WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 6 Магнитооптические свойства многослойных пленок Fe/Pd © Е.А. Ганьшина, А.А. Богородицкий, Р.Ю. Кумаритова, В.В. Бибикова, Г.В. Смирницкая, Н.И. Цидаева Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Северо-Осетинский государственный университет, Владикавказ, Россия E-mail: eagan@magn.phys.msu.su (Поступила в окончательном виде 2 ноября 2000 г.) Многослойные пленки Fe(x)/ Pd (30 ) (6 x 30 ) были исследованы при помощи экваториального эффекта Керра (ЭЭК) в области энергии падающего света 1.3-3.6 eV. Обнаружены осцилляции ЭЭК в зависимости от изменения толщины слоя железа. С помощью измеренных значений ЭЭК при двух углах падения света и оптических констант для всех образцов, был вычислен недиагональный элемент тензора диэлектрической проницаемости 2. Показано, что величина 2 2 (где — частота падающего света), пропорциональная межзонной плотности состояний, также осциллирует, а характер осцилляций подобен осцилляциям эффекта Керра. Наблюдаемая осцилляционная зависимость ЭКК и межзонной плотности состояний связывается с проявлением квантовых размерных эффектов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 99-02-16595).

В настоящее время в физике магнитных явлений магнитооптические свойства, наблюдаемые в ультратонбольшое внимание уделяется изучению низкоразмерных ких пленках (d < 30 ). При таких толщинах пленок магнито-неоднородных материалов. Причина этого — должны проявляться новые размерные (классические интересные и не до конца понятные свойства этих ма- и квантовые) эффекты, понять которые при помощи териалов (такие как гигантское магнитосопротивление, оптических и магнитооптических констант объемных высокая магнитооптическая активность), а также пер- образцов не представляется возможным.

спективы их практического применения. Эффективными Так, например, в ряде работ [4–6] было эксперименметодами исследования низкоразмерных магнито-неод- тально обнаружено осцилляционное поведение магнитонородных материалов являются спектральные оптиче- оптических эффектов в зависимости от толщин ферроские и магнитооптические методики, используя которые магнитного и неферромагнитного слоев (d < 30 ). В[4] можно получать информацию об электронной и магнит- с помощью обратной фотоэмиссии были исследованы ной структуре образцов. электронные состояния вблизи уровня Ферми для низМногослойные пленки Fe/Pd и Fe/Pt с различной коразмерных структур Cu на Co(100) и Ag на Fe(100).

толщиной парамагнитных и ферромагнитных слоев наи- В этой работе было обнаружено существование особых более интересны для магнитооптических исследований, типов электронных состояний на уровне Ферми. Это так так как металлы 4d (5d)-групп обладают большим зна- называемые ”quantum well states” (QWS), которые связачением константы спин-орбитального взаимодействия и ны с квантованием магнитных моментов электронов s-, должны оказывать наиболее сильное влияние на маг- p-уровней за счет ограничения движения электронов в нитооптические свойства. Анализ физических свойств тонком слое в направлении, перпендикулярном поверхсплавов и многослойных пленок с участием палладия ности. В [4] было также экспериментально показано, показывает следующее. Палладий, являясь парамагнит- что QWS могут приводить к осцилляциям обменного ным элементом, в присутствии ферромагнетика стано- взаимодействия в многослойных структурах.

вится ферромагнитным [1]. Это может быть вызвано Одновременно с экспериментальными работами, расрядом обстоятельств: 1) расширением кристаллической сматривающими осцилляции магнитооптических эффекрешетки на 5-10% за счет внедрения некоторых ионов тов в ультратонких пленках, в которых были обнарув матрицу Pd; 2) дальнодействующим обменным вза- жены QWS, появились работы, в которых авторы пыимодействием с ионами переходных металлов Fe, Co, тались теоретически найти связь между осцилляциями Ni [1]. Причем максимальное значение наведенного экваториального эффекта Керра (ЭЭК) и осцилляцимагнитного момента для Pd равно 0.4µB [2]. В работе [3] ями межслойного обменного взаимодействия. Наприбыло показано, что, несмотря на малый наведенный маг- мер, в [7] была предложена простая модель, в которой нитный момент, Pd вносит значительный (сравнимый с предполагались только переходы с плоского занятого вкладом чистого Fe) вклад в магнитооптические явления d(x±iy)z-уровня на незанятый pz-уровень. При этом было в сплавах Fe/Pd за счет большого спин-орбитального показано, что осцилляции ЭЭК могут быть описаны в расщепления 4d-состояний. терминах плотности состояний электронов, движение Однако, принимая во внимание только высокую маг- которых ограничено вследствие малой толщины иссленитооптическую активность Pd, невозможно объяснить дуемой пленки и, следовательно, нормальная компонента 1062 Е.А. Ганьшина, А.А. Богородицкий, Р.Ю. Кумаритова, В.В. Бибикова, Г.В. Смирницкая...

волнового вектора kz квантуется. Поэтому мнимая часть слоев Fe и Pd в пленках было в среднем равно 100.

недиагональной компоненты тензора проводимости xy Толщина слоя Pd для всех образцов была одинаковой тонкой пленки представляет собой набор дельта-функций и равной 30, а толщина слоя Fe менялась от 5.при определенных энергиях электронов. Зависимость до 30. Распыление производилось в инертном газе Kr же xy от толщины слоя представляет собой осцилляции при давлении примерно 10 Torr. Структурные исследовас уменьшающейся амплитудой. Авторы этой работы ния полученных пленок проводились на рентгеновском показали также, что формула для вычисления перио- дифрактометре с использованием монохроматизированда осцилляций ЭЭК подобна формуле для вычисления ного излучения Fe K. Результаты структурного анализа периода осцилляций магнитного межслойного взаимо- показали, что в пленках с толщиной слоя железа, меньдействия, но период осцилляций межслойного взаимо- шей 30, присутствует фаза сплава Fe/Pd. Для пленок действия обратно пропорционален волновому вектору с толщиной слоев Fe 6-14 наблюдается слоистая поверхности Ферми, в то время как период осцилля- структура с двумя фазами: фазой Fe/Pd и ГЦК-фазой Pd, ций ЭЭК обратно пропорционален волновому вектору при толщине слоев Fe 17-23 проявляется трехфазная изоэнергетической поверхности pz-уровня. Таким обра- структура: фаза Fe/Pd, ГЦК-фаза Pd и ОЦК-фаза Fe; при зом, в [7] было теоретически показано, что ограничение толщине слоя Fe 30 фаза сплава Fe/Pd исчезала [10].

движения электронов приводит к осцилляциям ЭЭК, пе- Оптические и магнитооптические исследования были риод которых может отличаться от периода осцилляций проведены в области энергий 1.3-3.6 eV. Для магнимагнитного обменного взаимодействия. В работе [8] для тооптического исследования применялся ЭЭК, который выяснения природы осцилляций ЭЭК в ультратонких состоит в изменении интенсивности и сдвиге фазы липленках были рассмотрены межзонные переходы в Ni в нейно поляризованного света, отраженного от образца, окрестности L-точки зоны Бриллюэна. Ультрамалая тол- намагниченного в плоскости, перпендикулярной плоскощина пленки была учтена путем квантования момента сти падения света [11]. Для измерения изменений интенэлектронов в направлении, перпендикулярном поверх- сивности линейно поляризованного света использовался ности пленки. Теоретически полученный период осцил- динамический метод регистрации магнитооптических эфляций ЭЭК оказался зависящим от частоты падающего фектов, заключающийся в том, что исследуемый образец, света. помещенный в зазор электромагнита, перемагничивается переменным магнитным полем; величина эффекта равна В настоящее время имеется ограниченное число работ, в которых для того, чтобы изучить электронную струк1 I(+M) - I(-M) туру мультислоев, были получены и рассмотрены спек =, (1) 2 I(+M) +I(-M) тральные кривые межзонной плотности состояний исследуемых пленок. Следует отметить детальное исследовагде M — вектор намагниченности. Использование диние свойств спин-поляризованного Pd в сплавах Fe/Pd в намического метода регистрации сигналов позволяет работе [3], но исследования магнитооптических свойств поднять чувствительность измерений по сравнению со мультислоев Fe/Pd до сих пор не проводилось. В данстатическим методом на 2-3 порядка и регистрировать ной работе предпринята попытка изучения электронной величину эффекта до 10-5. Амплитуда переменного структуры мультислоев Fe/Pd путем исследования измагнитного поля в зазоре обеспечивала насыщение всех менения спектра межзонной плотности состояний, свяисследуемых образцов и составляла 1 kOe. Измерения занного с изменением толщины магнитной прослойки.

проводились при комнатной температуре и при нескольДля расчетов величины 2 2 (где 2 — недиагональный ких углах падения света.

элемент тензора диэлектрической проницаемости, а — Для исследования оптических свойств пленок испольчастота падающего света), характеризующей межзонную зовался поляриметрический метод Битти [12]. Этот плотность состояний, были изучены спектральные завиметод основан на анализе эллиптичности, возникающей симости оптических и магнитооптических свойств мнопосле отражения линейно поляризованного света от гослойных пленок Fe/Pd. Были обнаружены осцилляции поверхности образца. По полученным с точностью 2% величины 2 2 в зависимости от толщины магнитной оптическим константам пленок были вычислены диапрослойки, которые свидетельствуют о проявлении квангональные компоненты тензора диэлектрической протовых размерных эффектов в мультислоях Fe/Pd.

ницаемости.

Для получения дополнительной информации об изменении электронной структуры в мультислойных пленках 1. Методики измерений Fe (x )/Pd (30 ) по измеренным оптическим и магнитои получения образцов оптическим спектрам были рассчитаны недиагональные элементы тензора диэлектрической проницаемости. ИзМногослойные пленки Fe/Pd были получены напыменение интенсивности отраженного от гироэлектричелением на стеклянные подложки в разряде с осциллиской среды света для случая экваториального намагнирующими электронами [9]. Низкая скорость нанесечивания среды записывается в виде [11] ния пленок позволила получить слои толщиной от нескольких единиц ангстрем до десятков ангстрем. Число = a1 + b2, (2) Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Магнитооптические свойства многослойных пленок Fe/Pd где 2. Экспериментальные результаты и их обсуждение A1 Ba = 2 sin 2, b = 2 sin 2, A2 + B2 A2 + B1 1 1 Спектральные зависимости оптической проводимости ( ) = представлены на рис. 1. Видно, что A1 = 2(21 cos2 - 1), спектры оптической проводимости для пленок Fe/Pd 2 2 отличаются от спектров для пленки Fe и величина B1 =(2 - 1) cos2 + 1 - sin2, изменяется немонотонно с уменьшением толщины слоя железа. Немонотонная зависимость от толщины слоя Fe 1 = n2 - k2,2 = 2nk, еще ярче проявляется в магнитооптических спектрах.

— угол падения света на образец, n и k — оптические Спектральные зависимости ЭЭК для мультислоконстанты, 1 и 2 — действительная и мнимая части ев Fe/Pd и пленки железа при углах падения света недиагональной компоненты тензора диэлектрической и 73.7 приведены на рис. 2. Из представленных кривых проницаемости. Из формулы (2) следует, что для опреследует, что магнитооптические спектры многослойных деления действительной 1 и мнимой 2 частей недиагопленок значительно отличаются от спектров пленки нальной компоненты тензора диэлектрической проницажелеза, при этом наблюдается сильная зависимость вида емости достаточно знать его диагональную компоненту и величины ЭЭК от толщины слоя железа для обоих (1, 2) и величины ЭЭК (1 и 2) при двух углах углов падения света.

падения света 1 и 2. Соответствующие формулы На рис. 3 приведены кривые зависимости ЭЭК от можно получить из системы двух уравнений при углах толщины слоев железа для нескольких энергий падападения света 1 и ющего света. Видно, что величина ЭЭК осциллирует с изменением толщины магнитного слоя. Максимумы 1b2 - 2b1 2a1 - 1a1 =, 2 =, (3) эффекта внаблюдаются для пленок с толщиной слоя a1b2 - a2b1 a1b2 - a2bжелеза 12.4 и 19.3 при обоих углах падения света, а величина ЭЭК максимальна для пленки с толщиной слоя где коэффициенты a и b вычисляются при помощи железа 30.

соотношений (2).

Полученные формулы справедливы для магнитоопти- Используя спектры ЭЭК для пленок Fe/Pd и пленки ческих эффектов в изотропной намагниченной среде, чистого железа при двух углах падения света, а также но, так как толщина любого слоя исследуемых пленок значения оптических постоянных и применяя формунамного меньше длины волны падающего на пленку све- лы (3), мы вычислили недиагональные элементы тензора та, данные мультислойные пленки можно рассматривать диэлектрической проницаемости. Расчет величины 22, как некоторую эффективную среду, описываемую эффек- характеризующей межзонную плотность состояний, для тивным тензором диэлектрической проницаемости, для пленок Fe/Pd и пленки чистого железа представлен в которого тоже справедливы формулы (2), (3). виде спектральной зависимости на рис. 4, a. Сравнивая В работах [13,14] было показано, что компоненты кривые межзонной плотности состояний (в зависимости тензора диэлектрической проницаемости в области меж- от энергии) для пленок Fe/Pd с подобными кривыми для зонных переходов можно записать в следующем виде: пленки железа и спин-поляризованного Pd, полученными в работе [3] (рис. 4, b), можно заметить сходство кривой, 22 Pmn ( - mn)d3k, m>n 22 ± Qmn ( - mn)d3k, (4) m>n где m(Em > EF) и n(En < EF) обозначают занятые и незанятые электронные состояния, Pmn и Qmn — величины матричных элементов, знаки плюс и минус соответствуют различным направлениям спинов. Таким образом, поведение 22 и 22 определяется межзонной плотностью состояний. Поэтому в первом приближении (пренебрегая зависимостью матричных элементов от частоты падающего света) по изменению частотных зависимостей величин 22 мы можем следить за изменением межзонной плотности состояний в системе Рис. 1. Спектральная зависимость оптической проводимости пленок Fe/Pd и, следовательно, за изменениями их элекдля пленок Fe (x )/Pd (30 ). x, : 1 —5.8, 2 —9, 3 — 12, тронной энергетической структуры. 4 — 14, 5 — 17, 6 — 19, 7 — 23, 8 — 30; 9 — пленка Fe.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1064 Е.А. Ганьшина, А.А. Богородицкий, Р.Ю. Кумаритова, В.В. Бибикова, Г.В. Смирницкая...

Рис. 3. Зависимость ЭЭК для пленок Fe (x )/Pd (30 ) от Рис. 2. Спектральная зависимость ЭЭК для пленок толщины x магнитной прослойки Fe при различных значениFe (x )/Pd (30 ) при углах падения света 60 (a) и 73.7 (b).

ях энергии падающего света и углах падения света 60 (a) Обозначение кривых (1–9) то же, что и на рис.1.

и 73.7 (b). E, eV: 1 —1.5, 2 —2.5, 3 —3.5.

полученной для пленки с толщиной слоя Fe 5.8, с кривой для спин-поляризованного Pd (сплав Fe6Pd94).

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.