WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 1998, том 40, № 9 Магнитные свойства ультратонких пленок Ni © О.В. Снигирев, А.М. Тишин, С.А. Гудошников, К.Е. Андреев, Якоб Бор Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук, 142092 Троицк, Московская обл., Россия Технический университет Дании, DK 2800 Люнгбю, Дания (Поступила в Редакцию 20 ноября 1997 г.

В окончательной редакции 11 марта 1998 г.) Исследованы магнитные свойства пленок Au / Ni / Si(100) в интервале толщин Ni от 8 до 200 при T = 77 K с помощью сканирующего магнитного микроскопа на основе тонкопленочного высокотемпературного сквида постоянного тока. Установлено, что пленки Ni размером в плане 0.6 0.6 mm, толщина которых превышает 26, имеют однодоменную структуру, причем их магнитный момент ориентирован в плоскости пленки, а намагниченность насыщения близка к 0.17 MA / m. Для пленок с толщиной менее 26 найдено резкое падение намагниченности пленки.

Исследование свойств ультратонких магнитных пле- монстрирует переход из ферромагнитной в немагнитную нок имеет как фундаментальный, так и практический фазу [15] при уменьшении радиуса Вигнера-Зейтца до интерес. Данные пленки могут быть использованы в критической величины порядка 2.6. Переход из немагзаписывающих магнитных устройствах для увеличения нитного в ферромагнитное состояние предсказан также плотности памяти. С точки зрения фундаментальных для эпитаксиальных bcc-Ni-пленок, подверженных 1% исследований эти пленки являются интересным объек- растяжению решетки, вызываемому подложкой [16].

том для изучения магнитного упорядочения в двумерных Величина магнитного момента пленок Ni и его про(2D) магнетиках [1,2]. странственная ориентация зависят от числа монослоев, Наиболее известные приборы, используемые для из- подложки и структуры буферного слоя [8,16–19].

мерений магнитных свойств ультратонких пленок, по- Размеры магнитных доменов, образующихся в пленках верхности 3d- и 4 f -металлов, а также субмикронных Ni, варьируются от десятков до единиц микрометров при частиц записывающих сред, можно классифицировать в изменении толщины Ni от 20 до 140 [6].

три группы: устройства, с помощью которых можно из- Помимо отмеченных выше свойств ультратонкие мерять интегральный магнитный момент образца [3–5]; пленки Ni могут демонстрировать спектр явлений, свяустройства, которые обеспечивают получение изображе- занных с переходом при увеличении числа монослоев ния структуры магнитных объектов с высоким простран- от двумерных к трехмерным магнитным системам. Было ственным разрешением [6–9]; приборы, использующие найдено, например, что величина критического индекса синхротронное или нейтронное излучение [10–12]. в температурной зависимости намагниченности в облаНедавно созданные сканирующие сквид-микроскопы сти фазового перехода M(T ) (1 - T/Tc) довольно (см., например, [13]) позволяют измерять абсолютные резко изменяется от значения 0.125, характерного для значения намагниченности образца с высокой чувстви- двумерных ”изинговских” магнетиков, до значения 0.43, тельностью, недоступной другим устройствам, и снимать характерного для трехмерных ”гейзенберговских” магтопограммы магнитного поля исследуемого объекта с нетиков, при изменении толщины пленки Ni от 5 до пространственным разрешением вплоть до нескольких моноатомных слоев [7].

микрометров [14]. Температура Кюри Tc также зависит от толщины пленВ данной работе приведены результаты исследования ки Ni и, как было показано, может изменяться от магнитных свойств ультратонких Au / Ni / Si(100)-пленок до 450 K при увеличении толщины пленки Ni / Cu(001) при температуре 77 K при помощи сквид-микроскопа. от 1.5 до 8 монослоев [20]. При этом зависимость Tc от толщины пленки может быть экстраполирована к значению Tc = 0 для одного монослоя Ni [21].

1. Свойства тонких пленок Ni Как известно [15], тонкие пленки Ni могут иметь два 2. Методика эксперимента типа кристаллической структуры (гранецентрированную ( fcc) и объемно центрированную (bcc)) с существенно Взаимное расположение сквид-датчика [22] сканируразличными магнитными свойствами. Согласно теоре- ющего магнитного микроскопа, исследуемого образца тическим представлениям, fcc-Ni существует только в пленки Ni на подложке из Si(100) толщиной 0.3 mm и ферромагнитной фазе, тогда как bcc-модификация де- токопленочной калибровочной петли, нанесенной на ту 1682 О.В. Снигирев, А.М. Тишин, С.А. Гудошников, К.Е. Андреев, Якоб Бор сквидом, которое в наших экспериментах варьировалось от 100 до 400 µm и определяло пространственное разрешение прибора.

3. Результаты измерений Исследовались магнитные свойства пленок Ni с толщиной от 8 до 200, покрытых слоем Au. ИзобраРис. 1. Схематичное изображение взаимного расположения жения регистрировались после охлаждения образца в сквида (1), образца (2) и калибровочной петли (3) на подложостаточном магнитном поле от температуры T 400 K ке (4) в магнитном сквид-микроскопе.

до температуры кипения жидкого азота. При сканировании пленки толщиной 26 был получен слабый магнитный сигнал, соответствующий ориентации вектора же кремниевую подложку, показано на рис. 1. Образцы намагниченности в плоскости пленки. При приложении пленок изготовлялись [22] в форме квадрата со стороной магнитного поля величиной 4000 A / m, направленного 600 µm. Для визуализации распределения магнитного параллельно плоскости пленки, отношение сигнал–шум поля, создаваемого образцом, производилось сканироувеличилось до значений более 100, и магнитное изобравание образца при расстоянии образец–датчик поряджение стало четким (рис. 2). Острые пики максимума ка 100 µm.

и минимума Bz-компоненты магнитного поля располагаНамагничивающее поле, параллельное плоскости лись у противоположных краев исследуемой пленки, обообразца, задавалось с помощью длинного соленоида, значенной на рис. 2 штриховой линией. Симметричность а поле, перпендикулярное образцу, создавалось квазиизображения (положительный и отрицательный отклики плоской 500-витковой катушкой. Используемый сканиравны по величине) обусловлена ориентацией вектора рующий сквид-микроскоп (ССМ) мог нормально рабонамагниченности в плоскости пленки. Наличие только тать в магнитном поле с напряженностью до 70 A / m, двух пиков на магнитном изображении всей пленки, если направление поля было перпендикулярно плоскости размеры которой существенно превосходят пространсквида (и плоскости образца), и в полях до 104 A/ m, ственное разрешение ССМ, можно интерпретировать ориентированных параллельно сквиду.

как указание на монодоменную структуру.

Сведения о кристаллографической структуре образИзменение компоненты Bz(x, y) по отношению к фоцов были получены на толстых пленках Ni (200 ) новому сигналу Bz(0, 0), записанному вдали от пленбез золотого покрытия на рентгеновском дифрактометре ки, было рассчитано из изменения величины выходного Rigaku. При этом был обнаружен только рефлекс напряжения сквида Vout, известного значения коэффи(111) (2 = 44.32); полная ширина пика на половициента обратной связи электроники сквида Vout/не максимума равнялась 1.028. Наличие единствен(здесь 0 — квант магнитного потока) и предварительно ного рефлекса (111) указывает на текстурированную измеренной эффективной площади сквида Aeff [22,23].

структуру нанесенной пленки Ni с сильно выраженной (111)-ориентацией. Постоянная решетки, рассчитанная по положению 2-рефлекса, составляла 3.53. Найденная ориентация пленки (111) представляется естественной, поскольку в этом случае рассогласование между постоянной решетки (100)-ориентированной Si (5.2 ) и атомами Ni в плоскости пленки (4.99 ) минимально.

Контролировать таким способом более тонкие пленки не представлялось возможным из-за низкой интенсивности отраженного излучения.

При проведении измерений измерительный зонд ССМ погружался в дьюар с жидким азотом, расположенным внутри двойного пермаллоевого экрана. Поворот зонда вокруг вертикальной оси на 360 позволяет имерить горизонтальную компоненту остаточного магнитного поля.

Ее максимальная величина оказалась близкой к 2.5 µT.

Переменный ток величиной около 300 µA подавался в калибровочный виток (рис. 1), его магнитное изображение позволяло произвести установку образца внутри поля сканирования ССМ (порядка 8 8mm). Измеренная Рис. 2. Магнитное изображение пленки Ni толщиной 26 развеличина магнитного поля над центральной частью витка мером 0.60.6 mm в приложенном магнитном поле величиной позволяет определить расстояние h между образцом и 4000 A / m, направленном параллельно оси Y.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № Магнитные свойства ультратонких пленок Ni ствуют однодоменной магнитной структуре с осью легкого намагничения, расположенной в плоскости пленки по диагонали ее квадрата. При приложении праллельного намагничивающего поля величиной порядка 4000 A / m магнитный момент пленки поворачивался по направлению поля и пики сдвигались к положению, показанному на рис. 2, a. Подобные результаты были получены и для пленки Ni с толщиной 200 без золотого покрытия.

С целью определения характера влияния кремниевой подложки на ориентацию и величину магнитного момента пленки нами были приготовлены и исследованы образцы пленок Au / Ni / Pt / Si(100) с буферным слоем Pt толщиной 100 nm. Параметр решетки платины, равный 3.9, имеет промежуточное значение между значениями параметров Si и Ni, что приводит к уменьшению растяжения слоев Ni пленки. Изображение распределения Bz-компоненты магнитного поля приведено на рис. 5.

Рис. 3. Петля гистерезиса пленки Ni толщиной 26 в параллельном приложенном магнитном поле.

Зависимость величины объемной намагниченности 26 пленки Ni от параллельного приложенного поля показана на рис. 3. Эта гистерезисная кривая была получена путем последовательных измерений максимальной величины Bz при изменении величины приложенного магнитного поля от +4000 до -4000 A / m и обратно.

Результаты показывают, что величина намагниченности насыщения данной пленки равна 0.17 MA / m и достигается при напряженности поля около 2500 A / m. Эта величина намагниченности насыщения приблизительно в 3 раза меньше, чем для объемного Ni. Петля гистерезиса (рис. 3) указывает на наличие магнитного упорядочения в образце с температурой фазового перехода выше 77 K.

Общий вид зависимости M(H) позволяет предположить, Рис. 4. Зависимость намагниченности насыщения от толщины что данное упорядочение имеет ферромагнитный харакпленок Au / Ni / Si(100).

тер. Коэрцитивная сила близка к 35 A / m, а остаточный магнитный момент составляет 0.028 MA / m. При приложении к пленке Ni толщиной 26 перпендикулярного магнитного поля с максимальной величиной 70 A / m сигнал оказался ниже уровня шума сквида, и изображение получить не удалось.

Попытки зарегистрировать изображения образцов с толщинами 15 и 8 в параллельном и перпендикулярном магнитных полях при расстояниях 100 µm между сквидом и образцом показали, что величина их намагниченности меньше порога чувствительности прибора.

Таким образом, при изменении толщины пленки Ni от 26 до 15 намагниченность уменьшилась более чем на два порядка величины (рис. 4).

В отличие от пленок с толщиной 26 изображения пленок Ni с толщиной 43 и 84, записанные после их охлаждения в нулевом поле, демонстрировали четкие пары симметричных положительных и отрицательных Рис. 5. Магнитное изображение пленки Ni толщиной 30, пиков, расположенных на противоположных углах ква- напыленной на буферный слой Pt, в магнитном поле величиной дратного образца пленки. Такие изображения соответ- 4000 A / m, направленном параллельно оси Y.

Физика твердого тела, 1998, том 40, № 1684 О.В. Снигирев, А.М. Тишин, С.А. Гудошников, К.Е. Андреев, Якоб Бор 4. Обсуждение результатов буферного слоя существенно изменило энергию магнитной анизотропии пленки. Этот факт дает основания Начнем обсуждение с наиболее простого случая от- предположить, что устранение растяжения монослоев носительно толстых пленок Au / Ni / Si(100) с толщиной Ni приведет к ориентации магнитного момента данного 43 и 84. Как следует из результатов измерений при образца пленки препендикулярно ее плоскости. Помимо T = 77 K, в них наблюдается ферромагнитное упоизменения ориентации магнитного момента полученные рядочение. Величина намагниченности насыщения при нами экспериментальные данные указывают на весьма этом близка к объемной (рис. 4), что согласуется с существенное уменьшение величины магнитного моментеоретическими представлениями [15].

та атомов Ni, что может свидетельствовать о заметной Обнаруженная ориентация намагниченности в плоско- перестройке энергетического спектра пленки с буферсти пленки может быть следствием ряда факторов. Во- ным слоем.

первых, при такой ориентации практически отсутствует Что касается характеристик магнитного микроскопа, поле размагничивания пленки; во-вторых, вследствие рато, как видно из результатов, чувствительности прибостяжения пленки Ni кремниевой подложкой направление ра оказалось достаточно для измерения гистерезисных легкого намагничения может лежать в плоскости пленки;

кривых пленок толщиной более 26 в приложенных и / или, в-третьих, тем, что температура 77 K для этих магнитных полях величиной ±4000 A / m, если поле орипленок находится между точкой магнитного фазового ентировано параллельно плоскости образца и плоскости перехода и температурой переориентации TR [24].

сквида. В случае перпендикулярного намагничивающего Доменная структура толстых пленок оказалась мало поля было возможно проводить измерения при значечувствительной к приложенному магнитному полю неза- ниях поля намагничивания не более 70 A / m, так как висимо от того, параллельно или перпендикулярно плос- в больших полях происходило подавление критического кости пленки оно направлено (в наших экспериментах тока джозефсоновских переходов сквида. Для измерений поля имели величины до 4000 и 70 A / m соответственно).

в полях с напряженностью более 100 A / m должны исПленки промежуточных значений толщин (около пользоваться сквиды с субмикронными джозефсоновски25 ) также показали наличие ферромагнитного упоря- ми контактами.

дочения, однако, с уменьшенной величиной намагничен- Пространственное разрешение в магнитном изображености насыщения. Последнее, скорее всего, вызвано тем, нии наблюдаемых объектов и разрешение по магнитному что температура образца T = 77 K оказалась близкой к полю в использовавшейся версии магнитного микроскоточке фазового перехода для данной толщины пленки.

па оказались близкими к 100 µm и 10-15 Am2 / Hz1/Альтернативной причиной может быть островковая соответственно. Оба эти параметры могут быть улуч(кластерная) структура пленки, вероятность возникно- шены при уменьшении расстояния между сквидом и вения которой возрастает с уменьшением толщины. Ра- образцом [14].

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.