WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 8 Структура и магнитная анизотропия пленок Co/Cu/Co © Л.А. Чеботкевич, А.В. Огнев, Б.Н. Грудин Дальневосточный государственный университет, 690950 Владивосток, Россия E-mail: lach@phys.dvgu.ru (Поступила в Редакцию 16 декабря 2003 г.) Исследовалось поведение энергии магнитной анизотропии поликристаллических ультрадисперсных пленок Co/Cu/Co с изменением толщины медных и кобальтовых слоев. Установлено влияние структурных изменений (размера и распределения дефектов, периода и амплитуды шероховатостей) на компоненты поверхностной и объемной анизотропии. Параметры структурных неоднородностей и их распределение по поверхности пленок определялись с использованием двумерных Фурье-спектров электронномикроскопических изображений пленок.

Работа поддержана федеральным бюджетом Российской Федерации „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) и бюджетом Минобразования России (грант „Молодые ученые России“).

1. Введение пользовалась методика, предложенная в работе [1], где величина угловой дисперсии осей анизотропии a опреНаноструктурные объекты в последнее десятилетие делялась по углу, в пределах которого не изменяется являются предметом интенсивных исследований, по- величина резонансного поля при вращении пленки в ее скольку на них базируется современная нанотехнология.

плоскости.

Успехи в этих областях были достигнуты благодаря стремительному совершенствованию технологии полу3. Экспериментальные результаты чения и исследования микро- и наноструктур. Крои их обсуждение ме практического применения многослойные магнитные структуры представляют интерес и как объекты с соМетодом ФМР измерялось поле магнитной анизовершенно новыми магнитными и магниторезистивными h.a. e.a. h.a.

тропии Ha =(Hr - Hr )/2 пленок. Здесь Hr и свойствами. В настоящее время актуальными являются e.a.

Hr — резонансные поля в направлении оси трудноисследования, направленные на изучение влияния косго (ОТН) и легкого намагничивания (ОЛН) соответвенной обменной связи на магнитные свойства многоственно. Зависимость констант магнитной анизотропии слойных пленок.

(Ku = HaIeff/2, где Ieff — намагниченность пленки) В настоящей работе исследуется влияние распредеосажденных пленок (Co/Cu)n от толщины кобальтовых ления структурных дефектов и шероховатостей поверхслоев представлена на рис. 1. Значения Ku рассчитаны ности на компоненты констант магнитной анизотропии Co/Cu/Co пленок.

2. Методика эксперимента Образцы Co/Cu/Co получали магнетронным распылением на постоянном токе в атмосфере рабочего газа Ar (PAr = 5 · 10-3 Torr). Пленки осаждали на естественно окисленные монокристаллы (111)Si при комнатной температуре. Толщина слоев контролировалась по времени напыления. Скорость осаждения Co и Cu составляла 0.1 и 0.08 nm/s соответственно. Структура пленок исследовалась методами электронной микроскопии и микродифракции электронов. Все исследуемые пленки — поликристаллические с размером зерна 5-6nm.

Намагниченность измерялась индукционным методом на автоматизированном вибромагнетометре.

Рис. 1. Зависимость константы наведенной магнитной аниДля измерения поля анизотропии использовался мезотропии Ku от толщины ферромагнитных слоев Co для тод ферроромагнитного резонанса (ФМР). Для опрепленок Co/Cu(dCu)/Co: 1 — dCu = 0.7, 2 — dCu = 1.0 и деления угловой дисперсии осей анизотропии a ис- 3 — dCu = 1.6nm.

1450 Л.А. Чеботкевич, А.В. Огнев, Б.Н. Грудин Таблица 1. Магнитная анизотропия пленок Co/Cu/Co до и после отжига при Tann = 350C, tann = 30 min Kv, 104 erg/cm3 Ks, 10-3 erg/cmdCu, nm эксперимент расчет эксперимент расчет до отжига после отжига до отжига после отжига до отжига после отжига до отжига после отжига 0.7 7.1 1.1.0 7.5 2.3 7.3 5.7 5.5 -7.0 5.8 -8.1.6 6.9 5.с учетом зависимости намагниченности от толщины нитных слоев величина Ku effdCo линейно возрастает.

ферромагнитных слоев (Ieff = f (dCo)) (рис. 2). С уве- При dCo = -2ks/Kv наблюдается кроссовер ОЛН из личением толщины кобальтовых слоев значение кон- плоскости пленки в направление, перпендикулярное постанты наведенной магнитной анизотропии возрастает и верхности пленки. Величина поверхностной магнитной выходит на насыщение. В образцах с толщиной медной анизотропии 2Ks определялась экстраполяцией зависипрослойки dCu = 0.7 nm величина наведенной магнитной мости Ku effdCo = f (dCo) к значению dCo = 0. На рис. 3, a анизотропии максимальна. Вероятно, это связано с нали- представлена зависимость Ku effdCo = f (dCo) для пленок чием большого количества ферромагнитных мостиков в (Co/Cu)n с различной толщиной dCu. Значения констант прослойке Cu и, как следствие, локального увеличения поверхностной анизотропии Ks приведены в табл. 1.

толщины слоев Co.

После отжига при температуре 350C в течение Величину энергии наведенной магнитной анизотропии 30 min компонента поверхностной анизотропии в пленKu eff можно записать в виде феноменологического выраках Co/Cu/Co меняет знак (рис. 3, b). Это может быть жения [2,3] связано с тем, что в отожженных пленках произошла 2Ks деградация промежуточной прослойки из-за увеличения Ku eff = Kv +, dCo размера зерен примерно в 6 раз (R = 28-30 nm) и в немагнитной прослойке образовалось много булавочных где Kv и Ks — объемная и поверхностная компоненты отверстий. Между слоями установилась ферромагнитнаведенной магнитной анизотропии соответственно.

ная связь через булавочные отверстия, что позволяет Компонента Kv вызвана анизотропным распределерассматривать такие пленки как однослойные с толщинием объемных дефектов (границ между зернами, ценой, равной суммарной толщине ферpомагнитных слоев.

почек из межзеренных границ, микропор). Компонента Эффективное увеличение толщины Co привело к тому, поверхностной магнитной анизотропии Ks обусловлена что вектору намагниченности стало выгодней лежать в морфологией границ раздела (интерфейсов Co/Cu). Коплоскости пленки.

эффициент 2 возникает вследствие того, что каждый Величина объемной магнитной анизотропии, ферромагнитный слой имеет две межфазные границы.

определенная как тангенс угла наклона кривой Если Kv и Ks — константы, то согласно феноменолоKu effdCo = f (dCo), для всех пленок примерно одинакова гическому закону с увеличением толщины ферромаг(табл. 1). В отожженных пленках объемная компонента наведенной магнитной анизотропии уменьшается.

Были проведены оценки поверхностной магнитной анизотропии на основе реальной структуры для исследуемых пленок Co/Cu/Co. Согласно [4,5], поверхностную магнитную анизотропию можно представить в виде Ks = K0 + K, где K0 — константа поверхностной (граничной) анизотропии для идеальной границы, а K — анизотропия, обусловленная шероховатостью границ раздела.

В случае идеальной границы раздела граничная анизотропия в многослойных пленках обусловлена псевдодипольным взаимодействием пар атомов и равна [4]:

K0 = 3aNW, где a — постоянная решетки, N — количество атомов в единице объема, W = WCoCo + WCuCu - 2WCoCu — энергия псевдодипольного взаимодействия атомов Co-Co, Cu-Cu, Co-Cu соответственно. КонРис. 2. Изменение намагниченности пленок Co/Cu/Co при станта анизотропии для идеального интерфейса равна увеличении толщины слоев кобальта. 1 — после осаждения, 2 — после отжига при Tann = 350C в течение tann = 30 min. K0 = 8.64 · 10-2 erg/cm2.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Структура и магнитная анизотропия пленок Co/Cu/Co Рис. 3. Зависимость KudCo от толщины слоев Co. a — после осаждения, b — после отжига при Tann = 350C в течение tann = 30 min для пленок Co/Cu(dCu)/Co. 1 — dCu = 0.7, 2 — dCu = 1.0 и 3 — dCu = 1.6nm.

Рис. 4. Изображение морфологии поверхности пленки методом АСМ и значения дисперсии амплитуды и длины шероховатости l.

В реальных пленках на величину анизотропии идеаль- поненты поверхностной анизотропии имеет вид [4]:

ного интерфейса оказывают влияние различные причи- Kd = -K0(1 - a/hd), где a — параметр решетки, ны: шероховатость границ раздела слоев, диффузионное hd — глубина диффузионного размытия межфазразмытие интерфейса, нанокристаллическая структура. ной границы. При hd = 1-2 межатомных расстояния Вклад шероховатостей границ раздела в компонен- Kd = -2.88 · 10-2 erg/cm2.

ту поверхностной анизотропии рассчитывался как [4]: В этом случае компонента поверхностной маг Kr = -2K0(/)2, где — дисперсия амплитуды ше- нитной анизотропии реальных границ раздела равна роховатости (отклонение от средней плоскости), — Ks = 5.8 · 10-3 erg/cm2. Представленный результат сопериод шероховатостей, определяемых из статистически гласуется с экспериментально измеренными значенияобработанных изображений топографии поверхностей, ми поверхностной магнитной анизотропии в пленках полученных методом АСМ (рис. 4). Для исследуемых (Co/Cu)n (табл. 1).

образцов Kr = -1 · 10-5 erg/cm2.

После отжига при Tann = 350C в пленках происходит При определении вклада поликристалличности пред- деградация межфазных границ из-за увеличения размеполагалось, что ориентация кристаллитов равнове- ра зерен и взаимной диффузии. Если положить, что роятна. Тогда величину поверхностной анизотро- глубина диффузного размытия межфазной границы hd пии, обусловленную поликристаллической структу- в отожженных пленках соизмерима с шириной межрой, можно представить в виде [4]: Kp = -0.6Kфазной границы, то Ks меняет знак, что согласуется = -5.18 · 10-2 erg/cm2. с экспериментально определенным значением энергии поверхностной анизотропии (табл. 1).

В процессе осаждения слоев, а также последующей термической обработки возможно диффузионное раз- Для оценки объемной компоненты магнитной анимытие границ раздела образца. Величина этой ком- зотропии, обусловленной распределением структурных Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1452 Л.А. Чеботкевич, А.В. Огнев, Б.Н. Грудин Таблица 2. Параметры распределения структурных неоднородностей по поверхности Co/Cu/Co пленки Частотные диапазоны Пленки первый второй третий четвертый Co/Cu/Co 1, nm 1 1, 2, nm 2 2, 3, nm 3 3, 4, nm 4 4, До отжига 23.4 1.0 – 54 1.6 0 72 2.6 175 104.5 2.3 После отжига 44.0 1.1 120 – – – 85.0 1.4 Рис. 5. a, b — электронно-микроскопическое изображение структуры Co/Cu/Co пленки; c, d — зависимость интегральной энергии частотных характеристик в кольцевых зонах от длины волны; e, f — двумерные Фурье-спектры. a, c, e —до отжига, b, d, f —после отжига при Tann = 350C в течение tann = 30 min. На частях e, f по радиусам отложены периоды неоднородностей.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Структура и магнитная анизотропия пленок Co/Cu/Co Таблица 3. Размеры структурных неоднородностей Частотные диапазоны Co/Cu/Co первый второй третий четвертый l1, nm d1, nm l2, nm d2, nm l3, nm d3, nm l4, nm d4, nm До отжига 5 1 10 1 20 1 30 Tann = 350C 74 2 203 неоднородностей необходимо знать не только линей- диапазон, распределены по пленке изотропно ( = 1) ные размеры неоднородностей, но и их взаимную (рис. 5, e). Изотропно распределенные дефекты (напряориентацию и распределение по пленке. Электронно- жения) не вносят вклада в наведенную магнитную анизомикроскопические изображения пленок визуализируют- тропию. В осажденных пленках присутствует три, а посся иерархией структурных неоднородностей. Однако по- ле отжига — две системы анизотропно распределенных дефектов, вносящих вклад в магнитную анозотропию лучить количественные оценки распределения дефектов для многослойных структур сложно. Для оценки пара- (табл. 2 и рис. 5, e, f). Поле анизотропии, обусловленное объемными дефектами в осажденной пленке, равно метров структурных неоднородностей проводился спектральный Фурье-анализ электронно-микроскопических 1/2 2 H2 + H3 + H4 - 2H2H3 cos(3 - 2)+ изображений. Были получены цифровые двумерные v 2 Ha = + 2H4[H2 + H3 - 2H2H3 cos(3 - 2)]1/2, спектры Фурье, которые рассчитывались на ЭВМ. Дву cos(2 - 4 + ) мерный Фурье-спектр каждого изображения разбивался на 36 кольцевых секторов. В каждом секторе опреH3 cos(3 - 2) - Hделялась средняя мощность спектральных компонент, = arccos.

2 [H2 + H3 - 2H2H3 cos(3 - 2)]1/характеризующая частотный состав изображения. Затем исследовалась спектральная энергия структурных Для отожженной пленки неоднородностей, входящих в разные частотные диаv 2 Ha =[H2 + H4 + 2H2H4 cos(4 - 2)]1/2.

пазоны. Интегральные частотные характеристики для удобства выражены в эквивалентных длинах волн. На Здесь Hi — компоненты поля анизотропии, обусловленрис. 5 представлена зависимость интегральной энергии ные неоднородностями i-го диапазона, которые рассчичастотных характеристик в кольцевых зонах от длины тывались по формуле волны пространственных неоднородностей. Спектральный Фурье-анализ электронно-микроскопических изобHi = 2(Nb - Na)( I)2ci/Ieff, ражений структуры трехслойных пленок показал, что где Na, Nb — размагничивающие факторы вдоль спектр структурных неоднородностей имеет несколько осей a и b дефекта, I — скачок намагниченности максимумов, т. е. несколько выделенных периодов в расна границе дефекта, ci — концентрация дефектов пределении неоднородностей. Распределение структурi-го типа. I = Is - Idef; так как Ieff = IsV + Idef(1 - V ), ных неоднородностей в пленке оценивалось по энергии где V — объем зерен, то I =(Is - Ieff)/(1 - V ), где спектральных составляющих в радиальных спектрах, в которые входят наблюдаемые локальные максимумы. Полученные двумерные Фурье-спектры позволили определить коэффициент анизотропности распределения дефектов по пленке и угол разориентации дефектов, входящих в разные частотные диапазоны. Параметры структурных неоднородностей приведены в табл. 2.

Можно выделить четыре типа неоднородностей (периодов неоднородностей), соответствующих локальным максимумам энергии (табл. 2). После отжига в пленке выявлено всего два локальных максимума (рис. 5).

С учетом параметров структурных неоднородностей пленки до и после отжига были проведены оценки объемной компоненты магнитной анизотропии Kv, обусловленной структурными дефектами.

Для нахождения результирующей константы магнитной анизотропии определяли поле анизотропии. В оса- Рис. 6. Зависимость отношения I/Is (1) и размера зержденных пленках неоднородности, входящие в первый на R (2) от температуры отжига Co/Cu/Co пленок.

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1454 Л.А. Чеботкевич, А.В. Огнев, Б.Н. Грудин Is — табличное значение, а V и Ieff определены экспериментально (рис. 6). Концентрация дефектов каждого диапазона определялась как ci = Si/1cm2, Si = S0ni, где S0 = l · d — площадь отдельного дефекта i-го диапазона, а ni = 1/i — плотность дефектов i-го диапазона.

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.