WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 9 Магнитные свойства трехслойных пленок Fe/Si/Fe © Г.С. Патрин,, С.Г. Овчинников,, Д.А. Великанов, В.П. Кононов Красноярский государственный университет, 660041 Красноярск, Россия Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, 660036 Красноярск, Россия E-mail: pat@iph.krasnoyarsk.su (Поступила в Редакцию 10 января 2001 г.) Представлены экспериментальные результаты исследования низкотемпературного поведения намагниченности трехслойных пленок Fe/Si/Fe. Обнаружено, что при T < 30 K ход кривых намагниченности зависит от термомагнитного состояния системы. Обсуждаются возможные механизмы взаимодействия между слоями железа.

Настоящие исследования ведутся при финансовой поддержке научной программы ”Университеты России — фундаментальные исследования”.

Интерес к многослойным магнитным системам обус- толщины и скорости роста пленок. В каждом цикле ловлен тем, что искусственным способом удается созда- напыления изготавливалась одна эталонная пленка толвать материалы с заданными свойствами [1]. Это дости- щиной tFe = 100. Пленки сравнивались между собой гается подбором материалов ”основного магнитного” и также по интенсивности СВЧ поглощения на предмет промежуточного слоев, их толщин, а также способами различия массы магнитоактивного вещества. Измерения укладки. Ситуация, когда в качестве промежуточного намагниченности проводились на СКВИД-магнетометре, слоя берется полупроводниковый материал, отличается описанном в работе [7]. Магнитное поле лежало в тем, что появляются возможности управления свойства- плоскости пленки.

ми промежуточных слоев путем внешних воздействий При проведении всех предыдущих измерений [2–4] (примеси, различные виды излучений, температура, поля использовались магнитные поля порядка 1 kOe, при этом и т. д.).

основной механизм, который считался ответственным за Пленки с кремниевой прослойкой (толщиной tSi) выде- наблюдаемый эффект, связывался с изменением конценляются тем, что их можно относительно просто получать трации носителей тока в полупроводниковой прослойке, различными методами, а главное они обладают необыч- будь то изменения либо с температурой, либо при ными свойствами в легко достижимом диапазоне управ- оптическом облучении. При температуре жидкого азота ляющих параметров. Ранее [2] было обнаружено, что в равновесных условиях все электроны проводимости в при температурах T > 40 K имеет место температурно- кремнии вымерзали, и регистрировался сигнал от слоев зависимое изменение параметра обменного взаимодей- железа, которые показывали практически независимое ствия; методом эффекта Керра было зарегистрировано ферромагнитное поведение. Как нами ранее было полуфотоиндуцированное изменение межслоевого обменного чено из измерений параметров магнитного резонанса [5], параметра [3,4]. Методом электронного магнитного вследствие зависимости от толщины кремниевой прорезонанса [5] было исследовано изменение внутреннего слойки имеет место сдвиг величины резонансного поля эффективного магнитного поля в зависимости от толщи- (рис. 1), связанный с осцилляцией параметра обменны кремниевой прослойки и показано, что при T 80 K ного взаимодействия между слоями железа. В области для пленок с tSi > 10 фотоиндуцированный вклад в tSi < 10 слои железа взаимодействуют ферромагнитно, магнитное взаимодействие носит антиферромагнитный а в области tSi > 10 они связаны антиферромагнитно.

характер. Эти результаты воспроизводились как при T = 300 K, В данной работе приведены результаты исследова- так и при T = 80 K, хотя в последнем случае эффект ний низкотемпературного поведения намагниченности был значительно меньше по величине, но все основные пленок Fe/Si/Fe в малых магнитных полях с помощью особенности повторялись.

СКВИД-техники.

На рис. 2 приведены температурные зависимости разТрехслойные пленки Fe/Si/Fe были получены методом ностей намагниченности (T ) = (T, 0) - (T, tSi) молекулярно-лучевой эпитаксии на установке ”Ангара”, эталонной и исследуемой пленок системы Fe/Si/Fe, полумодернизированной для напыления магнитных материа- ченные при измерении в поле 250 Oe в режиме отогрева лов [6]. В одном цикле напыления приготавливались образца, но при разных толщинах кремния и разных четыре образца с различными толщинами кремниевой условиях охлаждения образца. Величины магнитного попрослойки. Во всех исследованных образцах толщина ля 250 Oe было достаточно для того, чтобы образец нахослоя железа (tFe) составляла 50. Контроль толщи- дился в насыщенном состоянии при всех температурах.

ны осуществлялся с помощью кварцевого измерителя Во-первых, следует обратить внимание на то, что во всем 1644 Г.С. Патрин, С.Г. Овчинников, Д.А. Великанов, В.П. Кононов Для пленки с tSi = 20, у которой антиферромагнитная связь между слоями железа максимальна, на рис. 3 приведены кривые намагничивания, полученные при T = 4.2 K как при увеличении магнитного поля (кривая 1), так и при уменьшении его (кривая 2). В этом эксперименте сначала измерялся сигнал от пленки на подложке, затем магнитная пленка удалялась, измерялся сигнал от подложки и в качестве намагниченности бралась разность этих кривых. Видно, что при увеличении магнитного поля проявляются два характерных поля: H1 160 Oe, где имеет место излом начального хода кривой, и H2 240 Oe, где кривая выходит на насыщение. При движении по полю в обратном направлении особенность при значении поля H1 не проявляется.

Поскольку в данной геометрии эксперимента намагниченность должна лежать в плоскости пленки, криРис. 1. Нормированный сдвиг величины молекулярного поля вая 1 может реализоваться в случае, если присутствует в зависимости от толщины кремниевой прослойки в пленке магнитная кристаллографическая анизотропия, которая Fe/Si/Fe. T = 80 (1) и 300 K (2).

конкурирует с анизотропией формы. Такое поведение при рассмотрении в рамках модели двухподрешеточного антиферромагнетика возможно в случаях, либо когда ось анизотропии перпендикулярна плоскости пленки, либо при наличии внутриплоскостной анизотропии. Тогда поле H1 можно рассматривать как поле спин-флопа, а поле H2 — как поле после схлопывания подрешеток. Обратный ход намагниченности можно интерпретировать как индуцированный магнитным полем ферромагнетизм или как индуцирование магнитным полем метастабильного состояния, когда для проявления магнитной анизотропии необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер.

Все эти экспериментальные факты кажутся неожиданными при предположении, что носителями взаимодействия между слоями железа являются только электроны проводимости из объема кремниевой прослойки, поскольку при низких температурах переносчиков взаимодействия практически не должно быть.

Рис. 2. Температурные зависимости изменения намагниченности на единицу площади (T, tSi) = (T, 0) - (T, tSi) при разных толщинах кремниевой прослойки. tSi: 5 (1), 10 (2), 20 (3) и 30 (4). Светлые значки — охлаждение в поле H = 0 Oe, темные значки —в поле H = 250 Oe.

диапазоне температур T = 30-300 K температурные срезы величины (T = const) в зависимости от tSi коррелируют с зависимостями, приведенными на рис. 1.

Эти результаты не зависят от того, в поле или без поля охлаждался образец. Во-вторых, при T < 30 K наблюдается заметное различие хода кривых, полученных в разных условиях охлаждения. Также обращает на себя внимание тот факт, что при фиксированной температуре величина (Hc = 250 Oe) - (Hc = 0Oe) (здесь Hc — Рис. 3. Зависимости приведенной намагниченности от магполе охлаждения) в зависимости от tSi коррелирует с нитного поля. 1 — при увеличении магнитного поля, 2 —при зависимостями на рис. 1. уменьшении магнитного поля. T = 4.2K.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Магнитные свойства трехслойных пленок Fe/Si/Fe Для объяснения низкотемпературных результатов по Список литературы намагниченности пленок Fe/Si/Fe необходимо ответить [1] P. Grunberg, R. Schreiber, Y. Pang, M.N. Brodsky, H. Sowers.

на два вопроса: что является переносчиком взаимодейPhys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986).

ствия и каков механизм этого взаимодействия. Как из[2] S. Toscano, B. Briner, H. Hopster, M. Landolt. J. Magn. Magn.

вестно [8], на границе металл–полупроводник образуется Mater. 114, L6 (1992).

переходная область типа силицид металла–кремний. По [3] J.E. Mattson, S. Kummar, E.E. Fullerton, S.R. Lee, C.H. Soданным электронной оже-спектроскопии для контакта wers, M. Grimsdith, S.D. Bader, F.T. Parker. Phys. Rev. Lett.

кремния с d-элементами эта переходная область может 71, 185 (1993).

составлять от единиц до двух десятков ангстрем (напри[4] J.E. Mattson, E.E. Fulerton, S. Kumar, S.R. Lee, C.H. Sowers, мер, для Ni она составляет 7–14, а для Pd — приблиM. Grimsditch, S.D. Bader. J. Appl. Phys. 75, 6169 (1994).

зительно 3 ). По данным [9], соединение FeSi явля[5] Г.С. Патрин, Н.В. Волков, В.П. Кононов. Письма ЖЭТФ ется почти ферромагнитным полупроводником (плохой 68, 287 (1998).

металл по величине, но полупроводник по температур- [6] Е.Г. Елисеева, В.П. Кононов, В.М. Попел, Е.В. Тепляков, ной зависимости электропроводности). Для того чтобы А.Е. Худяков. ПТЭ 2, 141 (1986).

это соединение проявило действительно ферромагнит- [7] Г.С. Патрин, Д.А. Великанов, Г.А. Петраковский. ЖЭТФ 103, 234 (1993).

ное поведение, плотность состояний у него недостаточно [8] Б. Бехштедт, Р. Эндерлайн. Поверхности и границы раздевелика. Однако на границе с металлом со стороны ла полупроводников. Мир, М. (1990). 484 с.

полупроводника образуется обогащенная электронами [9] M. Imada, A. Fujimori, Y. Tokura. Rev. Mod. Phys. 70, область за счет оттока электронов из области металла.

(1998).

Нетрудно оценить [8], что при суммарной толщине [10] В. Спир. В кн.: Аморфный кремний и родственные матепрослойки порядка 10 весь ее объем будет состоять риалы / Под ред. Х. Фрицше. Мир, М. (1991). С. 315.

из перекрывающихся переходных областей на границах с обоими слоями железа. При этом электронной плотности оказывается достаточно для возникновения ферромагнитного порядка в системе. Если в системе порядок образуется по схеме волны спиновой плотности, то дальнейшее увеличение толщины прослойки приведет к смене магнитного порядка. Видимо, tSi 20 можно рассматривать как период осцилляций в системе с низкой плотностью электронных состояний. При дальнейшем увеличении tSi дальний порядок в системе начинает разрушаться из-за недостаточной плотности состояний.

Нельзя исключать и возможность осуществления при низких температурах межслоевой связи через состояния ”хвостов” зон в полупроводнике. Как отмечается в работе [2], кремниевая прослойка, полученная по технологии испарения, находится в аморфном состоянии и область ближнего порядка составляет около 16. Если реализуется такой сценарий, то кремний содержит большое количество дефектов и при рассмотрении электронных процессов необходимо учитывать состояния ”хвостов” зон [10]. В аморфном кремнии обнаруживается увеличение подвижности носителей тока при температурах T < 30 K. Установлено, что для этих процессов энергии активации находятся в интервале 1–2 meV. В такой ситуации перенос взаимодействия может осуществляться через состояния ”хвостов” зон. При понижении температуры эффект уменьшения концентрации переносчиков взаимодействия может компенсироваться за счет увеличения длины свободного пробега. Этот механизм может обеспечить сохранение памяти о спиновом состоянии слоя, который этот электрон покинул. Для установления конкретного механизма, обеспечивающего установление дальнего порядка в трехслойной системе, необходимы более детальное исследование электронных свойств на границе раздела железо–кримний и определение роли хвостов зон состояний в процессах переноса носителей тока.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып.




© 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.