научная статья по теме ПРЯМОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ НА ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ КВАЗИДВУМЕРНОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА С ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРЯМОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСЛОКАЦИЙ НА ПЕРЕМАГНИЧИВАНИЕ КВАЗИДВУМЕРНОГО ФЕРРОМАГНЕТИКА С ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ»

Письма в ЖЭТФ, том 97, вып. 5, с. 319-325

© 2013 г. 10 марта

Прямое экспериментальное изучение влияния дислокаций на перемагничивание квазидвумерного ферромагнетика с однонаправленной анизотропией

В. С. Горнаков1^, В. И. Никитенко, И. В. Шашков*, М. А. Лебедкин*, Р. Д. Шулл+ Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Россия

*LEM3, UMR CNRS 7239, Université de Lorraine, Ile du Saulcy, 57045 Metz Cedex 01, France +National Institute of Standards and Technology, 20899 Gaithersburg, Maryland, USA

Поступила в редакцию 28 ноября 2012 г.

После переработки 5 февраля 2013 г.

С использованием метода магнитооптического индикатора исследовано влияние дислокаций на элементарные акты перемагничивания эпитаксиальной гетероструктуры NiFe/NiO/MgO(001). Обнаружено, что сгруппированные вдоль (110) плоскостей скольжения краевые дислокации приводят к образованию в пленке пермаллоя ориентированных вдоль этих плоскостей квазиодномерных доменов с наведенной однонаправленной анизотропией, отличающейся по направлению от однонаправленной анизотропии в бездислокационной части гетероструктуры на 90°. Микромеханизм наблюдаемого эффекта обсуждается с учетом влияния дислокаций на ориентацию спинов в антиферромагнетике и их обменного взаимодействия со спинами ферромагнетика на межфазной поверхности.

DOI: 10.7868/S0370274X13050081

Еще на заре развития физики ферромагнетизма стало ясно [1], что перемагничивание ферромагнетиков (ФМ) невозможно описать без учета влияния дефектов кристаллической решетки на процессы зарождения и движения доменных границ, а также на вращение векторов спонтанной намагниченности. Особое внимание уделялось изучению дислокаций -источников дальнодействующих внутренних напряжений [2-12]. Их влияние на доменную структуру и элементарные акты процесса перемагничивания описывалось на основе учета изменений релятивистских и обменных взаимодействий, свойственных идеальному ферромагнетику.

В последние годы высокую фундаментальную и практическую значимость приобрели исследования тонких ФМ-пленок, связанных обменными взаимодействиями с антиферромагнетиком (АФМ). При выращивании таких структур в магнитном поле H_p или их охлаждении в поле от температуры, превышающей неелевскую, в ФМ-пленке формировалась однонаправленная анизотропия, совпадающая с направлением H_p .В таких нанокомпозитах определяющую роль в формировании поля однонаправленной анизотропии (HEX) играет распределение неском-пенсирванных спинов в АФМ-слое вблизи межфаз-

1)e-mail: gornakov@issp.ac.ru

ной поверхности [13]. Эти спины оказывают существенное влияние на процесс преобразования намагниченности гетероструктуры за счет их обменной связи со спинами ФМ-слоя. Специфическим свойством процесса перемагничивания таких гетеро-структур является асимметрия [14]: зарождение доменов новой фазы при перемагничивании из основного состояния начинается в местах, где поле Hex минимально, тогда как при обратном перемагничи-вании оно происходит там, где Hex максимально.

Модели, описывающие эффекты обменного смещения и уширения петли гистерезиса ФМ-пленок в таких нанокомпозитах, учитывают, что при их пе-ремагничивании происходят формирование и эволюция обменных спиновых пружин, проникающих в АФМ-слой. При этом важную роль играют фрустрации магнитного момента на шероховатостях межфазной поверхности [15] или дефектах магнетика [16]. В работе [17] было показано, что краевые и винтовые дислокации, содержащиеся в ФМ/АФМ двухслойных структурах, играют роль специфических центров зарождения доменов и пиннинга доменных границ. Однако вопрос экспериментального изучения механизмов влияния дислокаций на процессы перемагничивания ферромагнетиков с однонаправленной анизотропией до сих пор остается открытым. С одной стороны, дислокации создают поле

внутренних напряжений, которое благодаря магни-тоупругим взаимодействиям оказывает существенное влияние на доменную структуру и характеристики процесса перемагничивания ферромагнетно-го слоя. С другой стороны, дислокации могут вызывать возникновение доменов и в антиферромагнетике [18]. В настоящей работе для выяснения закономерностей формирования доменной структуры и возможных мод преобразования системы спинов, локализованной вблизи дислокаций в эпитаксиаль-ных обменно-связанных ФМ- и АФМ-слоях, экспериментально изучены распределение и эволюция магнитных моментов в процессе их перемагничива-ния.

Все эксперименты были выполнены на эпи-таксиальных структурах NiFe(10 нм)/№0(50 нм), выращенных ионно-лучевым осаждением на монокристаллических подложках Mg0{001}. Пермаллой NigiFe 19, обладающий практически нулевой магнитострикцией, был выбран в качестве ферромагнитного слоя, чтобы исключить влияние полей напряжений от дислокаций на распределение и преобразование намагниченности в этом слое за счет магнитострикции.

Однонаправленная анизотропия в образцах была наведена однородным полем Hex = 300 Э в плоскости подложки вдоль направления (100) в процессе осаждения ФМ- и АФМ-слоев. Дислокации, введенные в подложку MgO при ее деформировании, наследовались эпитаксиальными слоями при их осаждении. Петли гистерезиса были измерены с помощью вибромагнитометра. Для выявления полей напряжений в образцах использовался метод фотоупругости [19]. Процессы перемагничивания изучались с помощью магнитооптической индикаторной пленки [20] (располагавшейся на поверхности образца) - прозрачной легированной висмутом пленки железоит-триевого граната с алюминиевым зеркалом на нижней поверхности. В отсутствие внешних магнитных полей магнитные моменты в индикаторе лежали в его плоскости и отклонялись от нее перпендикулярными компонентами магнитных полей рассеяния H±. Приведенные на магнитооптических (МО) изображениях черные и белые области соответствуют противоположным направлениям полей H±. Образцы имели поле обменного смещения Hex — 20 Э и коэрци-тивность He — 25 Э. Направление средней намагниченности M (обозначено на рисунках черными стрелками) предварительно определялось из максимальных значений величины сигналов, измеренных при фотометрировании МО-изображений вдоль нормали к двум взаимно перпендикулярным сторонам.

На рис. 1а показана типичная петля гистерезиса обменно-смещенного ФМ-слоя гетерофазной пленки №Ее/№0 (5 х 5 мм2). Магнитооптические микрофотографии, полученные в процессе преобразования доменной структуры при ее перемагничивании вдоль оси однонаправленной анизотропии, представлены на рис. 1Ъ^. В исходном основном состоянии образец был однородно намагничен. В этом случае поля рассеяния И± и, соответственно, МО-контраст возникали лишь на краях образца, тогда как в наблюдаемой области образца никакого контраста выявлено не было. Перемагничивание гетероструктуры из основного состояния осуществлялось во внешнем поле —32 Э. На краях и во внутренних участках образца происходили зарождение и расширение доменов с противоположной намагниченностью (рис. 1Ъ и с). Их доменные границы визуализировались в виде черных или белых линий. Характерной особенностью перемаг-ничивания гетероструктуры из основного состояния является возникновение неоднородного черно-белого контраста вдоль направлений (110) (слева на рис. 1с) в областях образца, заметаемых смещающимися доменными границами. Этот контраст сохранялся и после окончательного перемагничивания основной части образца (рис. Ы). Важно отметить, что наблюдаемый МО-контраст сохранялся даже при увеличении отрицательного поля до значений, существенно превышающих поле насыщения, регистрируемого на петле гистерезиса. При этом вдоль полос наблюдалось лишь ослабление этого контраста. Последнее свидетельствовало о неоднородном вращении магнитных моментов, локализованных вдоль наблюдаемых полос. При обратном перемагничивании гетеро-структуры в основное состояние (рис. 1е^) зарождение новых микродоменов исходной фазы происходило в других местах. Эти домены, расширяясь и сливаясь, образовывали макродомены. В макродоменах и полностью перемагниченных областях неоднородные прямолинейные области с черно-белым контрастом отсутствовали (справа на рис. 1Ь и g).

Для выяснения природы образования специфических полос в исследуемых тонкопленочных гете-роструктурах использовался метод фотоупругости [19]. Оказалось, что ориентация и расположение обнаруженных с помощью МО-индикатора прямолинейных областей совпадают с распределением полей напряжений, выявленным в проходящем поляризованном свете с помощью эффекта двупреломления (рис. П). Такие напряжения формируются краевыми дислокациями в М^О, сгруппированными в плоскостях скольжения (110) (рис. 1]). Очевидно, что обнаруженный вдоль этих плоскостей МО-контраст обу-

Рис. 1. Перемагничивание гетероструктуры NiFe/NiO с дислокациями. (а) - Петля гистерезиса. МО-изображения участка образца после приложения полей H = —58 Э (b); —62 Э (с); -66 Э (d); +1.2 Э (e); +4.8 Э (h); +9.0 Э (g); +50 Э (h). (f) - Полученное с помощью метода фотоупругости распределение полей напряжений, наведенных краевыми дислокациями. (i) - Схема распределения краевых дислокаций

словлен полями рассеяния, формирующимися вдоль них при перемагничивании образца из основного состояния (рис. 1d). В этой фазе перемагничивания выявляются квазиодномерные домены, локализованные вблизи дислокационных плоскостей скольжения с ориентацией M, отличной от ориентации в основной части ФМ-слоя с наведенной обменной анизотропией.

Таким образом, из эксперимента следует, что появление МО-контраста вдоль дислокационных плоскостей скольжения при перемагничивании образца из основного состояния (рис. Ы) означает, что магнитные моменты в этих доменах ориентированы либо вдоль оси однонаправленной анизотропии, но анти-параллельно М в остальных областях образца, либо под некоторым углом к этой оси. В последнем слу-

Рис. 2. МО-изображения участка образца (а-1) при его намагничивании полем, отклоненном от оси однонаправленной анизотропии на угол 45° по часовой стрелке (а-ё) и против часовой стрелки (е,1). (а) - Н = +88 Э; (Ь) —+110 Э; (с) --8 Э; (ё) -16 Э; (е) - +110 Э; (1) -8Э

чае в этих прямолинейных участках наводится анизотропия, отличная от ос

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