

4 - 3 A

21

4 + 3 A 2

(2)

Угол 90 соответствует распределению локальных осей анизотропии, следовательно, дает возможность определить угловую пространственную дисперсию поля магнитной анизотропии, характеризующую шероховатость и неоднородность интерфейса сверхрешетки.

а

На рис. 1 приведен мёссбауэровский КЭМС-спектр сверхрешетки MgO/Cr65 Ä/[Fe20 Ä/Cr10 Ä]8 и функции Р(Н), восстановленные с помощью программы DISTRY в двух диапазонах сверхтонких полей: НШефСе и HFe. В качестве анализируемого параметра использован параметр А21.

20

• 18 р

^ 16

О

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Интерфейс реального образца является суперпозицией шероховатости (ступенек), интердиффузии и небольших островков гладкого интерфейса. В результате аппроксимации функции P(Hh) суммой гауссианов получаем отношение Vstev/Vflat, которое использовано в [14] в качестве параметра а, характеризующего степень шероховатости интерфейса.

Влияние типа подложки нами исследовалось на четырех мультислойных сверхрешетках, напыленных на подложку из слюды, Al2O3 , MgO и си-талла. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии были приготовлены в одинаковых условиях напыления четыре сверхрешетки на различных подложках. Данные расчета мёссбауэровских спектров и формулы приготовленных образцов приведены в табл. 1.

Как видно из таблицы, существует корреляция между толщиной слоев Fe, определенной из рентгеновских измерений, и площадью подспектра, соответствующего a-Fe, полученного из расчета мёссбауэровских спектров, за исключением образца МА-03-1Г, приготовленного напылением слоев Fe и Cr на слюду. Это может быть связано со структурой пленки, так как качество слоев, напыленных на слюду, значительно хуже, чем на остальные подложки, поэтому исследования структуры рентгеновским методом может давать ошибку в оценке периода сверхрешетки. Качество мульти-слойной сверхрешетки зависит от типа подложки, на что указывают изменения в параметре а, рассчитанного из мёссбауэровских спектров.

Что касается дисперсионных параметров, то они различны для сверхрешеток, напыленных на различные подложки, причем угол 9Fe определяет отклонение вектора намагниченности на неровностях подложки, а угол 9¡nteface, кроме того, характеризует шероховатость интерфейса. Наибо-

14 12

18

15 12

J 9

6

3

0

0 4 8 12 16 20 24 28 Кол-во пар Fe/Cr в сверхрешетке

Рис. 2. а — зависимость угла пространственной дисперсии намагниченности интерфейса сверхрешеток от числа пар Fe/Cr: О — для сверхрешеток, приготовленных с Fe (95%); ■ — для сверхрешеток, выращенных с естественным Fe (2.14% Fe); б — зависимость величины магниторезистивного эффекта от числа пар Fe/Cr в сверхрешетках.

лее гладкая подложка — MgO, в то же время наилучшая межслойная граница — в сверхрешетке, напыленной на подложку из ситалла. Это показывает, что размеры неровностей

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.

Показать целиком