ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 8, с. 1222-1224
УДК 537.622.4
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТРЕХСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ta-P © 2009 г. А. В. Чжан12, С. Я. Кипарисов1, В. А. Середкин1, Г. С. Патрин12, М. Г. Пальчик2
E-mail: avchz@mail.ru
Приведены результаты исследований магнитных свойств трехслойной пленочной системы, которая образована из магнитожесткого и магнитомягкого ферромагнитных слоев Co—Р и немагнитным промежуточным слоем Ni—P. Определены особенности в изменении смещения петли гистерезиса относительно нулевого значения внешнего магнитного, а также коэрцитивной силы магнитотомягкого слоя в зависимости от толщины магнитожесткого и промежуточного слоев. Обнаружены и исследованы динамические изменения в смещении петли гистерезиса магнитомягкого слоя в зависимости от времени его перемагничивания после предварительного насыщения магнитожесткого слоя.
За последние годы значительно вырос интерес к многослойным магнитным пленочным структурам в связи с тем, что в них наблюдаются необычные эффекты, которые не обнаруживаются в объемных материалах [1]. Это вызвало широкий поиск новых технологий и материалов, с помощью которых можно управлять различного рода взаимодействиями между магнитными слоями. В настоящей работе приведены результаты исследований магнитных свойств многослойных тонких пленок, полученных химическим осаждением. Для получения таких структур разработана оригинальная технология химического осаждения как магнитных, так и промежуточного немагнитного слоев.
ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБРАЗЦЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
Исследуемые образцы представляли собой трехслойную структуру, полученную химическим осаждением. В качестве подложки использовано индикаторное стекло фирмы CORNING. На нижний изотропный магнитожесткий слой поликристаллического соединения Со—Р [2] толщиной tMH осаждали слой из аморфного соединения Ni—P толщиной tNM. Состав этого слоя выбирали таким образом, чтобы он был немагнитным. Верхний магнитомягкий слой из аморфного Со—Р с толщиной tMS имел одноосную анизотропию с легкой осью, параллельной магнитному полю, при котором происходило осаждение. Химический состав слоев контролировали с помощью фотоколомет-рического и рентгеноспектрального анализов. Для нижнего слоя содержание Co и Р в весовых процентах составило 97.5%, Р — 2.5%; для —верхнего 94.5% и 5.5%
1 Учреждение Российской академии наук Институт физики им. Л.В.Киренского СО РАН, Красноярск.
2 Сибирский федеральный университет, Красноярск.
Измерение петель гистерезиса осуществляли с помощью меридионального эффекта Керра на частоте 0.01 Гц, а также индукционным способом с частотой 50 Гц. Динамические изменения петель гистерезиса визуально наблюдали на экране осциллографа и параллельно регистрировали ШЕБ-камерой с записью в видеофайл.
В исходном состоянии пленки насыщались вдоль легкой оси магнитомягкого слоя постоянным магнитным полем напряженностью 14 кЭ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Магнитные свойства исследуемых трехслойных структур зависят как от магнитных свойств обеих магнитных пленок, так и от толщины промежуточного слоя. В зависимости от этих параметров можно наблюдать либо одну общую петлю гистерезиса, либо от каждого магнитного слоя свою. В исследуемых структурах нижний слой является магнито-жестким, и его коэрцитивная сила изменяется от 500 до 1000 Э в зависимости от его толщины. Верхний магнитомягкий слой образован аморфным соединением Со—Р. Коэрцитивная сила такой пленки в однослойном состоянии не превышает 10 Э. В связанном состоянии коэрцитивная сила Нс этого слоя зависит от толщины магнитожесткого слоя (рис. 1а). Значение Нс уменьшается от 30 Э при ¿мн = = 2 нм до 7 Э при ¿1мн = 13 нм и затем вновь увеличивается с ростом толщины магнитожесткого слоя. Такое поведение коэрцитивной силы наблюдается при измерениях магнитооптическим способами и менее выражено при индукционном способе измерений. Наблюдаемые изменения Нс, по всей видимости, объясняются тем, что с увеличением толщины магнитожесткого слоя уменьшается его неоднородность и, как следствие, неоднородность промежуточного слоя. Уменьшение коэрцитивной силы хорошо коррелирует с изменениями рельефа поверхности магнитожсткого
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТРЕХСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ Со-Р
1223
Н, Э
40 -
20
Нл„, Э
40
20
15
МН
Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы (а) и поля смещения (Ь) от толщины магнитожесткого слоя. = 1 нм, ГМ8 =20 нм.
Нс, Э
20
Н*, Э
20
20
нм
Рис. 2. Зависимость коэрцитивной силы (а) и поля смещения (Ь) от толщины промежуточного слоя. ?ми =
12 нм, Ц
М8 :
20 нм.
слоя, которые определяли с помощью электронно-микроскопических наблюдений.
Петля гистерезиса магнитомягкого слоя смещена относительно нулевого значения внешнего магнитного поля к на величину Нл. Смещение петель гистерезиса происходило в противоположную сторону относительно намагниченности магнито-жесткого слоя или, согласно терминологии [3], в положительном направлении. Значения Нл в зависимости от толщины магнитожесткого слоя представлены на рис. 1б.
Смещение петли гистерезиса в трехслойных магнитных пленках с немагнитной или слабомагнитной прослойкой может обусловливаться самыми различными физическими механизмами. Причинами смещения петли гистерезиса могут быть неоднородности промежуточного слоя и возможные локальные микроотверстия, магнитостатиче-ская связь через слабоферромагнитную прослойку, а также обменное взаимодействие между магнитными слоями. Магнитостатическое взаимодействие магнитных слоев в данном случае можно ис-
Рис. 3. Изменения петли гистерезиса трехслойной системы в зависимости от времени перемагничивания после насыщения в постоянном поле. а — т = 0 с, б — т = 7 с, в — т = 16 с, г — т = 60 с, д — т = 540 с. ?ми = 7 нм, %М = 1 нм, ГМ8 = 12 нм.
ключить, так как оно должно привести к смещению петли гистерезиса в отрицательную сторону и зависеть от геометрических размеров в плоскости образца, что исключается экспериментальными наблюдениями.
Значение коэрцитивной силы Нс и поля смещения Нск менялись в зависимости от толщины промежуточного слоя, как показано на рис. 2 соответственно кривыми а и Ь.
Следует отметить, что изменение толщины промежуточного слоя в указанных пределах ока-
0
0
0
0
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 № 8 2009
1224
ЧЖАН и др.
зывает слабое влияние на величину коэрцитивной силы магнитомягкого слоя по сравнению с изменениями поля смещения. Такое поведение петли гистерезиса указывает на то, что эффекты неоднородности поверхности промежуточного слоя не оказывают существенного влияния на смещение петель гистерезиса. Следовательно, основными причинами смещения петли гистерезиса могут быть либо обменное взаимодействие между ферромагнитными слоями, либо связь этих слоев через слабомагнитную прослойку.
На существенное влияние сил взаимодействия обменной природы могут указывать эффекты магнитного последействия, обнаруживаемые в настоящей системе по изменению величины поля смещения от времени перемагничивания I (рис. 3). В исходном состоянии система насыщалась в легком направлении магнитным полем 14 кЭ. Как следует из рис. 3, с течением времени перемагничивания смещение петли уменьшается и исчезает полностью. Период времени, в течение которого наблюдаются такие трансформации петель гистерезиса, зависит от толщины магнитожесткого слоя. Так, для структуры с толщиной 7 нм время полного изменения петли составляет ~9 мин, а при толщине 9 нм — ~25 мин. Это время уменьшается с ростом амплитуды магнитного поля. Для структуры с ¿мн = 7 нм при амплитуде магнитного поля 250 Э петля не смещается уже при времени перемагни-чивания ~10 с. В таком состоянии система может
находиться как угодно долго, и, чтобы она приобрела первоначальные свойства, необходимо приложить достаточно сильное магнитное поле в легком направлении.
Магнитное последействие подобного вида было впервые обнаружено в системах с ферро- и антиферромагнитной связью (с обменной анизотропией). Такой вид последействия получил название необыкновенного и является универсальным свойством для многослойных пленок с обменной анизотропией. Необыкновенное последействие обусловлено вращательным гистерезисом, который вызван изменениями в обменной анизотропии.
Наблюдаемое нами магнитное последействие носит во многом аналогичный характер с необыкновенным последействием. Этот факт представляется не совсем понятным, так как в исследуемой структуре имеет место обменное взаимодействие ферромагнитного типа.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант № 08-02-00397а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Grunberg P., Burgler D.E., Dassow H. et al. // Acta Mater. 2007. V. 55. P. 1171.
2. Вершинин В.В., Кипарисов С.Я., Патрин Г.С. и др. // ФММ. 2007. Т. 103. № 5. С. 493.
3. Йелон А. Физика тонких пленок. Т. 6. М.: Мир, 1973. С. 229.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 № 8 2009
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.