ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 4, с. 27-34
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ _
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.25'3:539.216.2:537.622
МЕЖСЛОЕВАЯ ОБМЕННАЯ СВЯЗЬ Со/Си/Со ПЛЕНОК
© 2004 г. А. С. Самардак, П. В. Харитонский, Ю. Д. Воробьев, Л. А. Чеботкевич
Дальневосточный государственный университет, 690950 Владивосток, Суханова, 8 Поступила в редакцию 26.02.2004 г.
Исследованы поликристаллические, ультрадисперсные пленки Со/Си/Со, полученные магнетрон-ным распылением. Изучено поведение билинейной и биквадратичной компонент косвенной обменной энергии при термической обработке пленок. Установлено влияние структурных изменений (размера зерен, периода и амплитуды шероховатостей, образования магнитных мостиков в немагнитной прослойке) на поведение компонент косвенной обменной связи и на величину магниторези-стивного отношения.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы интенсивно изучается обменная связь в многослойных магнитных структурах. Исследованию осциллирующего поведения косвенной обменной связи и магнитосопро-тивления с изменением толщины немагнитного слоя посвящен целый ряд экспериментальных и теоретических работ [1-3]. Межслоевую косвенную обменную связь можно оценить только косвенным методом по измерению поля насыщения или методом подгонки, при котором теоретические модели сравниваются с экспериментальными зависимостями.
Детальное изучение межслоевого обменного взаимодействия необходимо с практической точки зрения для точного варьирования величиной и типом связи, и с теоретической точки зрения для раскрытия механизмов обменной связи.
В настоящей статье исследуется поведение параметров билинейной и биквадратичной связи в зависимости от температуры отжига. Выявляются физические механизмы влияния структурных изменений на косвенную обменную связь между ферромагнитными слоями Со/Си/Со пленок.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образцы Со/Си/Со получали магнетронным распылением на постоянном токе в атмосфере рабочего газа Аг (РАг = 5 х 103 Торр). Пленки осаждали на 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 Со, йСо = 6 нм, а толщина медной прослойки йСи варьировалась от 0 до 2.6 нм. Структура пленок исследовалась методом электронной микроскопии и дифракции электронов.
Топография поверхности пленок изучалась методом атомно-силовой микроскопии. Магнитосо-противление измеряли четырехточечным компенсационным методом в диапазоне магнитных полей от 0 до 10 кЭ, петли магнитного гистерезиса получали индукционным методом на автоматизированном вибромагнитометре. Для установления типа анизотропии и определения ориентации осей легкого намагничивания образцов снимали кривые намагничивания при вращении пленки вокруг нормали к плоскости пленки с шагом 10° в полях 20, 60 и 100 Э. Величину полей анизотропии определяли методом ферромагнитного резонанса. Термическая обработка образцов проводилась в температурном интервале 150-400°С в вакууме 10-5 Торр с шагом 50°С. Время отжига при каждой температуре составляло 30 мин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследовали удельное электросопротивление р и магниторезистивное отношение Ар/р = (ря -
- ря^)/ ря^ пленок Со/Си/Со при термической обработке, где ря - удельное электросопротивление в текущем магнитном поле, ря^ - удельное электросопротивление в поле насыщения. Для всех пленок удельное сопротивление линейно уменьшается с увеличением температуры отжига. Вид кривых магниторезистивного отношения Ар/р = =/(Тотж) зависит от толщины медной прослойки (рис. 1а). В пленках с ферромагнитной (ФМ) связью между слоями Со и в однослойных пленках Со наблюдается линейная зависимость Ар/р = /(Тотж). Величина Ар/р незначительно возрастает при увеличении температуры отжига. В образцах с толщиной медной прослойки, соответствующей антиферромагнитным (АФМ) максимумам (йСи =
Т °С
ОТЖ' ^
Рис. 1. Зависимость и магниторезистивного отношения Лр/р (а) и поля насыщения (б) от температуры отжига пленок Со/Си/Со:
1 - dcu = 0; 2 - dcu = 1.0 нм; 3 - dcu = 1.4 нм; 4 - dcu = 2.1 нм.
= 1.0 и 2.1 нм), значение Лр/р вначале увеличивается, проходит через максимум при Готж = 250°С и 300°С соответственно, а затем при более высоких температурах падает. Аналогично ведет себя и поле насыщения Н = /(Готж) (рис. 16). Изменение Лр/р с температурой отжига обусловлено изменением косвенной обменной связи. По полю насыщения Н (поле, в котором магнитные моменты в нижнем и верхнем слоях Со выстраиваются параллельно) можно судить о силе косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями Со:
эф '
[4, 5], где - намагниченность на-
сыщения, d - толщина ферромагнитного слоя. Чем сильнее косвенная обменная связь между слоями Со, тем большее поле надо приложить к образцу, чтобы ориентировать вектора намагниченности в слоях Со параллельно. Величина Н является индикатором антиферромагнитной (АФМ) связи между магнитными слоями. Поле Н измерялось по магниторезистивной петле. Так как "хвосты" кривой магниторезистивного гистерезиса простираются в большие поля, то Н бралось равным полю, измеренному на высоте 0.2(Лр/р)тах на кривой Лр/р = /(Н) [6]. Из рис. 16 видно, что поле насыщения для пленок с толщиной dCu, соответст-
вующей 1-ому и 2-му АФМ максимум, проходит через максимальное значение при тех же температурах, что и Лр/р = /(Готж).
Такое поведение магниторезистивного отношения можно объяснить следующим образом. При увеличении температуры отжига увеличиваются размеры зерен, что приводит к увеличению длины свободного пробега электронов проводимости X, а следовательно, к уменьшению р(р ~ 1/Х). С другой стороны, при Готж = 250°С происходит сглаживание межфазных границ, что сопровождается возрастанием косвенной обменной энергии между слоями Со. На рис. 2 приведены изменения морфологии поверхности пленки в процессе изотермического отжига, полученные атомно-си-ловой микроскопией. Основные параметры шероховатостей интерфейсов пленок в зависимости от температуры отжига указаны в табл. 1. Увеличение длины свободного пробега электронов X и возрастание энергии косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями должно приводить к росту магнитосопротивления [7]: Лр/р^ =
4 х /эф (1п2х
3 РБр V" Р
, где Р - период структуры, £Р -
энергия Ферми.
Таблица 1. Параметры шероховатостей межфазных границ Со/Си/Со пленок
Образец До отжига Т = отж 250°С Т = отж 400°С
к, нм 1, нм к, нм 1, нм к, нм 1, нм
Со(6 нм) 1.1 142 0.93 267 1.1 173
Со(6 нм)/Си(1 нм) 0.98 135 0.4 260 0.95 168
Со(6 нм)/Си(1 нм)/Со(6 нм) 1.12 158 0.62 289 1.4 192
нм 1200 1000 800
600 400 200
нм 10
6-
Ар/р, % 1.0
1200
0 0 200
1000 800
1200
200
нм 1200 1000 800 600 400 200
800-'™
0 0 200
76543210-
нм 876543210-
Рис. 2. Топография поверхности пленок Со/Си (1.0 нм)/Со:
а - после осаждения; б - после отжига при Готж = = 250°С; в - после отжига при Готж = 400°С. Время отжига - 30 мин.
0.5
2
m2
1.0
Рис. 3. Зависимость магниторезистивного отношения Ар/р от квадрата относительной намагниченности m2 = (I/l/:
а - Co; б - Co/Cu(1.0 нм)/Со; в - Co/Cu(2.1 нм)/Со; 1 -после осаждения; 2 - после отжига при Готж = 250°C. Сплошные кривые - линии аппроксимации.
8
4
2
0
нм
0
Для детального исследования причин изменения Ар/р изучили поведение магниторезистивного отношения в зависимости от относительной намагниченности (Ар/р = f(m2), где m = I/Is) для осажденных и отожженных пленок с разной толщиной немагнитной прослойки. На рис. 3 приведена зависимость Ар/р = f(m2) для пленок Co(12 нм), Co/Cu(1.0 нм)^о и Co/Cu(2.1 нм)^о, измеренная
до и после отжига при Готж = 250°С. В образце Со наблюдается линейная зависимость Лр/р = /(ж2) как после осаждения, так и после термической обработки (рис. 3 а). В пленках с dCu = 1.0 и 2.1 нм после осаждения зависимость Лр/р = /(ж2) отличается от линейной. Параболическая зависимость Лр/р = /(ж2) аппроксимируется выражением Лр/р = (Лр/р)тах(1 - аж2 - Ьж4), что является доказа-
Таблица 2. Магииторезистивиое отношение и коэффициенты а и Ь
Образец До отжига После отжига при Готж = 250°С
(Ар/р)тах, % а Ь (Ар/р)тах, % а Ь
Со (12 нм) 0.62 1.06 0 0.86 1.02 0
Со/Си (1.0 нм)/Со 2.0 0.77 0.25 3.57 0.96 0
Со/Си (1.4 нм)/Со 0.7 1.03 0 0.89 0.89 0
Со/Си (2.1 нм)/Со 1.46 0.68 0.29 2.46 0.39 0.7
тельством разориентации (отклонение от коллинеарности) между векторами намагниченности в слоях Со. После отжига в пленке Со/Си(1.0 нм)/Со зависимость Ар/р = /(ш2) становится линейной, а в пленке Со/Си(2.1 нм)/Со параболический характер кривой усиливается (рис. 36, в).
Значения коэффициентов а и Ь, найденные из кривых аппроксимации, приведены в табл. 2. Для образца с йСи = 1.0 нм значение коэффициента Ь после отжига приближается к нулю, что позволяет говорить об антипараллельной (или параллельной) ориентации векторов намагниченности в смежных слоях Со. Величина коэффициента Ь для образца с йСи = 2.1 нм, как видно из табл. 2, увеличивается с отжигом примерно в 3.5 раза. Следовательно, разориентация векторов намагниченности в слоях Со в пленках с йСи, соответствующей 2-ому АФМ максимуму, после отжига усиливается.
Для анализа межслоевой обменной связи Jэф = = ^ + 2J2)/dCo [8] Со/Си/Со пленок была минимизирована плотность свободной энергии магнитной системы, включающая энергию Зеемана, энергию наведенной анизотропии второго и четвертого порядков, энергию билинейной и биквад-ратичной косвенной обменной связи:
п п
Е = -ц£ й{100080, + £йкШСС82(0,- - С) +
пленки в направлении трудной оси. Энергия J1 и J2 вычислялась методом подгонки теоретических кривых к экспериментальным кривым намагничивания
1 = /(Н) и магнитосопротивления — = /(Н) [9, 10]. 1 - р
Минимизация плотности свободной энергии магнитной системы, состоящей из двух ферромагнитных слоев одинаковой толщины й, равной намагниченности и разделенных немагнитной прослойкой, производилась по стандартной методике [9]. Вычислялись первые и вторые частные производные плотности свободной энергии по углам 01 и 02.Решив систему у
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.