WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 4 Структурные и магнитные фазовые превращения в многослойных пленках гадолиния © В.О. Васьковский, А.В. Свалов, А.В. Горбунов, Н.Н. Щёголева, С.М. Задворкин Уральский государственный университет, 620083 Екатеринбург, Россия Институт физики металлов Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, 620219 Екатеринбург, Россия (Поступила в Редакцию 18 июля 2000 г.) Исследовано влияние толщинного фактора и термической обработки на микроструктуру и магнитные свойства многослойных пленок Gd / Cu и Gd / Si, полученных высокочастотным ионным распылением.

Найдено, что магнитные слои имеют аморфно-кристаллическую структуру, соотношение компонент в которой зависит от толщины слоев, толщины немагнитных прослоек и температуры отжига. На основе анализа температурных зависимостей вращающего момента в модели молекулярного поля дано количественное описание изменений фазового состава пленок. Установлена корреляция между параметром обменного взаимодействия и структурным состоянием гадолиния.

Свойства тонких пленок редкоземельных элементов, (75-400 ) или толщиной немагнитных прослоек Cu, как и других магнитоупорядоченных веществ, испытыва- Si (2-20 ). Общая толщина магнитной составляющей ют существенное влияние размерного фактора [1]. Кон- в многослойных образцах была практически постоянной кретные закономерности этого влияния в наибольшей ( 4000 ). Кроме того, в эксперименте использовались степени исследованы на отдельных слоях и многослой- несколько однослойных пленок Gd большой толщины.

ных пленках Gd. В частности, найдена прямая связь Каждый из образцов имел буферный подслой и изолимежду толщиной слоев Gd и такими характеристиками рующее покрытие из немагнитного материала толщиной как магнитный момент [2], температура Кюри [3,4], не менее 100. Ряд пленок после получения подвергался магнитная анизотропия [5]. Наряду с этим установлена и вакуумной термообработке при температурах до 450C.

опосредована роль толщины в формировании магнитных Измерение магнитных свойств пленок выполнено на свойств, проявляющаяся через изменение структурного вращательном анизометре. Сведения о параметрах струксовершенства пленок [6]. Последнее несмотря на то что туры получены с помощью рентгеновского дифрактометв перечисленных работах исследовались монокристалли- ра и электронного микроскопа. В последнем случае изуческие слои Gd, может являться причиной некоторого чались менее толстые образцы (до 500 ), осажденные количественного несоответствия результатов различных на сколы кристаллов NaCl.

авторов.

На рис. 1 точками показаны экспериментальные заЕще более значимыми вариации структурного состоя- висимости вращающего механического момента P от ния могут быть в неэпитаксиально выращенных тонких температуры T в однослойной пленке Gd толщиной пленках. К таким объектам относятся многослойные 7200 (кривая 2) и многослойных пленках Gd / Cu пленки, содержащие наряду с редкоземельными слои (кривые 3–4) с различной толщиной магнитных слоев 3d-металлов. Отмечено, что в подобных условиях редко(LGd) и фиксированной толщиной прослоек (LCu = 10 ).

земельные металлы (Tb, Dy, Gd) проявляют склонность Измерения выполнены в магнитном поле напряженнок аморфизации [7,8]. В магнетиках с косвенным об- стью 1 kOe, ориентированном под углом 45 к плоскости менным взаимодействием, к которым относятся редкозеобразцов. Здесь же для сравнения показана зависимость мельные металлы, такой фазовый переход должен сильно P(T), измеренная в слабом магнитном поле на массивотражаться на параметрах магнитного упорядочения.

ном образце Gd, приготовленном непосредственно из Изучению этой взаимосвязи на примере многослойных материала мишени (кривая 1). Сопоставление кривых пленок Gd / Cu и Gd / Si посвящена данная работа.

и 2 показывает, что даже толстой пленке свойственны Пленочные образцы были приготовлены на крем- значительно меньшая температура Кюри ( 250 K) и бониевых подложках методом ионного высокочастотно- лее пологий ход зависимости P(T ), чем для массивного го распыления. Базовое давление и давление рабоче- материала. Это, вероятно, связано со спецификой техного газа Ar составляли 2 10-6 и 2 10-4 mm Hg логии высокочастотного ионного распыления. Сформисоответственно. Перед каждым осаждением пленок в рованное с ее использованием пленочное состояние Gd течение 1 часа проводилось гетерогенное распыление характеризуется наличием значительных микродеформаGd. Скорость осаждения всех материалов составляла ций, что может быть причиной наблюдаемого снижения 1 / s. Образцы отличались толщиной слоев Gd уровня обменного взаимодействия. Уменьшение толщиСтруктурные и магнитные фазовые превращения в многослойных пленках гадолиния ствует в пользу гипотезы о связи между фазовым составом и толщиной манитных слоев.

Рентгеновский анализ, выполненный в излучении Cr–K, в определенной степени подтверждает высказанное предположение. Это видно из сравнения дифрактограмм, представленных на рис. 2 для подложки с буферным слоем Si (1) и пленок Gd(LGd) / Si(10 ) с LGd = 75 (2) и LGd = 150 (3). Они свидетельствуют о том, что изолирующие слои Si и тонкие слои Gd находятся в рентгеноаморфном состоянии, а в более толстых слоях Gd присутствует кристаллическая фаза. Эта фаза Рис. 1. Экспериментальные (точки) и теоретические (линии) в приведенном диапазоне углов дает только одну линию, зависимости механического момента от температуры для маскоторая сильно уширена. Ее можно интерпретировать сивного образца (1) и пленок Gd(LGd) / Cu(10 ) с различной как линию (002) Gd, которая тем не менее заметно толщиной магнитных слоев, 2 — 7800, 3 — 225, 4 —75.

смещена по отношению к своему положению в массивном Gd(46.48). Указанные особенности позволяют заключить, что кристаллическая фаза Gd характеризуется наличием текстуры и сильными искажениями кристаллической решетки. Гексагональная ось кристаллитов преимущественно ориентирована перпендикулярно плоскости пленки, а соответствующее межплоскостное расстояние в среднем значительно увеличено по сравнению с равновесным состоянием.

Более детальный анализ структурного состояния пленок был выполнен на электронном микроскопе. На рис. приведены электронограммы и изображения микроструктуры для образцов Gd / Si(10 ) с разной толщиной Рис. 2. Дифрактограммы подложки (1) и пленок Gd(LGd) / Si(10 ) с толщиной магнитных слоев 75 (2) и 150 (3, 4) в исходном состоянии (2, 3) и после отжига при температуре 400C (4). Стрелками указаны положения некоторых расчетных линий соединения Gd5Si4 и линии, интерпретированной как (002) Gd.

ны слоев Gd путем введения немагнитных прослоек обусловливает следующий этап изменения магнитных свойств, который является основным предметом исследований в данной работе.

Как видно из рис. 1 (кривые 3–4), переход к тонкопленочному состоянию сопровождается дальнейшим уменьшением температуры Кюри и появлением на кривых P(T ) более или менее выраженного излома в области температур 160 K. Такое поведение механического момента, фактически отражающее изменение спонтанной намагниченности с температурой, указывает на магнитную неоднофазность слоев Gd. Более того, приведенные данные позволяют говорить о зависимости параметров этой неоднофазности от величины LGd. Очень близкие Рис. 3. Электронограммы и фотографии микроструктуры результаты как в качественном, так и количественном пленок Gd(LGd) / Si(10 ) с разной толщиной магнитных слоев:

отношениях получены на пленках Gd / Si с аналогичныa — 75, b — 150, c — 400. Цифрами указаны значения ми толщинными параметрами. Это отражает пассивную межплоскостных расстояний d, соответствующие выделенным роль немагнитной прослойки и тем самым свидетель- дифракционным линиям.

7 Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 674 В.О. Васьковский, А.В. Свалов, А.В. Горбунов, Н.Н. Щёголева, С.М. Задворкин слоев Gd. Отсутствие выраженных линий на элек- от a до c, а соответствующая функция распределения тронограмме и характерная мелкая рябь в электронно- является константой. С учетом этого намагниченность микроскопической картине на рис. 3, a, как и рентгенов- переходной фазы определяется выражением ская дифракция, свидетельствуют об аморфности тонких c слоев Gd. Наряду с этим электронограммы фиксируют 1 µMac Mac(T, a c) =M(0) B d, (1) не одно, а два гало, что говорит о существовании двух сиc - a kT стематических межатомных расстояний. Их оценка с ис- a пользованием среднего диаметра гало дает значения 2.где B(x) — функция Бриллюэна, µ — магнитный момент и 1.8. Некратность этих величин указывает на то, что атома Gd, M(0) — намагниченность массивного Gd наличие второго гало не связано со вторым порядком при температуре T = 0 K. Последнее неявно содержит дифракции. Вероятно, это предвестник кристаллизации, допущение того, что плотности пленочных и массивных поскольку в соответствующих углах присутствуют инобразцов одинаковы. В итоге, намагниченность пленок тенсивные дифракционные линии кристаллического Gd.

включает три составляющих:

Состояние образцов с LGd = 150 (рис. 3, b) можно охарактеризовать как аморфно-кристаллическое: на элекM(T ) =naMa(T ) +ncMc(T ) +nacMac(T ), (2) тронограмме видны и нечеткие дифракционные линии где Ma, Mc, Mac и na, nc, nac — намагниченности и и гало; картина микроструктуры включает элементы концентрации аморфной, кристаллической и переходаморфной ряби и кристаллиты, средний размер которых ной фаз соответственно. Намагниченности аморфной и не превышает 50. Анализ выявленных дифракционных кристаллической фаз, так же как и переходной фазы, линий показывает их принадлежность к кристалличевычислялись по теории молекулярного поля, но при скому -Gd. Ось c соответствующих кристаллитов постоянных параметрах молекулярного поля a и c.

имеет некоторую выстроенность вдоль нормали к пленке.

Выражение (2) использовалось при расчете составляМестами наблюдается текстура и в плоскости образцов.

ющей вращающего механического момента, необходиВ целом данные пленки характеризуются сильной фамой для сопоставления с экспериментом, зовой неоднородностью по площади. Встречаются места с преобладанием как кристаллической, так и аморфP = Pz = HxMy - HyMx. (3) ной фаз. Тем не менее содержание последней по визуальным оценкам выше. Образцы с наиболее толстыми В (3) компоненты внешнего магнитного поля Hx,y зада(LGd = 400 ) слоями Gd (рис. 3, c) также находятся вались условиями эксперимента, а компоненты намагнив аморфно-кристаллическом состоянии. Однако в них ченности Mx,y вычислялись путем минимизации свободкристаллическая -фаза оформлена более четко и пре- ной энергии. При этом считалось, что намагниченность обладает в количественном отношении. Средний размер в объеме слоев однородна, а магнитная анизотропия кристаллитов достигает 100. пленок обусловлена только анизотропией формы.

Представленные результаты однозначно показывают, На рис. 1 сплошными линиями показаны теоретичечто по мере уменьшения толщины слоев наблюдается ские зависимости P(T ), которые подогнаны к соответпереход Gd из кристаллического состояния в аморфное. ствующим экспериментальным зависимостям путем ваЭтот переход практически завершается при LGd = 100. рьирования концентраций трех фаз. При этом величины Естественно предположить, что именно фазовые пре- Tca и Tcc в каждом случае предварительно оценивались из вращения лежат в основе описанных выше изменений эксперимента путем линейной экстраполяции низкотеммагнитных свойств пленок. Для феноменологического пературного и высокотемпературного участков зависиколичественного описания этой взаимосвязи мы исполь- мостей P(T ) к нулевому значению. По ним определялись зовали модель молекулярного поля. Предполагалось, что параметры молекулярного поля a и c. Достаточно хомагнитный момент атомов и плотность Gd в аморфном рошее совпадение теоретических и экспериментальных и кристаллическом состояниях одинаковы, а параметры зависимостей P(T ) позволяет говорить о реальности исмолекулярного поля (a и c соответственно) различны. пользованной модели и дает возможность количественно Они задают разные температуры Кюри аморфной Tca и характеризовать многофазное состояние пленок.

кристаллической Tcc фаз, которые имеют концентрации Найдено, что температура Tca слабо зависит от толna и nc. щины и близка к 160 K. Температура Tcc имеет тенПоследующий анализ показал, что двухфазная модель денцию к повышению от 240 до 260 K с увеличением не дает адекватного описания экспериментальных ре- толщины слоев. Однако ее величина для всех пленочзультатов. Оно стало возможным только при введении ных образцов остается меньшей, чем температура Кюри в модель третьей компоненты, которую условно назовем массивного Gd. Вероятно, в этом находит отражение переходной фазой. Она сама по себе является неоднород- зафиксированный нами факт сильных искажений криной и состоит из элементов, в которых температура Кю- сталлической решетки. На рис. 4 показаны зависимости ри изменяется от Tca до Tcc. Для простоты мы предполо- концентраций разных магнитных фаз от толщины Gd.

жили, что закон изменения температуры Кюри задается Нанесенные точки относятся к многослойным пленкам, линейным увеличением параметра молекулярного поля пленке Gd(LGd) / Cu(10 ) и толстым (3800 и 7200 ) Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Структурные и магнитные фазовые превращения в многослойных пленках гадолиния указывают зависимости концентраций na, nc, nac от толщины прослойки кремния LSi (рис. 5). Как видно из рисунка, введение даже самой тонкой прослойки (2 ) кардинально изменяет магнитный фазовый состав образцов. Кристаллическая фаза практически полностью превращается в переходную, которая в свою очередь при LSi > 5 трансформируется в аморфную фазу. Таким образом, зависимость nac(LSi) носит немонотонный характер. Причем максимум на данной кривой выражен более ярко, чем на зависимости nac(LGd). Из рис. также следует, что в области LSi > 10 изменение фазового состава невелико. Для образцов с прослойкой Рис. 4. Зависимости рассчитанных концентраций аморфной меди получены близкие результаты.

(na), кристаллической (nc) и переходной (nac) магнитных фаз Известным способом воздействия на фазовый состав от толщины слоев в пленках Gd(LGd) / Cu(10 ).

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.