WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 8 Особенности эффекта Холла в двухслойных пленках Cr/Co,, © Б.А. Аронзон, А.Б. Грановский, С.Н. Николаев, Д.Ю. Ковалев, Н.С. Перов, В.В. Рыльков, Институт теоретической и прикладной электродинамики, 127412 Москва, Россия Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия E-mail: kovalev@imp.kiae.ru (Поступила в Редакцию 10 декабря 2003 г.) При комнатной температуре исследованы эффект Холла и магнитосопротивление в двухслойных пленках Cr(50 )/Co(200 ), полученных ионным распылением на кремниевую подложку. Обнаружен планарный эффект Холла (ПЭХ), который в отличие от обычно наблюдаемого ПЭХ является симметричным по знаку изменения угла поворота магнитного момента в плоскости пленки. Изменение холловского сопротивления в условиях проявления симметричного ПЭХ достигает величины более 10% и на два порядка превышает эффект анизотропного магнитосопротивления. На основе измерений петель гистерезиса при различных ориентациях магнитного поля, а также исследований ПЭХ при наложении слабого продольного магнитного поля показано, что симметричный ПЭХ связан с многодоменным состоянием пленки Co в двухслойных структурах Cr/Co.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 03-0217029, 02-02-16974 и 01-02-16420).

1. Введение VH = VPH + VAH. (3) Здесь Rs — константа АЭХ, а — угол между магнитСпецифика ферромагнитных пленок заключается в ным моментом и нормалью к пленке, VH — суммарная том, что в силу анизотропии магнитосопротивления измеряемая эдс.1 электрическое поле, перпендикулярное току (эдс ХолИз приведенных выражений видно, что эдс Холла в ла), в них может возникать, даже когда магнитный ферромагнетиках определяется поведением намагниченмомент ориентирован целиком в плоскости пленки [1,2], ности, а ее величина тем выше, чем меньше толщина в отличие от обычной геометрии наблюдения аномальпленки. Не случайно с развитием спинтроники, где ного эффекта Холла (ЭХ), предполагающей наличие используются миниатюрные тонкопленочные элеменперпендикулярной составляющей магнитного момента.

ты, исследованию методов холловской магнитометрии Данный эффект получил название планарного эффекта уделяется значительное внимание, в том числе с исХолла (ПЭХ) и в случае однодоменной пленки эдс ПЭХ пользованием ПЭХ [5–11]. В частности, показано, что имеет вид [3] на основе ПЭХ могут быть созданы микрокомпасы и Ix измерители магнитного поля с чувствительностью 1 nT VPH = ( - ) sin cos, (1) d (см. [5–7] и ссылки в этих работах). Недавно появились также работы [8,9], в которых ПЭХ применяется для где VPH — эдс Холла, возникающая в направлении, анализа весьма сложного характера обменной анизотропоперечном (вдоль оси Y) протекающему вдоль пленки пии на границе ферромагнетика и антиферромагнетика (оси Y) току Ix; d — толщина пленки; —угол между (в частности, в двухслойных структурах NiFe/FeMn [8] направлением намагниченности M и током; и — и NiFe/NiMn [9]), а также для изучения процессов удельное сопротивление пленки, параллельное и перпендикулярное направлению намагниченности соответ- перемагничивания при различных направлениях пиннингующего поля в спин-вентильных устройствах [10].

ственно [4]: ( - ) M2. Из выражения (1) следует, что ПЭХ наиболее выражен в тонких пленках и опреде- Целью настоящей работы являлось изучение ЭХ в двухслойных структурах на основе Co и антиферромагляется эффектом анизотропного магнитосопротивления нетика Cr. Заметим, что изучению магнитотранспортных (АМС). Заметим, что если магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости пленки и появляется ком- свойств многослойных пленок Co/Cr уделялось до сих понента намагниченности, направленная по нормали, пор незначительное внимание, что объясняется, пото в измеряемый сигнал аддитивный вклад вносит эдс видимому, сильным рассогласованием решеток Co и Cr аномального эффекта Холла (АЭХ) [4] и сложной структурой возникающих систем [12].

Вклад от обычного эффекта Холла, обусловленного силой ЛоренRsIx VAH = M cos, (2) ца, в 3d-переходных металлах и их сплавах пренебрежимо мал.

d 7 1442 Б.А. Аронзон, А.Б. Грановский, С.Н. Николаев, Д.Ю. Ковалев, Н.С. Перов, В.В. Рыльков 2. Образцы и методика измерений следующим образом. После юстировки плоскости образца задавалось магнитное поле положительной полярноОбразцы, снабженные парой токовых контактов и дву- сти величиной около 2 kOe, которое затем уменьшалось мя парами потенциальных (холловских) зондов, имели с небольшой скоростью ( 400 Oe/min). ЭХ измерялстандартную форму двойного креста. Ширина прово- ся вначале при изменении магнитного поля от +дящего канала W = 2 mm, длина L = 7 mm, а длина и до -2 kOe и затем от -2 до +2 kOe. Таким образом, ширина выступов (зондов) на боковых гранях образца можно было по наличию гистерезиса в холловском составляли 1.5 и 0.5 mm соответственно. Образцы были сопротивлении судить о проявлении перпендикулярной получены в вакуумной установке путем ионно-лучевого магнитной анизотропии.

распыления: вначале Cr и затем Co из нескольких Из рис. 1 видно, что в исследованной области полей симметрично расположенных мишеней относительно наблюдается необычной формы гистерезис эдс Холла.

плоскости образца. Угол падения атомов Co и Cr по Отметим, что в пленках Co(200 ) без подслоя Cr оценке варьировался в диапазоне 20-40, при этом подобного гистерезиса не наблюдалось. Необычность плоскость падения в среднем была перпендикулярна наформы гистерезиса в двухслойных структурах (рис. 1) правлению проводящего канала. Данное обстоятельство, свидетельствует, как несложно заметить, о существенкак известно [13], способствует появлению наведенной ном проявлении четной по магнитному полю составляюанизотропии с легкой осью намагничивания, перпенщей в поперечном сопротивлении, или, другими слодикулярной плоскости падения, т. е. в нашем случае, расположенной вдоль канала образца. Нанесение пленок осуществлялось на кремниевые подложки, покрытые тонким термическим окислом ( 1000 ), через прецизионно изготовленные маски из никеля. Точность совмещения выступов (холловских зондов) составляла величину порядка 10 µm.

Исследования ЭХ проводились с помощью автоматизированной установки на базе PC и прецизионного мультиметра НР3457А. Магнитное поле создавалось электромагнитом, питание которого осуществлялось цифровым двенадцатиразрядным источником постоянного тока на 20 A, управляемым также от PC. При токе 20 A магнитное поле достигало около 1 T. Напряжение между холловскими Vy и потенциальными Vx зондами и протекающей через образец ток Ix синхронно регистрировались (в цифровом виде) в режиме постоянного Рис. 1. Зависимость поперечного сопротивления от магниттянущего напряжения при положительном и отрицаного поля в двухслойной структуре Cr(50 )/Co(200 ). Поле тельном значениях магнитного поля H. По результатам перпендикулярно плоскости образца. Стрелками показано наизмерений находились сопротивление образца между правление изменения магнитного поля.

потенциальными зондами Rxx = Vx/Ix и поперечное сопротивление Rxy = Vy/Ix. Значение тока при измерениях не превышало 4-5 mA. Поле относительно плоскости образца (перпендикулярно либо параллельно) устанавливалось с помощью измерения сигнала с холловских зондов в максимальном поле ( 1T).

Дополнительно для нахождения оси легкого намагничивания были проведены исследования намагниченности с помощью вибрационного магнетометра-анизометра.

3. Результаты измерений и обсуждение На рис. 1 приведены результаты исследований ЭХ в двухслойных структурах Cr(50 )/Co(200 ) при комнатной температуре в стандартной холловской геометрии (магнитное поле прикладывалось перпендикулярно Рис. 2. Полевая зависимость сопротивления асимметрии Ra в плоскости образца). Эксперименты были выполнены двухслойной структуре Cr(50 )/Co(200 ).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Особенности эффекта Холла в двухслойных пленках Cr/Co Как видно из уравнений (1)–(3), сигнал АЭХ является нечетной функцией M, в то время как напряжение ПЭХ четно по M. Следовательно, если точки петли гистерезиса рис. 1, отвечающие полю H < 0, вычесть из соответствующих им точек для H > 0, то полученная кривая будет зависеть только от перпендикулярной составляющей намагниченности. Аналогично, если соответствующие порции точек сложить, то результат будет зависеть только от компоненты намагниченности, лежащей в плоскости пленки. Используя этот прием несложно восстановить поведение перпендикулярной и параллельной компонент намагниченности [4].

С использованием описанной выше процедуры были построены зависимости поперечного сопротивления от компоненты намагниченности, перпендикулярной (рис. 3, a) и параллельной (рис.3, b) плоскости пленки.

Из сопоставленных данных рисунков следует, что гистерезисное поведение эффекта Холла связано с компонентой намагниченности, лежащей в плоскости пленки.

(Заметим, что остаточное сопротивление на рис. 3, b при H = 0 следует интерпретировать как сопротивление асимметрии в геометрическом рассогласовании холловских зондов; по оценке в данном образце оно составляет около 4 µm). Обратим также внимание, что гистерезиса в поведении поперечной компоненты намагниченности не наблюдается, причем данная компонента линейно зависит от поля в исследованном диапазоне полей.

Данный факт указывает на отсутствие перпендикулярной анизотропии, часто присущей сплавам CoCr [4,15].

Выполненные с помощью вибрационного магнетометра-анизометра исследования показали, что ось легкого намагничивания действительно лежит в плоскости пленки, причем практически параллельно проводящему Рис. 3. Зависимость поперечного сопротивления от магнитноканалу — оси образца. На рис. 4 приведены данные по го поля, определяемая перпендикулярной (a) и продольной (b) компонентами намагниченности.

вами, „четного“ ЭХ Ra =(R+ + R- )/2, где R+ и Rxy xy xy xy отвечают положительному и отрицательному значениям полей соответственно. Зависимость Ra(H) представлена на рис. 2 (получена путем суммирования значений Rxy, измеренных при изменении поля от +2kOe до 0 и от -2kOe до 0). Видно, что в области малых полей Ra значительно увеличивается и при дальнейшем увеличении поля имеет тенденцию к насыщению. Заметим, что проявление четной составляющей ЭХ недавно наблюдалось в неупорядоченных гранулированных ферромагнетиках [14] (Fe/SiO2 нанокомпозитах), где оно связывалось с перколяционным характером проводимости данных систем и изменением токовых траектрий путей протекания под действием магнитного поля. Объекты, исследованные в настоящей работе, представляют собой Рис. 4. Гистерезис намагниченности при различных ориенхорошие металлы, так что механизм обнаруженного тациях магнитного поля относительно оси образца (направэффекта, очевидно, носит иную природу. Далее будет ления протекания тока). Поле лежит в плоскости образца.

показано, что этот результат связан с необычным по- На вставке — зависимость коэффициента прямоугольности от ведением ПЭХ. угла ориентации поля.

7 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1444 Б.А. Аронзон, А.Б. Грановский, С.Н. Николаев, Д.Ю. Ковалев, Н.С. Перов, В.В. Рыльков проведены два типа измерений в планарной геометрии:

в первом случае магнитное поле прикладывалось параллельно плоскости образца и перпендикулярно току, протекающему через образец (рис. 5); по втором случае — параллельно плоскости образца и параллельно току (рис. 6). Обратим внимание, что в первом случае наблюдается отрицательное магнитосопротивление (рис. 5, b), тогда как во втором случае магнитосопротивление является положительным (рис. 6, b). Иными словами, поведение магнитосопротивления имеет все черты, характерные для эффекта АМС, причем с небольшим значением / (менее 0.1%). В то же время изменение поперечного сопротивления ЭХ превышает 10%. Заметим также, что наблюдаемый ПЭХ симметричен по магнитному полю и, следовательно, по знаку изменения угла поворота магнитного момента, в то время как ПЭХ, согласно (1), является антисимметричным. Возможным объяснением этого эффекта является разбиение пленки на домены за счет взаимодействия ферро- и антиферромагнетика (Co и Cr). В многослойных структурах Fe/Cr такая ситуация является типичной. Напомним, что в пленках Рис. 5. Зависимость поперечного Rxy (a) и продольного Rxx (b) сопротивлений от величины магнитного поля в двухслойной структуре Cr(50 )/Co(200 ). Поле параллельно плоскости образца и перпендикулярно току. Стрелки показывают направление изменения поля.

гистерезису намагниченности образца, полученные при различных углах напрвления поля по отношению к оси образца. Коэффициент прямоугольности петель сильно зависит от ориентации поля и имеет максимум, близкий к 1 при ориентации магнитного поля под углом к оси образца в плоскости пленки (вставка к рис. 4).

Подобная зависимость указывает, что образец является одноосным, при этом его легкая ось отклонена на угол 10 от оси образца. Коэрцитивная сила образца около 13 Oe, при этом процесс перемагничивания в легком направлении происходит при увеличении поля в до 14 Oe. Скорее всего, столь относительно широкий интервал полей, в которых происходит перемагничивание, связан с постепенным движением доменных границ, которое практически завершается в поле порядка 14 Oe.

В больших полях идет постепенный доворот магнитного Рис. 6. Магнитополевые зависимости поперечного Rxy (a) и момента до оси легкого намагничивания.

продольного Rxx (b) сопротивлений в двухслойной структуре В связи с обнаружением сильного влияния продоль- Cr(50 )/Co(200 ). Поле параллельно плоскости образца и ной компоненты намагниченности на ЭХ (рис. 3, b) были току.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Особенности эффекта Холла в двухслойных пленках Cr/Co Авторы выражают благодарность Е.Д. Ольшанскому за помощь в изготовлении образцов.

Список литературы [1] Ву Динь Кы, Е.Ф. Курицина. ДАН СССР 160, 1, 77 (1965).

[2] Е.Ф. Курицина, Ву Динь Кы. Изв. АН СССР. Сер. Физ. 29, 4, 580 (1965).

[3] T.R. McGuire, R.I. Potter. IEEE Trans. Magn. 11, (1975).

[4] D.G. Stinson, A.C. Palumbo, B. Brandt, M. Berger. J. Appl.

Phys. 61, 8, 3816 (1987).

[5] F. Montaigne, A. Schuhl, F. Nguyen Van Dau, A. Encinas.

Sensors and Actuators 81, 324 (2000).

[6] C. Christides, S. Stavroyiannis, D. Niarchos. J. Phys.: Condens.

Matter 9, 7281 (1997).

Рис. 7. Зависимость поперечного сопротивления Rxy от поля [7] F.G. Ogrin, S.L. Lee, Y.F. Ogrin. J. Magn. Magn. Mater. 219, в двухслойной структуре Cr(50 )/Co(200 ) в условиях по331 (2000).

стоянного приложенного магнитного поля вдоль направления [8] G. Li, T. Yang, Q. Hu, W. Lai. Appl. Phys. Lett. 77, 7, тока величиной 10 Oe. Поле развертки параллельно плоско(2000).

сти образца и перпендикулярно току.

[9] Z.Q. Lu, G. Pan, W.Y. Lai, D.J. Mapps, W.W. Clegg. J. Magn.

Magn. Mater. 242–245, 525 (2002).

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.