ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2012, том 113, № 9, с. 908-912
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 539.216.2:537.622
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА МАГНИТНУЮ АНИЗОТРОПИЮ И ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ АМОРФНЫЕ СЛОИ Tb-Co
© 2012 г. В. О. Васьковский, А. В. Свалов, К. Г. Балымов, Н. А. Кулеш
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 Поступила в редакцию 23.01.2012 г.
Исследовано влияние термообработки на магнитные свойства аморфных пленок Tb—Co и пленочных структур на их основе. Установлены закономерности изменения коэрцитивной силы и константы наведенной магнитной анизотропии аморфных пленок Tb—Co, а также коэрцитивной силы и поля однонаправленной анизотропии слоя пермаллоя в пленках Fe19Ni81/Tb—Co в зависимости от температуры отжига. Интерпретация указанных зависимостей дана в предположениях о термически инициированных изменениях ближнего атомного порядка в аморфной структуре и межслой-ной диффузии в двухслойных пленках.
Ключевые слова: магнитные пленки, анизотропия, гистерезис, отжиг, перемагничивание.
Однородные и гетерогенные пленки системы Tb—Co рассматриваются как эффективный источник внутреннего магнитного смещения в слоистых обменно-связанных структурах [1—5]. Это обусловлено удачным сочетанием магнитных свойств таких пленок, а именно сильной локальной магнитной анизотропией, приводящей к высокому магнитному гистерезису, и наведенной макроскопической одноосной анизотропии, задающей необходимые свойства в прилегающих магнитомягких слоях [6]. Однако реализация указанных свойств, как правило, связана с аморфным структурным состоянием, носящим метаста-бильный характер. Важным условием успешной эксплуатации такого состояния является его термическая устойчивость [7]. В литературе сведения по этому вопросу невелики и относятся главным образом к термочувствительности перпендикулярной магнитной анизотропии [8, 9]. Данная работа посвящена исследованию эффектов термического воздействия на гистерезисные свойства и магнитную анизотропию, реализующиеся в плоскости аморфных пленок Tb—Co и пленочных структур типа Fe19Ni81/Tb—Co.
Пленочные образцы были получены методом ионного высокочастотного распыления в атмосфере аргона при давлении 10-3 мм рт. ст. Распыление осуществлялось в присутствии однородного магнитного поля H, которое имело напряженность 150 Э и было ориентировано в плоскости пленок. Подложками служили покровные стекла Corning. Для получения слоев Tb—Co, толщина которых составляла около 100 нм, использовали мозаич-
ную, а слоев Бе19№81 толщиной 50 нм — сплавную мишени. С целью предохранения от окисления пленок ТЬ—Со и пленочных структур Бе19№81/ТЬ—Со, в которых ТЬ-содержащий слой был внешним, на все образцы наносилось защитное покрытие Т1 толщиной 50 нм. Химический состав и структурное состояние пленок определялись методами атомно-эмиссионной спектроскопии и рентгеновской дифракции соответственно. Пример типичной дифрактограм-мы представлен на рис. 1 (кривая 1). Он, в частности, указывает на рентгеноаморфное состояние
8000 г
7000 -
л
У 6000 -
х
«
| 5000 -
н
¡§ 4000 -
3000 -
20 30 40 50 60 70 20,град
Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы пленки ТЬ22Со78/Т1 в исходном состоянии (1) и после отжига при 200°С (2). Линией обозначено номинальное положение одного из дифракционных рефлексов Т1.
о
1-н
-500
-5000 0 H, Э
(а)
- с Г—
1 - •> А f
У
5000
500
о
Г
0 -
-500 -
5000 0 H, Э
5000
Рис. 2. Продольные (1) и поперечные (2) петли гистерезиса пленок ТЪ18Со82 (а) и ТЪз1Соб9 (б) в исходном состоянии
0
слоев ТЪ—Со в пленках, полученных описанным способом.
Отжиг образцов имел накопительный характер и производился в вакууме (давление остаточных газов 10-6 мм рт. ст.) в течение одного часа при каждой температуре. Для определения магнитных свойств пленок использовался вибрационный магнитометр. С его помощью при комнатной температуре измерялись петли гистерезиса М(Н) в плоскости образцов вдоль (продольные петли) и поперек (поперечные петли) оси приложения технологического поля Н .
В эксперименте по исследованию термостабильности свойств пленок ТЪ—Со использовались образцы двух составов: ТЪ18Со82 и ТЪ31Со69. Петли гистерезиса М(Н) этих образцов в исходном состоянии показаны на рис. 2. Как видно, для состава с относительно низким содержанием ТЪ (рис. 2а) продольная петля является прямоугольной, а поперечная имеет существенный наклон, что свидетельствует о наличии одноосной магнитной анизотропии. Гистерезис в центральной части поперечной петли, скорее всего, обусловлен дисперсией анизотропии в объеме образца [10, 11]. Отметим также, что результирующая ось легкого намагничивания (ОЛН) совпадает с осью приложения поля Н . Это, а также большое значение поля анизотропии (~5 кЭ), позволяют классифицировать указанную анизотропию как М-наведенную [12], а в качестве ее вероятного механизма указать наличие однородных упругих напряжений [13]. Последние возникают благодаря высокой магнитострикции аморфных пленок ТЪ—Со и могут фиксироваться за счет адгезии пленки на подложке.
Картина перемагничивания заметно изменяется в образцах с большим содержанием ТЪ (рис. 2б). В первую очередь это относится к продольной петле гистерезиса. Она приобретает скошенный ха-
рактер и показывает более высокую коэрцитивную силу, свидетельствуя тем самым о возросшей дисперсии анизотропии. Согласно [13, 14], в пленках Tb—Co может иметь место флуктуация локальных ОЛН, определяющая дисперсию атомных магнитных моментов тербия (сперимагнетизм), а также макроскопическая флуктуация ОЛН, приводящая к возникновению доменоподобной магнитной неоднородности. Последнее обстоятельство, по-видимому, и в нашем случае задает характер кривых М(Н) в области относительно невысоких полей.
Термообработка пленок была выполнена в интервале температур Ta от 90 до 200°С, который является наиболее интересным для практических приложений. В результате установлено, что образцы обоих составов на всех этапах термообработки сохраняют одноосный характер магнитной анизотропии. Более того, для пленки Tb31Co69 продольные петли показали несколько увеличивающуюся остаточную намагниченность, тем самым свидетельствуя об уменьшении дисперсии магнитной анизотропии. Основные же изменения коснулись количественных параметров петель гистерезиса. В первую очередь это относится к коэрцитивной силе, зависимости которой от температуры отжига представлены на рис. 3а. Не смотря на существенное различие в уровне магнитного гистерезиса в образцах разного состава, термообработка в том и другом случаях привела более чем к 3-х кратному уменьшению Нс. Различие состоит лишь в том, что для образца Tb18Co82 наиболее резкие изменения произошли при Ta < 100°С, а для Tb31Co69 — при Ta > 150°С.
Наряду с гистерезисными свойствами термообработка отразилась и на величине наведенной магнитной анизотропии. Для характеристики анизотропии нами использовалась константа К, которая определялась при комнатной температу-
910
ВАСЬКОВСКИЙ и др.
1600
1200
800
400
(а)
\
1
cN-Q^
1 * V
100
50
C
о
0 2
1.0
0.5
100
Ta, °C
200
100
Ta, °C
200
Рис. 3. Зависимости коэрцитивной силы (а) и нормированной константы магнитной анизотропии (б) от температуры отжига для пленок ТЬ18Со82 (кривые 1) и ТЬ31Со69 (кривые 2).
1.0 0.5 0
-0.5 -1.0
(а)
1.0 0.5 0
-0.5 -1.0
(б)
-1000 0 Я, Э
1000
-1000 0 H, Э
1000
Рис. 4. Полные петли гистерезиса пленки Бе19М81/ТЬз5Со65 в исходном состоянии (а) и после отжига при 270°С (б).
ре как разница площадей под парами кривых размагничивания вдоль и перпендикулярно ОЛН. Зависимости K(Ta) в нормированной форме показаны на рис. 3б. Не смотря на сильный разброс экспериментальных точек, в образцах обоих типов очевидна тенденция к уменьшению анизотропии по мере роста Ta. В большей степени она выражена в пленках с более высоким содержанием Tb. Характерно, что при этом не было зафиксировано изменений в структурном состоянии пленок. Дифрактограммы контрольного образца в исходном состоянии (см. рис. 1, кривая 1) и после отжига при Ta = 200°С (рис. 1, кривая 2) практически неразличимы.
В целом представленные результаты позволяют заключить, что аморфное состояние в пленках Tb-Co обладает высокой устойчивостью к термическому воздействию. Однако важные функциональные свойства, к которым относятся и магнитный гистерезис и наведенная магнитная анизотропия, весьма чувствительны даже к низкотемпературному отжигу, использованному в эксперименте. Не исключено, что такое воздействие инициирует изменения ближнего атомно-
го порядка, снижая роль редкоземельных ионов в формировании локальной магнитной анизотропии и магнитострикции. Именно это, в конечном счете, и приводит к уменьшению и Нс и К.
Эксперимент по термообработке двухслойных пленочных структур выполнен на образцах Ре19№81/ТЬ35Со65. На рис. 4а показана продольная полная петля гистерезиса такой пленки в исходном состоянии. Она имеет ступенчатый вид, свидетельствующий о послойном перемагничи-вании образца. Резкие изменения намагниченности в области слабых полей соответствуют пере-магничиванию слоя Ре19№81, в области сильных полей — аморфного слоя ТЬ35Со65. Частная продольная петля, отражающая перемагничивание только слоя пермаллоя, представлена на рис. 5а. Характерная несимметричная форма и значительный сдвиг этой петли по оси магнитных полей свидетельствуют о наличии межслойного обменного взаимодействия. Количественными параметрами частной петли являются коэрцитивная сила Нс и поле обменной связи (поле однонаправленной анизотропии) Не, которые в исходном со-
0
0
0
1.0 0.5
)
0
—0.5 —1.0
(а)
« 2Hc
У-
кИ.
0 200
И, Э
400
1.0 0.5
л
/ 0
;
—0.5 —1.0
(в)
200
И, Э
400
1.0 0.5
сл
/ 0
i
—0.5 —1.0
—100 0 И, Э
Рис. 5. Частные петли гистерезиса пленки Ре19№81/ТЪз5Соб5 в исходном состоянии (а) и после отжига при температурах 150°С (б) и 270°С (в). Построение выполнено без учета вклада от слоев ТЪз5Соб5 в общую намагниченность образцов.
стоянии составляют около 40 Э и 150 Э соответственно.
Нак
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.