WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Конусный характер анизотропии удалось описать в рамках модели пленки, состоящей из двух слоев, разделенных бесконечно тонкой границей. Основной слой имеет толщину lос, намагниченность Мос, константу одноосной перпендикулярной анизотропии Кu. Константа Кu включает в себя как наведенную анизотропию, так и анизотропию формы пленки. Поверхностный (окисленный) слой имеет толщину lпс, намагниченность Мпс и магнитную анизотропию, обусловленную только анизотропией формы слоя с константой Кпс=-2Мпс2. Между слоями существует обменное и магнитостатическое взаимодействие, но энергия его мала по сравнению с энергией анизотропии каждого из слоев. Из этого 1.1. 0.0.-0.-1.-1.0 50 100 H (град ) условия следует, что вектор Мос ориентирован близко к нормали, а Мпс - в плоскости пленки. Модель содержит несколько параметров, характеризующих пленку, часть из них была определена из кривых намагничивания, часть пришлось постулировать. В итоге удалось получить хорошее согласие результатов расчета и эксперимента при описании кривых вращающих моментов КВМ (рис.1), зависимости вращающего момента от напряженности поля в Тк (рис.2, кривая 1), зависимости угла раствора конуса осей легкого намагничивания от температуры и напряженности поля. При этом не была объяснена наблюдаемая немонотонная зависимость Кu(Т). Это оказалось возможным сделать только путем учета нарушения коллинеарности магнитных моментов подсистем Gd и Со в магнитном поле. Было также показано, что только в больших полях возможен заметный вклад во вращающий момент как изгиба подрешеток (рис.2, кривая 2), так и парапроцесса в подрешетке гадолиния (рис.2, кривая 3).

Окисленный слой оказывает влияние и на процесс спиновой переориентации (СП), т.е. изменение эффективного характера магнитной анизотропии пленки от перпендикулярной к анизотропии типа плоскость легкого намагничивания. Нами было показано, что на образцах без окисленного слоя СП происходит практически скачкообразно (рис.3, кривая 1). При наличии окисленного слоя, созданного путем отжига пленки на воздухе, СП проходит в определенном интервале температур через состояние, характеризуемое конусом легкого намагничивания КЛН (рис.3, кривая 2). Данный процесс был проанализирован теоретически на примере пленки, которая обладает перпендикулярной Рис.1. Экспериментальная (точки) и теоретическая (линия) кривые вращающих моментов для аморфной пленки Gd18Co82.

Р ( эрг ) ----0 2 4 6 8 Н (кЭ) Рис. 2. Экспериментальная (точки) и теоретические зависимости вращающего момента от напряженности поля в Тк для различных моделей намагничивания: 1 – двухслойная пленка; 2 – изгиб подрешеток; 3 – парапроцесс.

анизотропией, но в то же время на одной из поверхностей намагниченность жестко закреплена в плоскости пленки. Вблизи Рис. 3. Температурные зависимости угла между нормалью к плоскости пленки и образующей КЛН для пленки Gd22Co78, покрытой защитным слоем Al, в исходном состоянии (1) и после низкотемпературного отжига (2, 3). Величина поля измерения составляла 5 кЭ (1, 2) и 10 кЭ (3).

этой поверхности формируется переходная область типа 90 доменной границы. Ширина этой границы во многом определяется эффективной анизотропией основного слоя, складывающейся из анизотропии формы и наведенной перпендикулярной анизотропии.

При снижении эффективной анизотропии с температурой происходит увеличение ширины приповерхностной доменной границы (ПДГ).

Результирующая намагниченность в ПДГ отклонена от нормали к пленке.

Поэтому с ростом ширины границы, то есть с увеличением ее объемной доли, результирующая намагниченность всего образца будет постепенно изменять свою ориентацию. Таким образом, спиновая переориентация представляется как процесс изменения ширины ПДГ. В рамках данной модели удалось описать зависимость характера СП от параметров поверхностного слоя, а также ориентации и величины магнитного поля, в присутствии которого происходит СП (см., например, рис.3, кривые 2 и 3).

-P (эрг / см ) 220 240 T (K) В аморфных пленках Gd-Co нами было обнаружено такое интересное явления как вращающаяся магнитная анизотропия в плоскости образца, ось легкого намагничивания которой задается приложением к пленке достаточно большого магнитного поля. Ранее это явление наблюдалось на пленках 3d-переходных металлов и их сплавов. Одна из наиболее известных точек зрения на природу вращающейся анизотропии состоит в том, что в закритических пленках, толщина которых больше некоторой критической, а фактор качества Q = Ku/2Ms2 < 1, за возникновение вращающейся анизотропии ответственна микрополосовая доменная структура – страйп-структура. При повороте слабого магнитного поля в плоскости пленки ориентация полосовых доменов (страйп-доменов) не меняется, а меняется лишь направление намагниченности в доменах. Если приложить сильное магнитное поле, можно изменить направление полосовых доменов, и тем самым изменить положение ОЛН [3]. О наличии в пленках закритического состояния, а значит и о существовании в образцах страйп-доменной структуры можно судить как на основании непосредственного наблюдения доменов, так и по магнитным характеристикам пленок. Нами исследовались температурные зависимости намагниченности насыщения и констант перпендикулярной и вращающейся анизотропии Квр для образцов различных составов, обладающих разными Тк. Было обнаружено, что вращающаяся анизотропия неразрывно связана с наличием в образцах закритического состояния. Получено качественное совпадение экспериментальных и рассчитанных по известной формуле [3] зависимостей Квр(Т).

В конце главы показана возможность использования в качестве материала для ячеек памяти с магниторезистивным считыванием двухслойной пленки Fe15Co20Ni65/GdCo. Подрешетки 3d-металлов из разных слоев связаны положительным, а 3d-металлы и Gd - отрицательным обменным взаимодействием. Результирующий магнитный момент ферримагнитной пленки Gd30Co70 при комнатной температуре определяется преобладающим магнитным моментом подрешетки Gd и оказывается противонаправленным магнитному моменту слоя Fe15Co20Ni65. Таким образом, двухслойная пленка Fe15Co20Ni65/Gd30Co70 представляет собой исходную структуру для элементов с «квазизамкнутым» магнитным потоком, устойчивость град ( ) 100 150 200 250 T (K) магнитного состояния которых обеспечивается не только магнитостатическим, но и обменным взаимодействием между слоями.

В четвертой главе представлен анализ магнитных свойств искусственных ферримагнетиков, а именно, многослойных пленок типа Gd/Co.

Наши эксперименты показали, что пленкам Gd/Co присуще такое характерное для ферримагнетиков свойство как состояние магнитной компенсации, о чем свидетельствуют минимумы на температурных зависимостях вращающего момента P (рис.4) и максимум коэрцитивной силы вблизи Тк (рис.5). Однако оказалось, что ход кривых P(Т) и Ms(Т) определяется не только номинальным составом образцов (соотношением толщин слоёв), но и периодом структуры L. Это, скорее всего, связано с тем, что температурная зависимость намагниченности слоёв Gd определяется не только собственным обменным взаимодействием, но и воздействием со стороны слоёв Со. Это воздействие отрицательно и, по50 100 150 200 250 T (K) видимому, довольно быстро спадает от поверхности к центру слоёв Gd.

Подтверждением справедливости этой гипотезы является тот факт, что введение между слоями Gd и Co немагнитной прослойки Cu или Si уменьшает влияние кобальта на гадолиний, что приводит к более резкой температурной зависимости Gd и уменьшению величины Тк. Причем P ( эрг ) c H ( Э ) введение Si оказывает более сильное воздействие на межслойный обмен, чем Cu. Это может быть связано с разным типом проводимости материалов прослойки.

Известно, что магнитные свойства аморфных плёнок Gd-Co довольно хорошо описываются теорией молекулярного поля, исходящей из однородного распределения атомов в материале [4]. Мы предприняли попытку распространить такой упрощенный вариант теории на случай слоистых плёночных структур. Предполагалось, что все атомы Co находятся только в собственном и одинаковом по величине молекулярном поле H1. В слоях Gd молекулярное поле Н2 кроме однородной собственной составляющей имеет еще компоненту, создаваемую слоями Со. Последняя экспоненциально убывает по мере удаления от любой Рис. 4. Температурные зависимости вращающего механического момента Р для пленок Gd/Co с разным периодом слоистой структуры: 1 – 88 ; 2 – 105 ; 3 – 130.

Рис. 5. Температурная зависимость коэрцитивной силы для пленки {Gd(75)/Co(30)}20.

из поверхностей кобальтовых слоёв. Спонтанная намагниченность плёночной структуры Ms(Т) складывается из составляющих кобальтовой и гадолиниевой подсистем, температурный ход которых задаётся функцией Бриллюэна B(x) соответствующего аргумента. В рамках такой модели удалось описать ход кривых Ms(Т), а также зависимости Тк(L) и Тк(LCu,Si), измеренные на образцах с разными толщинами магнитных слоев и немагнитных прослоек.

Было обнаружено, что пленки типа Gd/Co обладают еще одним характерным свойством классических ферримагнетиков – возможностью трансформации магнитной структуры под действием внешнего магнитного поля. При намагничивании коллинеарное расположение намагниченностей двух подсистем может нарушаться, и в ферримагнетике возникает так называемая угловая магнитная фаза. Экспериментальные данные были получены при помощи меридионального эффекта Керра, который весьма чувствителен к изменению магнитной структуры образца, а также путём измерений намагниченности на СКВИД магнитометре для пленки {Co(30)/Si(5)/Gd(75)/Si(5)} с Тк = 118 К. При достижении некоторого значения внешнего поля Ht на кривых намагничивания наблюдается излом, который можно трактовать как переход в неколлинеарное состояние. По результатам выполненных экспериментов построена фазовая Н-Т диаграмма. В интервале 5 К < T < Тк величина поля фазового перехода в неколлинеарное состояние Ht уменьшается с ростом температуры, а при Тк < T < 140 К поле перехода практически не изменяется с температурой.

Исследовалась в работе и магнитная анизотропия пленок типа Gd/Co.

Было найдено, что пленки обладали плоскостной магнитной анизотропией, причем порядок её величины, вычисленный из данных КВМ, оказался равным 105 эрг/см3, что заметно выше ожидаемого, если оценивать величину анизотропии формы образцов исходя из намагниченности насыщения пленок. Объяснить такое несоответствие можно, если предположить, что анизотропия пленок определяется анизотропией размагничивающих полей отдельных слоев. Характер кривых намагничивания в поле, перпендикулярном плоскости образца, измеренных на пленках Gd/Co как с немагнитной прослойкой, так и без нее, подтвердили данное предположение.

Интересные особенности свойств многослойных пленок Gd/Co были обнаружены нами не только в квазистатических магнитных полях, но и в полях высокочастотного диапазона. На образце {Co(30)/Gd(75)}20 с Тк = 240 К были проведены измерения ферромагнитного резонанса в диапазоне температур 170 – 292 К при фиксированной частоте переменного магнитного поля (9,5 ГГц). Обнаружено, что характеристики ФМР в многослойной структуре очень чувствительны к изменению температуры:

при температурах ниже и выше Тк в спектре присутствует одна резонансная линия, вблизи Тк резонансный спектр имеет сложный характер, величины поля резонанса Hres при Т =177 К и Т = 292 К отличаются почти в три раза. Оценки ответственной за наблюдаемый резонанс эффективной намагниченности Meff показали, что при температурах выше Тк ферромагнитный резонанс пленок Gd/Co скорее всего определяется слоями Со, а интерпретацию низкотемпературных спектров нужно вести с позиции ферримагнитного резонанса, т.е. учитывая сложную магнитную структуру объектов.

В конце главы на примере многослойной структуры {Co(1nm)/Tb(1nm)}16/Со(5nm)/Cu(2,5nm)/Co(5nm) показана возможность применения многослойных плёнок с редкоземельными компонентами для создания магнитного смещения в спин-вентильных магниторезистивных системах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. На основе слоёв Gd и Со синтезированы обменносвязанные плёночные структуры, которые характеризуются немонотонной температурной зависимостью спонтанной намагниченности и классифицируются как искусственные ферримагнетики. Показано, что температура магнитной компенсации в таких плёнках зависит от соотношения толщин слоёв разного типа, периода слоистой структуры, толщины и материала немагнитных прослоек. Впервые в рамках предложенной модели неоднородного межслойного обмена дано феноменологическое описание спонтанной намагниченности многослойных плёнок типа Gd/Co в широком диапазоне температур для различных соотношений геометрических параметров слоистых структур.

2. Впервые выполнен систематический анализ особенностей магнитной анизотропии вблизи состояния магнитной компенсации аморфных плёнок Gd-Co и многослойных плёнок Gd/Co. Найдено, что аморфные плёнки обладают перпендикулярной анизотропией, а многослойные плёнки имеют анизотропию типа плоскость лёгкого намагничивания, главным источником которой выступает анизотропия размагничивающих полей отдельных слоёв. Показано, что общим для обоих типов ферримагнетиков является немонотонное изменение константы магнитной анизотропии около температуры компенсации, которое следует считать эффективным, отражающим нарушение коллинеарности магнитных моментов подсистем Gd и Со в магнитном поле.

3. Установлено, что определённую роль в формировании магнитной анизотропии в аморфных плёнках Gd-Со играют неоднородности химического состава. В модели неоднородной плёнки, включающий основной слой с перпендикулярной анизотропией и дополнительный (поверхностный) слой с плоскостной анизотропией, впервые дано количественное описание наблюдающимся на эксперименте зависимостям параметров конуса ОЛН от температуры и напряжённости магнитного поля, а также закономерностям спиновой переориентации. Показано, что неоднородности типа «компенсационная поверхность» приводят к аномалиям в температурной зависимости вращающего момента в непосредственной близости от температуры компенсации. На этой основе предложен новый высокочувствительный способ регистрации неоднородностей состава аморфных плёнок Gd-Co.

4. Показано, что в искусственных ферримагнитных структурах типа Gd/Co наблюдаются индуцированные магнитным полем переходы из коллинеарной магнитной фазы в угловую магнитную фазу. Для регистрации таких переходов целесообразно использовать меридиональный эффект Керра, дающий информацию о характеристиках кобальтовой компоненты слоистой системы. Найдено, что критическое поле спин-оринтационного перехода имеет немонотонную температурную зависимость с минимумом около температуры компенсации и тем самым демонстрирует сходство с аналогичной характеристикой кристаллических ферримагнетиков.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»