WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

Хоменко Евгений Владимирович ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ В ПЛЁНКАХ Co-Ni-Fe И В СИСТЕМЕ Co/IrMn 01.04.11. - Физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, Чеченин Николай Гаврилович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Неволин Владимир Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Грановский Александр Борисович

Ведущая организация: Российский Научный Центр «Курчатовский Институт»

Защита состоится « » мая 2009 года в часов на заседании Диссертационного Совета Д-501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, д.1, стр.35, конференц-зал Центра коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» апреля 2009 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета Д-501.001.70 доктор физико-математических наук, профессор Г.С. Плотников 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Непрерывный рост вычислительных мощностей цифровой полупроводниковой техники, применяемой в различных областях человеческой деятельности, сопровождается ростом потребности сохранения больших объёмов переработанной информации и увеличения скорости процессов чтения/записи. Увеличение плотности записи ведёт к уменьшению размера информационного бита. При этом, надёжное хранение информации в магнитных носителях, например, жёстких магнитных дисках (ЖМД), при больших плотностях записи может достигаться только в магнитожёсткой среде, обладающей высокой коэрцитивностью Нс порядка нескольких кЭ и выше.

Соответственно, для осуществления базовой операции запись/перезапись в таких средах необходимо прикладывать хорошо локализованные, легко и экономично управляемые магнитные поля высокой напряжённости, возбуждаемые в зазоре между полюсами записывающей головки и поверхностью носителя. Поэтому наносимые на полюса записывающих головок тонкие магнитные плёнки должны обладать большой намагниченностью насыщения Ic и низкой коэрцитивной силой Hc 10 Э, т.е. быть магнитомягкими. Требование увеличения магнитной индукции, наводимой головкой записи в элементах информационного носителя, усугубляется необходимостью уменьшения размеров головок записи (пропорционально размеру информационного бита).

Столь же жёсткие требования предъявляются к повышению чувствительности головок считывания в сочетании с уменьшением их размеров. Прорывным фактором в технологии головок считывания явилось открытие эффекта гигантского магнитного сопротивления (ГМС) в конце 80-х [1, 2]. Эффект ГМС привёл к появлению нового класса высокочувствительных датчиков магнитного поля – спиновых вентилей (спиновых диодов), состоящих из двух ферромагнитных слоёв, разделённых слоем немагнитного проводящего или диэлектрического материала. Возникло новое направление развития электроники, получившее название спинтроники, базирующееся на использовании транспорта не только заряда, но и спина, т.е. поляризованного по спину тока электронов (см. например [3]).

Существенную роль в развитии современных устройствах магнитной памяти занимает создание и исследование ферромагнитных плёнок c требуемыми свойствами.

Современные считывающие головки, также как и записывающие, содержат магнитомягкие плёнки в качестве чувствительного и фиксированного слоёв в многослойной структуре, использующей эффект ГМС. Требования, предъявляемые к параметрам плёнок, непрерывно возрастают с уменьшением размеров магнитного бита в соответствии с известным законом Мура. Пермаллой (сплав никеля с железом) является в настоящее время одним из основных магнитомягких материалов в элементах спинтроники. Однако этот материал помимо достоинств имеет и существенные недостатки. Наиболее критичный из них – невысокая намагниченность насыщения, что обуславливает интенсивные научные поиски новых материалов для тонкоплёночных технологий. Как известно, наиболее высокий атомный магнитный Рис. 1 Диаграмма Слэтера-Полинга [4].

момент из чистых металлов переходной группы имеет железо, которое, однако, не устойчиво по отношению к химически агрессивным средам, в частности, подвержено коррозии. Сплав Fe-Co может иметь даже более высокие значения магнитного момента, чем Fe, как видно из диаграммы Слэтера-Полинга (рис. 1).

Объёмоцентрированный (оцк) сплав CoxFe1-x, при 0.3100 Э для Co50Fe50). В считывающих ГМС-головках это, например, снижает их чувствительность и препятствует фиксации ферромагнитного слоя за счёт обменного взаимодействия с антиферромагнитным слоем, для чего требуется HEB >Hc, где HEB – поле обменного смещения. Бинарный сплав с большим содержанием Co (>80%) используется в разработках структур спинтроники, подслоёв сред с перпендикулярной намагниченностью с фиксацией магнитного момента за счёт обменного взаимодействия. Однако, проблемы этой бинарной системы – сравнительно высокая коэрцитивность и магнитострикция – остаются, что ограничивает её промышленное распространение в качестве магнитомягкого материала.

Из сказанного возникает вопрос: нельзя ли получить высокую намагниченность насыщения при низкой коэрцитивности и высокой коррозионной стойкости в тройных сплавах, например Co-Ni-Fe Примеры таких разработок внушают оптимизм.

Обращают на себя внимание также спады зависимости среднего магнитного момента /BB от среднего числа электронов на один атом ne в сплаве, разрыв и явная нехватка данных в области структурного перехода оцк-гцк (рис. 1). Вопрос о взаимосвязи структурно-фазового перехода с конкуренцией гцк и оцк фаз и намагниченностью насыщения требует более богатой экспериментальной информации в области гцк-оцк конкуренции. Следует также отметить, что основная масса данных, представленных на диаграмме Слэтера-Полинга (рис. 1) была получена на массивных поликристаллических образцах. Отсюда вытекает вопрос о роли нанокристалличности в проявлении магнитных свойств тонких мультикомпонентных плёнок.

В данной диссертации сделана попытка ответить на поставленные вопросы путём синтеза плёнок тройного сплава Co-Ni-Fe с вариацией состава в определённых пределах, детального исследования взаимосвязи композиционных, структурных и магнитных свойств данного сплава.

Далее, одной из актуальнейших тем современного этапа развития магнетизма является исследование процессов в многослойных ультратонких структурах, перспективных для спинтроники. Этому направлению уделяется большая часть времени на международных конференциях, с ним связывают надежды в прорывном развитии магнитной сенсорики и универсальной магнитной памяти на базе эффектов гигантского и туннельного магнитного сопротивления. Несмотря на огромные успехи в спинтронике, многие наблюдаемые эффекты поняты еще не до конца. Наряду с другими, к таковым вопросам относятся эффекты возникновения однонаправленной магнитной анизотропии, обусловленной взаимодействием между слоями ферромагнетика (ФМ) и антиферромгнетика (АФМ) на границе раздела (интерфейсе) ФМ/АФМ, проявляющейся в сдвиге петли гистерезиса на величину т.н. обменного смещения HEB. В диссертации приведены результаты наших исследований и разработок по генерации обменного смещения в системе ФМ/АФМ путём отжига.

Установлено, что обменное смещение может возникать в результате отжига при температуре Т, заметно меньшей температуры Нееля (TN), что находится в качественном согласии с эффектом низкоразмерной масштабируемости. Более того, возможность получения обменного смещения зависит от порядка нанесения ФМ и АФМ слоёв. Это интерпретируется как зависимость микроструктуры АФМ слоя от параметра несоответствия решёток АФМ (IrMn) и материала, на который наносится АФМ-слой (Со в одном случае и Мо в другом).

Цель работы.

Целью данной диссертационной работы является исследование взаимосвязи состава, структурных и магнитных свойств тонкоплёночных ферромагнитных и ферромагнит-антиферромагнитных структур. В качестве конкретных объектов исследования в данной диссертации были выбраны ферромагнитные плёнки тройного сплава Co-Ni-Fe и ферромагнит-антиферомагнитная система Co/IrMn, как весьма перспективные для использования в различных магнитных устройствах спинтроники, записывающих и считывающих головках, и в качестве компонентов сред хранения информации.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Развить технологию электрохимического осаждения тонких нанокристаллических плёнок тройного сплава Co-Ni-Fe без органических добавок, обладающих высокими показателями магнитного момента и одноосной анизотропии, малой коэрцитивностью, хорошей адгезией и коррозионной стойкостью. Исследовать структуру и магнитные свойства Co-Ni-Fe плёнок с различным химическим составом.

2. Экспериментально исследовать взаимосвязь между структурными и магнитными параметрами плёнок и химическим составом сплава. Определить роль нанокристалличности структуры и конкуренции структурных фаз в проявлении магнитных свойств и наблюдающихся эффектов.

3. Методом ферромагнитного резонанса (ФМР) и другими методами магнитометрии исследовать магнитные свойства ФМ/АФМ-системы Co/IrMn.

4. Определить условия возникновения обменного смещения в ФМ/АФМ-системе Co/IrMn в результате отжига в магнитном поле.

При решении перечисленных задач использовались методы электрохимического и импульсного лазерного осаждения, был применён комплекс различных методов исследования получаемых образцов, включающий резерфордовское обратное рассеяние, электронную сканирующую микроскопию с энергодисперсионной приставкой, регистрирующей рентгеновское характеристическое излучение; атомносиловую микроскопию, рентгеноструктурный анализ, экваториальный эффект Керра, спектрометрию ферромагнитного резонансного поглощения, вибрационную магнитометрию.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации:

1. Впервые обнаружены нелинейности в зависимости соотношения фракций гцк и оцк структурных фаз в сплаве Co-Ni-Fe, параметров гцк и оцк решёток этих фаз и намагниченности насыщения от химического состава сплава. Установлено, что эти нелинейности связаны с конкуренцией нанокристаллических гцк и оцк фаз, приводящей к усилению намагниченности по сравнению с поликристаллическими материалами того же состава.

2. Установлено, что обменное смещение в системе ферромагнетик/антиферромагнетик с IrMn слоем, нанесённым на Co-слой, может быть инициировано путём отжига в магнитном поле при температуре существенно ниже, чем температура Нееля для массивных ферромагнетиков.

3. Показано, что последовательность нанесения слоёв Co и IrMn в системе ферромагнетик/антиферромагнетик Mo/Co/IrMn/Mo принципиально меняет её способность к наведению обменного смещения методом термического отжига в присутствии магнитного поля.

Практическая значимость.

Разработанная в диссертации методика электрохимического осаждения плёнок может быть использована в тонкоплёночных технологиях магнитных считывающих и записывающих головок, магнитомягких подслоёв в средах хранения информации с перпендикулярной намагниченностью, при разработке технологии фиксированных и магниточувствительных слоёв в устройствах спинтроники. Обнаруженные в диссертации нелинейности в зависимости структурных и магнитных параметров от химического состава тройного сплава Co-Ni-Fe развивают существующие представления о взаимосвязи композиционных, структурных и магнитных свойств в плёнках тройных ферромагнитных сплавов. Обнаруженный в диссертации эффект влияния очерёдности осаждения ФМ и АФМ слоёв на магнитные свойства ФМ/АФМ систем должен учитываться при создании спин-диодов и других устройств спинтроники.

Автор защищает:

1. Разработанную методику электрохимического осаждения тонких нанокристаллических двухфазных Co-Ni-Fe плёнок без органических добавок в электролите на совместимую с кремниевой технологией подложку.

2. Впервые обнаруженную нелинейную зависимость соотношения гцк и оцк фракций, параметров решёток гцк и оцк зёрен и намагниченности насыщения от химического состава.

3. Впервые обнаруженный эффект превышения намагниченности насыщения Co-NiFe плёнок по сравнению с двухкомпонентными поликристаллическими сплавами переходных элементов.

4. Эффект возникновения обменного смещения в системе IrMn/Co при температуре, существенно меньшей температуры Нееля.

5. Вывод о влиянии очерёдности нанесения слоёв Co и IrMn в многослойной структуре Mo/Co/IrMn/Mo на способность к наведению обменного смещения путём термического отжига.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием большого набора современных экспериментальных методов и, на этой базе, детальным рассмотрением физических явлений и процессов, определяющих магнитные свойства структуры.

Личный вклад диссертанта состоит в разработке методики электрохимического осаждения для получения образцов с требуемыми свойствами, в проведении исследований магнитных свойств полученных образцов методом ферромагнитного резонансного поглощения, в проведении анализа экспериментальных результатов композиционных, структурных и магнитных исследований.

Апробация результатов работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [А1-А16] и докладывались на следующих конференциях: XXXV международная конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2005; Moscow International Symposium of Magnetism (MISM), 25-30 June, Moscow; III Joint European Magnetic Conference, San Sebastian, 26-30 June, 2006 ; конференциях «Ломоносовские чтения» 2007 и 2008 гг, конференции «Ломоносов» 2007 г; 52nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials, Nov. 5-9, 2007, Tampa, Florida, USA; Moscow International Symposium on Magnetism, MISM 2008, June 20-25, Moscow.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






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