WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 5 Влияние кристаллической структуры и межслоевой обменной связи на коэрцитивную силу Co/Cu/Co-пленок © Л.А. Чеботкевич, Ю.Д. Воробьев, А.С. Самардак, А.В. Огнев Дальневосточный государственный университет, 690950 Владивосток, Россия (Поступила в Редакцию в окончательном виде 20 сентября 2002 г.) Исследовались трехслойные пленки Co/Cu/Co/Si (111) с разной толщиной прослойки Cu, полученные магнетронным распылением. Показано, что величина коэрцитивной силы осциллирует с изменением толщины немагнитной прослойки. Отмечена хорошая корреляция между полем насыщения и коэрцитивной силой. Экспериментально установлено, что при изменении структуры пленок отжигом в широком диапазоне температур изменяется косвенная обменная связь между слоями Со. Проведен качественный анализ поведения коэрцитивной силы при изменении силы и типа связи между ферромагнитными слоями.

Работа поддержана федеральным бюджетом Российской федерации, подпрограмма „Актуальные направления в физике конденсированных сред“ федеральной научно-технической программы „Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения“ Минпром России (договор № 3-02/ДВГУ в рамках государственного контракта № 40.012.1.1.1151).

Повышенный интерес к металлическим мультислой- 2. Экспериментальные результаты ным наноструктурам связан с открытием в них гиганти их обсуждение ского магниторезистивного эффекта, благодаря которому многослойные магнитные структуры нашли примене- Все исследуемые пленки получены в одном технолоние [1,2]. Одна из особенностей магнитныx нанострук- гическом цикле (при одинаковой температуре подложки, тур — это осцилляция обменной связи между фер- при одинаковом давлении рабочего газа) и осаждались ромагнитными слоями от ферромагнитной к антифер- на одинаковые подложки. Можно предположить, что ромагнитной в зависимости от толщины немагнитной и кристаллическая структура этих пленок будет одипрослойки. Для случая металлических прослоек в нанакова. Действительно, картины электронной микродистоящее время предложено большое число различных фракции и электронно-микроскопические изображения моделей, объясняющих осциллирующий характер связи:

структуры показали, что все исследуемые пленки полиRKKY-модель [3,4], модель свободных электронов [5,6], кристаллические с размером зерна порядка 5–6nm.

модель квантовых ям [7] и sd-смешанная модель [8].

На рис. 1 приведена зависимость HC = f (dCu) для Осцилляции косвенной обменной связи приводят к осполикристаллических трехслойных пленок Co/Cu/Co.

цилляциям магнитных и магниторезистивных свойств Коэрцитивная сила определялась по магнитной петле многослойных структур.

гистерезиса. Видно, что с изменением толщины проВ данной работе исследуется влияние кристаллической структуры и косвенной обменной связи между ферромагнитными слоями Со на величину коэрцитивной силы Сo/Сu/Со-пленок.

1. Приготовление образцов Образцы Co/Cu/Co получали магнетронным распылением на постоянном токе в атмосфере рабочего газа Ar при PAr = 5 · 10-3 Torr. Пленки осаждали на монокристаллы (111) Si при комнатной температуре. Толщина слоев контролировалась по времени напыления. Скорость осаждения Co и Cu cоставляла 0.1 и 0.08 nm/s соответственно. В работе исследовались пленки Co/Cu/Co с толщиной слоев Co dCo = 6 nm, а толщина медной прослойки dСu варьировалась от 0 до 2.6 nm. Структура пленок исследовалась методами электронной микроскопии и дифракции электронов. Намагниченность и коэрцитивную силу HC измеряли индукционным методом на Рис. 1. Зависимость коэрцитивной силы от толщины медной автоматизированном вибромагнетроне, поле насыщения прослойки осажденных (1) и отожженных при 250C (2) определяли из магниторезистивных петель.

пленок Сo/Cu/Co.

864 Л.А. Чеботкевич, Ю.Д. Воробьев, А.С. Самардак, А.В. Огнев ние). Значение (Hmax) измерялось в поле Hmax = 1.13 T.

Поскольку „хвосты“ кривой магниторезистивного гистерезиса простираются в большие поля, HS принимали равным полю, измеренному на высоте 0.2( /)max на кривой / = f (H) [10] (рис. 2).

Максимумы коэрцитивной силы на кривой HC = f (dCu) приходятся на толщины dCu 1 и 2 nm, при которых наблюдаются максимумы поля насыщения, т. е. когда ферромагнитные слои Со связаны антиферромагнитно (рис. 3). Минимальное значение HC (dCu 1.4nm) соответствует минимальным полям насыщения (слои Со связаны ферромагнитно). Наблюдается хорошая корреляция между значениями коэрцитивной силы и поля насыщения в трехслойных пленках Сo/Cu/Co. Коэффициент корреляции составляет 0.94.

Таким образом, из экспериментальных данных видно, что коэрцитивная сила, обусловленная обменной связью Рис. 2. Типичная кривая магниторезистивного гистерезиса.

между ферромагнитными слоями, HC HS. Природа Поле насыщения берется на высоте 0.2( /)max.

такой связи пока не ясна.

В трехслойных пленках коэрцитивная сила определяется не только компонентой, обусловленной обменной связью ферромагнитных слоев HC, но также компонентой, обусловленной закреплением доменной границы (ДГ) структурными дефектами HC HC = HC + HC. (1) Структурными дефектами поликристаллических пленок являются границы между зернами, дисперсия осей кристаллографической анизотропии, шероховатости поверхности. Это дефекты, размеры которых и расстояния между которыми меньше ширины доменной стенки. Границу между зернами можно представить в виде плоской прослойки ширины a. Вещество в межзеренной границе имеет другую структуру, чем в зерне. Намагниченность в границе между зернами Mgb меньше намагниченности насыщения зерна MS на MS. Внутри такой границы имеется размагничивающее поле. Смешающаяся ДГ взаРис. 3. Зависимость поля насыщения от толщины прослойки имодействует с межзеренной границей, и это взаимодеймеди осажденных (1) и отожженных при 250C (2) пленок ствие носит магнитостатический характер.

Co/Cu/Co.

Полагаем, что кристаллографические оси легкого намагничивания (ОЛН) лежат в плоскости пленки и хаотически разориентированы по направлениям. При слойки Cu величина HC осциллирует, что обусловледвижении ДГ меняется угол между намагниченностью и но осцилляцией косвенной обменной связи Jie между направлением ОЛН кристаллита, т. е. меняется энергия слоями Со. О силе косвенной обменной связи между анизотропии, что и определяет силу взаимодействия ДГ ферромагнитными слоями Со можно судить по полю с кристаллитом.

насыщения HS (поле, в котором магнитные моменты Неровности поверхности пленки можно представить в нижнем и верхнем слоях Со выстраиваются паралHSMSd в виде ямок на поверхности. При движении ДГ через лельно): |Jie| = [9], где MS — намагниченность такую ямку изменяется ее магнитостатическая энергия.

насыщения, d — толщина ферромагнитного слоя. Чем Компоненту коэрцитивной силы, обусловленную больше косвенная обменная связь между слоями Со, структурными дефектами, можно представить в виде [11] тем большее поле надо приложить к образцу, чтобы 2/ориентировать намагниченность в слоях Со параллельFi0 i но. Можно считать, что величина HS является индиHC = C, (2) MSD4/31/катором АФМ cвязи между магнитными слоями. Поле насыщения измерялось по магниторезистивной петле где D — толщина пленки, и — плотность по (H)-(Hmax) = = f (H) ( — удельноe сопротивле- верхностной энергии и ширина ДГ, C — коэффициент (Hmax) Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Влияние кристаллической структуры и межслоевой обменной связи на коэрцитивную силу... чение HC при отжиге пленок Со обусловлено ростом размера зерна и перераспределением точечных дефектов (вакансий, атомов остаточных газов) по межзеренным границам [12].

В пленках Co/Cu/Co c dCu = 1.4 nm при низкотемпературном отжиге (200–250C) происходит небольшое увеличение размера зерна до 10 nm и частичное снятие внутренних напряжений. Первая причина должна несколько увеличить HC, а вторая — уменьшить HC. Эти влияния могут компенсировать друг друга, и действительно, в пленках с dCu = 1.4nm (рис. 4) после отжига при температуре 200–250C HC практически не изменяется. Дальнейшее повышение температуры отжига (Tann 350C) приводит к возрастанию HC. Увеличение коэрцитивной силы в этих пленках, так же как и в пленках Со, обусловлено увеличением размера зерна и увеличением дефектности межзеренных границ.

Рис. 4. Зависимость коэрцитивной силы (1–3) и размеров зерен R (4, 5) от температуры отжига: 2 и 4 —Co, 1 и 5 — Иная ситуация наблюдается в пленках с dCu = 1nm, Co/(1.0 nm)Cu/Co, 3 —Co/(1.4 nm)Cu/Co.

отожженных при Tann = 250. Снятие внутренних напряжений и выравнивание промежуточного слоя по толщине сопровождаются усилением АФМ связи между слоями Со (рис. 5), что и является причиной возраспропорциональности, Fi — сила взаимодействия ДГ со тания компоненты коэрцитивной силы HC примерно структурными дефектами типа i. Компонента коэрцив 1.2-1.3 раза.

тивной силы, определяемая структурными дефектами, равна HC 30 Oe, что согласуется с величиной HC Рост размера зерна пленок с dCu = 1 nm, отожженных при Tann = 350С, также способствует возрастанию пленок Со, где коэрцитивная сила вызвана закреплением компоненты коэрцитивной силы, обусловленной взаиДГ структурными дефектами.

модействием ДС со структурными дефектами. В то же В трехслойных пленках осцилляции обменной связи время увеличение размера зерна — это увеличение между слоями кобальта от ферромагнитной к антифершероховатости границ раздела, что ослабляет АФМ ромагнитной при изменении толщины медной прослойки связь между слоями Со (рис. 5). В пленках, отожженных сопровождаются изменением компоненты коэрцитивной при Tann = 350C, значение HS уменьшается, но остасилы HC. Оценки компоненты HC при HS 200 и ется еще достаточно большим, поэтому HC изменяется 1200 Oe для слоев Со, связанных соответственно фернесущественно. Корреляция между HC и HS пленок, ромагнитно и антиферромагнитно, показали, что для отожженных при 350C, составляет 0.83.

пленок, в которых наблюдается АФМ, HC в 6 раз больше, чем в пленках, где между слоями Со существует ФМ связь.

Для выявления влияния кристаллической структуры и силы косвенной обменной связи на величину коэрцитивной силы HC от температуры отжига Tann исследовалась зависимость HC = f (Tann) в интервале температур 150–550C. На рис. 4 приведена зависимость HC = f (Tann) для трех пленок: чистого Со, Со/(1nm)Cu/Co и Co/(1.4 nm)Cu/Co. Толщина пленки Со равнялась 2dCo. С увеличением температуры отжига во всех пленках увеличивается размер зерна. Однако следует отметить, что в пленках чистого кобальта, отожженных при Tann = 350C, зерно увеличивается почти в 10 раз и становится равным 60 nm, в то время как в пленках Co/Cu/Co при той же температуре отжига зерно увеличивается всего в 4–5 раз и составляет 25 nm (рис. 4).

Коэрцитивная сила однослойных пленок Со, отожженных при Tann = 250C, увеличивается в 2.5 раза, а Рис. 5. Зависимость поля насыщения от температуры отжига:

отожженных при Tann = 350C —в 3.5–4 раза. Увели- 1 —Co/(1.0 nm)Cu/Co, 2 —Co/(1.4 nm)Cu/Co, 3 —Co.

7 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 866 Л.А. Чеботкевич, Ю.Д. Воробьев, А.С. Самардак, А.В. Огнев Коэрцитивная сила пленок Со/(1nm)Cu/Co, отожжен- [7] J. Mathon, D.M. Edvards, R.B. Muniz, M.S. Phan. Phys. Rev.

Lett. 67, 493 (1991).

ных при Tann 400C, уменьшается примерно на 40%, [8] P. Bruno. J. Magn. Magn. Mater. 116, L13 (1992).

в то время как в пленках Co и Co/(1.4 nm)Cu/Co [9] S.S.P. Parkin. In: Ultra Magnetic Structures II. Springer, Berlin HC продолжает расти. Это связано с тем, что увеличение (1994). P. 148.

размера зерен (более чем в 6–7 раз) и деградация [10] K. Ratzke, M.J. Hall, D.B. Jardine, W.G. Shih, R.E. Somekh, межфазных границ в результате взаимной диффузии A.L. Greer. J. Magn. Magn. Mater. 204, 61 (1999).

атомов Со и Cu в пленках Со/(1nm)Cu/Co приводят [11] А.А. Иванов, И.В. Лобов, Ю.Д. Воробьев. ФММ 58, 1, к резкому уменьшению силы АФМ связи между слоями (1984).

Со (рис. 5), что сопровождается уменьшением компо[12] В.Э. Осуховский, Ю.Д. Воробьев, Л.А. Чеботкевич, ненты коэрцитивной силы HC.

И.В. Лобов, В.И. Малютин. ФММ 57, 2, 254 (1984).

Уменьшение коэффициента корреляции между HC и HS в отожженных пленках можно объяснить следующим образом. Сильное увеличение размеров зерен и деградация межфазных границ сопровождаются уменьшением силы АФМ связи между слоями Со, а следовательно, уменьшением компоненты коэрцитивной силы HC. С другой стороны, увеличение размеров зерен приводит к возрастанию компоненты коэрцитивной силы HC. Поэтому изменение величины HC пленок после высокотемпературного отжига несколько отстает от уменьшения HS. То, что коэффициент корреляции между HC и HS после отжига остается высоким, позволяет утверждать, что коэрцитивная сила многослойных пленок обусловлена в основном типом обменной связи между ферромагнитными слоями Со.

Проведены исследования коэрцитивной силы и косвенной обменной связи между слоями Со в пленках Co/Cu/Co. Показано, что в трехслойных пленках обменная связь между слоями Со зависит от структуры пленок; величина коэрцитивной силы многослойных пленок состоит из двух компонент: HC, обусловленной взаимодействием ДГ со структурными дефектами в слоях Со, и HC, обусловленной обменной связью между ферромагнитными слоями. Антиферромагнитная связь между слоями кобальта обусловливает большую величину коэрцитивной силы. При низкотемпературном отжиге в пленках с dCu = 1.0nm (АФМ максимум) увеличение HC связано с возрастанием АФМ связи между слоями Со. Высокотемпературный отжиг уничтожает АФМ связь между слоями Со из-за деградации межфазных границ, что обусловливает понижение величины HC.

В трехслойных пленках с толщиной прослойки Сu, соответствующей ферромагнитной связи между соседними слоями Со, увеличение коэрцитивной силы обусловлено в основном ростом размера зерна и перераспределением точечных дефектов по межзеренным границам.

Список литературы [1] F.J. Himpsel, J.E. Ortega, G.J. Mankey, R.F. Willis. Advances in Phys. 47, 4, 511 (1998).

[2] Peter M. Levy. Solid Stat. Phys. 47, 367 (1994).

[3] P. Bruno, C. Chappert. Phys. Rev. Lett. 67, 12, 602 (1991).

[4] Zhu-Pei Shi, Peter M. Levy. Phys. Rev. B 49, 21, 15 (1991).

[5] J.C. Slonczewski. J. Magn. Magn. Mater. 150, 13 (1995).

[6] J. Barnas. J. Magn. Magn. Mater. 128, 171 (1994).




© 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.