научная статья по теме СОСУЩЕСТВОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В НАНОСТРУКТУРЕ NB(500 A)/FE(39 A)/[SI(34 A)/MO(34 A)]40/SI Физика

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 7, с. 3-8

УДК 548.732

СОСУЩЕСТВОВАНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФЕРРОМАГНЕТИЗМА В НАНОСТРУКТУРЕ №(500 А)/Ее(39 А)/[81(34 А)/Мо(34 А)]40/81

© 2009 г. В. Л. Аксенов1'2, Ю. В. Никитенко1, Ю. Н. Хайдуков1, С. Н. Вдовичев3, М. М. Борисов2, А. Н. Морковин2, Э. Х. Мухамеджанов2

Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия 2Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва, Россия 3Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия Поступила в редакцию 15.05.2008 г.

Представлены результаты нейтронных рефлектометрических исследований магнитного состояния структуры сверхпроводник №>(500 А) - ферромагнетик 57Ре(39 А) - сверхпроводник [81(34 А)/Мо(34 А)]40, выполненных в температурном интервале 2 - 60К в магнитном поле напряженностью 500 Э. Обнаружено падение намагниченности в слое железа при переходе слоев №Ь(500 А) и [81(34 А)/Мо(34 А)]40 в сверхпроводящее состояние.

ВВЕДЕНИЕ

Исследование влияния сверхпроводимости (S) на ферромагнетизм (FM) в слоистых наноструктурах является актуальной задачей как для фундаментальной науки, так и для практических приложений. Теоретически предсказано, что благодаря эффектам близости между слоями S и FM возможны различные сценарии воздействия сверхпроводимости на ферромагнетизм: формирование доменной структуры (так называемое криптоферромагнитное состояние [1]), эффект "перетекания" намагниченности от FM-слоя к S-слою [2, 3], изменение прямого и косвенного обменного взаимодействия FM-слоев и др. Практическая важность изучения таких систем связана с перспективой создания устройств записи информации на двух каналах - электрическом сопротивлении и напряженности магнитного поля.

Количество экспериментальных работ, в которых наблюдалось влияние сверхпроводимости на магнетизм, чрезвычайно мало. Есть две работы [4, 5] в которых методом ферромагнитного резонанса наблюдалось уменьшение намагниченности FM-слоя в бислойной S/FM системе при понижении температуры ниже критической Тс. Так, в структуре Fe(l4 A)/Nb(260 А) изменение намагниченности слоя железа величиной 9.1кЭ составило 4%, в структуре Pd0.97Fe003(12 A)/V(400 А) намагниченность 2.5 кЭ уменьшалась на 60%. Авторы работ делают вывод, что уменьшение средней величины намагниченности может быть связано с переходом ферромагнитного слоя в криптоферромагнитное состояние.

Необходимо отметить, что параметры, характеризующие магнитное состояние ферромагнетика и сверхпроводника (обменное взаимодействие, размер домена, глубина проникновения магнитного поля,

корреляционная длина сверхпроводимости), изменяются на характерном линейном масштабе 1-100 нм как перпендикулярно границе раздела ферромагнетик-сверхпроводник, так и вдоль нее. В этой связи в исследованиях необходимо использовать метод измерения вектора намагниченности с пространственным разрешением до 1 нм и чувствительностью порядка 1-10 Э. Таким методом является метод ре-флектометрии поляризованных нейтронов (РПН), позволяющий определять как пространственный профиль вектора намагниченности в глубь структуры с разрешением 1 нм, так и распределение вектора намагниченности в плоскости структуры. Измеряются спектры рассеяния поляризованных нейтронов в зеркальном (б2 = бх) и диффузном (б2 Ф направлениях (рис. 1). При этом коэффициент зеркального отражения нейтронов определяется усредненным в плоскости профилем намагниченности M(z) = {M(x,y,z))x,y, а коэффициент диффузного рассеяния - отклонением локального значения намагниченности от его среднего значения |M(x,yz) - (M(x,yz)>xf.

Метод РПН является особенно информативным при исследовании доменных структур и неоднородного состояния, когда средняя намагниченность может значительно отличаться от намагниченности в отдельном домене или кластере. Нейтронная рефлектометрия уже использовалась в работах [6-9]. В [6, 7] выполнено исследование составных структур, содержащих бислой V(~400 A)/FM (FM = Fe(32 A) и Fe0.5V0.5(47 A)) и периодическую структуру Fe/V. Было выявлено, что магнитное состояние прилегающего FM-слоя и периодической структуры изменяется сложным образом в зависимости от температуры и величины магнитного поля.

Рис. 1. Схема эксперимента по рефлектометрии поляризованных нейтронов на магнитном неоднородном слое. Направление и величина локального значения намагниченности М(х,у) и его среднего значения (M(z)) показаны на верхней и боковой гранях соответственно.

Так, при переходе слоя V( ~400 А) в сверхпроводящее состояние намагниченность слоя FM уменьшалась, а в периодической структуре устанавливалось антиферромагнитное упорядочение. В работе [8] была исследована периодическая система Gd/La. Авторы делают вывод о том, что при антиферромагнитном упорядочении в периодической системе имеет место сосуществование сверхпроводимости и магнитного упорядочения, тогда как при ферромагнитном упорядочении сверхпроводимость подавляется. В [9] была исследована слоистая структура, включающая слои высокотемпературных сверхпроводников. Наблюдалось диффузное рассеяние нейтронов, которое авторы связывают с образованием доменов.

В данной работе выполнено исследование структуры Nb(500 Ä)/57Fe(39 Ä)/[Si(34 Ä)/Mo(34 Ä)]40/Si. В отличие от вышеприведенных структур Fe/V, структура Fe/Nb более простая, поскольку в ней периодическая структура (ПС) [Si(34 Ä)/Mo(34 Ä)]40 не является магнитной. С другой стороны, ПС [Si(34 Ä)/Mo(34 Ä)]40 является сверхпроводником, и это, дополнительно к слою Nb(500 Ä,) усиливает воздействие сверхпроводимости на ферромагнитный слой Fe(39 Ä).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследуемая многослойная структура Nb(500 Â)/57Fe(39 Â)/[Si(34 Â)/Mo(34 Â)]40/Si (S1) была изготовлена в Институте физики микроструктур (г. Нижний Новгород) по следующей процедуре [10]. Вначале на кремниевой подложке приготавливалась периодическая структура [Si/Mo], затем методом лазерного напыления осаждался тонкий слой 57Fe; после этого образец переносился в магнетрон для нанесения относительно толстого слоя Nb (~50-70 нм). Аналогичная S1 структура S2 с числом бис-лоев 45 была исследована методом рефлектометрии

синхротронного резонансного излучения в режиме стоячих рентгеновских волн [10]. Измерения показали, что в окрестности Tc происходит слабое изменение магнитного поля на ядре железа. Аналогичное исследование системы V/57Fe [11] не обнаружило изменения магнитного поля на ядре железа.

Тестирование на сверхпроводимость в этих образцах было проведено в ИФМ бесконтактным методом по нелинейному отклику на третьей гармонике при СВЧ-возбуждении в гелиевом криостате [12]. Температура сверхпроводящего перехода ниобия согласно этим данным составляет Tc-Nb = 9.2 К. Длина когерентности и глубина проникновения согласно литературным данным составляет ÀNb = 470 Â [13] и ^Nb ~ 400 Â [4]. Периодическая структура Si/Mo также является сверхпроводником с критической температурой Tc-Si/Mo = 4.5 К. Длина когерентности ПС составляет величину порядка 200 Â [14]. Отметим, что в образце S2 температура сверхпроводящего перехода в периодической структуре Si/Mo была выше и составляла Tc-Si/Mo = 9 К. Наличие достаточно сильной сверхпроводимости в периодических структурах Si/Mo является еще необъясненным фактом (критическая температура чистого молибдена составляет всего 0.9 К). В качестве возможных причин возникновения сверхпроводимости указываются изменение в электронной структуре молибдена [15] и наличие вблизи границ раздела аморфной фазы MoSi [16]. В нашем случае наличие второго сверхпроводника в слоистой структуре позволяет сравнить поведение систем N/F/N при Т > rc-Nb, S/F/N при TC-Si/Mo < Т < TC-Nb и S/F/S при T < Tc-Si/Mo (буквами S и N здесь обозначены сверхпроводящее и нормальное состояние металла).

Огруктурные свойства системы были исследованы на канале 6.6 Курчатовского источника синхротронного излучения (станция прецизионной рентгеновской оптики) [17]. Исследовались спектры зеркального и диффузного рассеяния (рис. 2) рентгеновского излучения с длиной волны 1.54 Â,

Интенсивность, отн. ед. 10г

10

10-

1-4 =

Интенсивность, отн. ед.

аг = 0.12 А-1 (б)

б* А-1

Рис. 2. Кривая зеркального отражения (а) и диффузного рассеяния вблизи брэгговского пика первого порядка (б) для рентгеновского излучения.

интенсивностью 5.68 х 106 имп./с и расходимостью 3 х 10-2 мрад. Кривая зеркального отражения характеризуется наличием области полного отражения, ярко выраженных осцилляций Киссига и четырех пиков брэгговского отражения от периодической структуры. Количественный анализ кривых зеркального и диффузного рассеяния вблизи одного брэгговского отражения проводился при помощи программы Б^Бике [18]. При этом для периода структуры получено значение В = 56.4 А. Отношение потенциалов слоев Мо и составило 1.5, в то время как для объемных материалов оно должно составлять величину 3.5. Это указывает или на наличие шероховатости на границах раздела, или на перемешивания атомов молибдена и кремния. Однако низкий уровень диффузного рассеяния (порядка 10-5 по отношению к зеркальному) указывает на существование перемешивания. Основным источником диффузного рассеяния является шероховатость поверхности структуры, границы раздела между ниобием и железом, а также границы раздела подложки с ПС. Среднеквадратичные амплитуды шероховатости для них составили соответственно с8иг = 40 А, аРе = 15 А и а8иЬ = 15 А. Продольная длина корреляции шероховатости составила = 1000 А. Поперечной корреляции между шероховатостью различных границ раздела не выявлено.

Магнитные свойства образца при комнатной температуре были исследованы методом мессбауэ-ровской спектрометрии на конверсионных электронах. Исследования показали отсутствие магнитного момента в образце при комнатной температуре, что объясняется большой неоднородностью слоя железа.

Нейтронные измерения были проведены на вре-мяпролетном спектрометре поляризованных нейтронов РЕМУР реактора ИБР-2 в Дубне. Для изменения поляризации пучка, падающего на образец, использовался спин-флиппер: при выключенном (включенном) спин-флиппере измерялась интенсивность рассеянных нейтро

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.