ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 6, с. 47-52
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.622/.624
МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
Со/Си/Со ПЛЕНОК
© 2004 г. А. В. Огнев, Ю. Д. Воробьев, Л. А. Чеботкевич
Институт физики и информационных технологий Дальневосточного государственного университета,
690650, г. Владивосток, Суханова, 8 Поступила в редакцию 20.10.2003 г.
Экспериментально определены магнитные характеристики трехслойных пленок Со/Си/Со: ферромагнитный корреляционный радиус Яр, угол дисперсии анизотропии фа, средняя анизотропия ферромагнитного блока (Ка), коэрцитивная сила Нс. Показано, что наведенная анизотропия, поле средней анизотропии ферромагнитного блока, коэрцитивная сила и ферромагнитный корреляционный радиус осциллируют с изменением толщины медной прослойки. Установлено, что (Ка) определяется средней локальной кристаллографической анизотропией, обусловленной структурными дефектами и косвенной обменной связью Еэф между слоями Со.
ВВЕДЕНИЕ
К важнейшим физическим свойствам, которые влияют на процессы перемагничивания, доменную структуру и др. в тонких пленках, относится магнитная анизотропия.
В мелкозернистых (Я < 10 нм), поликристаллических пленках плотность межзеренных границ >1016 м-2. В таких пленках точечные дефекты (вакансии, атомы остаточных газов и т.д.) распределены по границам зерен. Поэтому намагниченность в межзеренной границе (/мг) будет существенно меньше намагниченности в зерне I, [1, 2]. В результате из-за скачка намагниченности на границе зерно/межзеренная граница (А/ = I, - /мг) образуются магнитостатические поля. Межзерен-ные границы, расположенные перпендикулярно к направлению вектора намагниченности, вносят вклад в магнитостатическую энергию. Компонента анизотропии, обусловленная магнитостатикой границ между зернами, имеет вид:
„ш
Ки =
6 п И2( Т )у2 С0 а 2Я
х
8 п м2( Т' )у 2с0-3 Е X, (Т') аДеф
(1)
х
ИкТ
-[ 1 ],
В результате релаксации напряжений в процессе осаждения пленок и сцепления пленки с подложкой возникает добавочная анизотропия магнитоупругого происхождения:
К,
1 +
= 3ЕМ Т)Х,( Т) х
2п И2 ( Т' ) адеф с^2 а' ИкТ' Х,( Т )Я
(2)
[ 1 ],
где X, (Т и X, (Т) - усредненные значения магни-тострикции при температуре измерения и конденсации; N - число узлов решетки в 1 м3; Е - модуль Юнга. Наведенная одноосная анизотропия поликристаллических пленок:
К, - К, + К ,,
(3)
где И(Т) и И(Т) - намагниченность при температуре измерения и конденсации; с0 - равновесная концентрация вакансий; а - ширина межзеренной границы; адеф - коэффициент линейной дилата-ции решетки; к - постоянная Больцмана; Я - размер зерна; у - постоянная, характеризующая эффективность влияния дефектов на намагниченность (у = 6 для структуры ГЦК).
Кроме того, в поликристаллических пленках с малым размером зерна (Я = 5-10 нм) смежные зерна связаны ферромагнитным обменным взаимодействием, заставляющим магнитные моменты выстраиваться параллельно, препятствуя намагниченности следовать по осям легкого намагничивания в отдельном кристаллите. Соседние зерна образуют блоки ферромагнитной корреляции, которым соответствует среднее поле анизотропии (эффективная анизотропия, усредненная
по нескольким зернам (К) = К1^л/И [3], где К1 -константа кристаллографической анизотропии; N - число зерен в магнитном блоке). Таким образом, для поликристаллических пленок с малым размером зерен средняя анизотропия магнитного блока будет:
( К а) - (( К) 2 + К 2 )
2.1/2
(4)
х
M/Ms 1
0 -
-200
200 -40
0
H, кА/м
40 -80
80
Рис. 1. Петли магнитного гистерезиса пленок Co/Cu/Co: а - dcu = 1.0 нм; б - dcu = 1.6 нм; в - dcu = 2.1 нм; О - H || о.л.н., ▲ - H ± о.л.н.
В слоистых структурах, состоящих из ферромагнитных слоев, разделенных немагнитными прослойками, эффективная анизотропия должна определяться не только анизотропией усредненной по зернам и анизотропией, наведенной структурными дефектами, но также энергией косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями.
Данная работа посвящена исследованию влияния косвенной обменной связи на величину средней магнитной анизотропии трехслойных пленок Со/Си/Со.
МЕТОДИКА
Образцы Со/Си/Со получали магнетронным распылением на постоянном токе в атмосфере рабочего газа Аг (РАг = 5 х 10-3 Торр). Пленки осаждали на естественно окисленные монокристаллы (111)81 при комнатной температуре. Толщина слоев контролировалась по времени напыления. Скорость осаждения Со и Си составляла 0.1 и 0.08 нм/с соответственно. В работе исследовались пленки Со/Си/Со с толщиной слоев кобальта &Со = 6 нм, а толщина медной прослойки &Си варьировалась от 0 до 2.6 нм. Структура пленок исследовалась методами электронной микроскопии и дифракции электронов. Все исследуемые пленки поликристаллические с размером зерна ~5-6 нм. Намагниченность и коэрцитивную силу измеряли индукционным методом на автоматизированном вибромагнитометре, поле насыщения определяли из магниторезистивных х петель гистерезиса. Для измерения поля средней анизотропии использовали закон приближения к насыщению. Петли магнитного гистерезиса снимали на автоматизированном вибромагнитометре. Среднюю наведенную анизотропию и дисперсию анизотропии измеряли методом ферромагнитного резонанса (ФМР).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Петли магнитного гистерезиса трехслойных пленок Co/Cu/Co получали под различными углами относительно направления предполагаемой оси легкого намагничивания (о.л.н.) (направление, совпадающее с направлением поля магнетрона). На рис. 1 в качестве примера приведены петли магнитного гистерезиса пленок Co/Cu/Co для H || о.л.н. и H ± о.л.н. Видно, что в пленках с толщиной прослойки dCu = 1.0 и 2.1 нм, соответствующей 1-му и 2-му антиферромагнитным (АФМ) максимумам, петли магнитного гистерезиса, полученные при перемагничивании пленок вдоль "предполагаемых" о.л.н. и о.т.н., одинаковы.
В пленках с толщиной немагнитной прослойки dCu = 1.6 нм, когда слои Со связаны ферромагнит-но (ФМ), петли магнитного гистерезиса, полученные при перемагничивании вдоль о.л.н. и о.т.н., различны. Таким образом, в трехслойных пленках, полученных в едином технологическом цикле, но отличающихся только толщиной немагнитной прослойки (типом связи между ферромагнитными слоями), в случае ферромагнитной связи между слоями Со формируется одноосная наведенная анизотропия, а при антиферромагнитной связи между слоями Со пленки будут изотропными.
Полярные диаграммы, полученные в слабых полях (H = 1.6; 4.8; 7.9 и 9.6 кА/м), при вращении пленки вокруг нормали к плоскости пленки с шагом 10° выявляют в пленках с АФМ-связью между слоями Со анизотропию высокого порядка (двухосную анизотропию) (рис. 2а, 2в). Максимумы M/Ms на полярных диаграммах соответствуют о.л.н., а минимумы - о.т.н. Двухосная анизотропия в пленках с АФМ-связью между слоями Со была выявлена также методом ферромагнитного резонанса (рис. 3). Угловая зависимость резонансного поля Hr = f (фн) (фн - угол между H и предполагаемой о.л.н.) пленки с dCu = 1.6 нм (ФМ-связь между слоями Со) показывает, что миниму-
0
0
(а) (б) (в)
Рис. 2. Полярные диаграммы пленок Со/Си/Со:
а - &Си = 1.0 нм; б - &Си = 1.6 нм; в - &Си = 2.1 нм; 1 - Н = 1.6 кА/м; 2 - Н = 4.8 кА/м; 3 - Н = 7.9 кА/м; 4 - Н = 9.6 кА/м.
Рис. 3. Зависимость резонансного поля Нг от ориентации внешнего магнитного поля относительно о.л.н. для пленок Со/Си/Со: а - &Си = 1.6 нм; б - &Си = 2.1 нм.
Рис. 4. Зависимости поля наведенной магнитной анизотропии Ни эф (а) и угловой дисперсии анизотропии фа (б) пленок Со/Си/Со от толщины прослойки &Си, измеренные методом ФМР, а также электронно-микроскопическое изображение доменной структуры пленки Со/(2.1 нм)Си/Со (в). Стрелками отмечены области, в которых слои Со связаны АФМ.
мы Нг приходятся на фН = 0 и 180°, что свидетельствует об одноосной наведенной анизотропии. Для пленки с &Си = 2.1 нм (АФМ-связь между слоями Со) зависимость Нг = f (фН) показывает наличие трех максимумов резонансного поля, соответствующих случаю, когда Н || о.т.н. и приходящих-
ся на фН = 0 и ±90°, что свидетельствует о присутствии в пленке двух о.л.н.
Измеряемое ФМР-поле магнитной анизотропии (Ни эф = (Н°'т'н - Н°'л'н )/2) приведено на рис. 4а. Видно, что поле наведенной магнитной анизотро-
AM/Ms 0.24
M/Ms 1.0
0.12
0.04 0.08 0.12 0.16 H1, (кАм/м)-1
=f(H-1)
Рис. 5. Высокополевые участки кривых ДМ/М5 пленок Со/Си/Со):
+ - dcu = 0; А - dcu = 1.0 нм; ■ - dcu = 1.6 нм; ♦ - dcu = = 2.1 нм. На вставке приведена зависимость Ы/Ы5 = /(И) (пунктирными линиями отмечен диапазон полей, для которого выполняется степенная зависимость.
пии осциллирует с изменением толщины прослойки Си. Минимумы Ии эф приходятся на толщины прослойки Си, соответствующие АФМ-максиму-мам, при которых наблюдается максимум дисперсии анизотропии.
Реальные нанокристаллические пленки состоят из магнитных блоков, в которых поле наведенной магнитной анизотропии (Ии) по величине и направлению отличается от среднего поля по всей пленке (Ииэф) [1]:
Hu эф = Hu cos 2 фа,
(5)
ченности в областях с ФМ-связью между слоями Со существенно меньше (фа = 10°-12°), чем в областях с АФМ-связью (фа = 35°-40°).
В многослойных пленках магнитные блоки характеризуются средним полем анизотропии блока <Иа). Известно, что зерна в слоистых пленках имеют колонковую структуру. Это следует из прямых электронно-микроскопических наблюдений поперечного сечения многослойных пленок Со/Си [5, 6]. Причем каждое отдельно взятое зерно такой структуры состоит из чередующихся слоев Со и Си. Т.е. слои Со связаны косвенным обменным взаимодействием через промежуточные слои Си. Поэтому при определении средней магнитной анизотропии блока необходимо учитывать энергию косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями.
Параметры средней анизотропии магнитного блока трехслойных пленок определялись в полях, близких к насыщению Ис < И < Иех, где Иех - обменное поле, которое находится как Иех = 2А/МЯ2, где А - константа обменного взаимодействия.
Для двухмерной системы обменно-связанных зерен, при которой пленка вымощена кристаллитами в о
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.